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自动化立体仓库机械设计论文
前言
随着企业现代化规模的不断扩大，物流业的快速发展，仓库单层库存的物流系统的重要组成部分，人工翻找的存储形式已经不能满足实际要求。
立体仓库已成为不可缺少的重要部分的生产物流系统，机器人和堆垛机的关键设备。
所谓的立体仓库基层十几层，甚至几十层高的货架单元装载货物的仓库或库，货物搬运到的货物装卸设备（机器人）。
立体仓库空间利用率高，强进库容量，采用计算机控制管理，帮助企业实现现代化的管理功能，已成为不可或缺的企业仓储物流和生产管理技术，越来越多的企业的生存。
自动化的高货架仓库的应用围广泛，几乎遍布所有行业。
在中国，工业自动化高层货架仓库应用主要是机械，冶金，化工，航空航天，电子，医药，食品加工，烟草，印刷，配送中心，机场，港口等。
第一章绪论
1.1自动化立体仓库的基本原理及概述
1.1.1自动化立体仓库的基本原理
自动化立体仓库，也被称为高架仓库AS/RS（自动存储和检索系统），自动存取系统。
这是常用的层，十几层，甚至几十层高的货架，自动材料处理设备，仓库货物出库和仓储业务。
立体仓库通常立体货架堆垛机的铁路隧道，一个存储托盘输送机系统，尺寸检测条码阅读系统，通信系统，自动控制系统，计算机监控系统，计算机管理系统以及其他如电线，电缆桥架配电辅助设备橱柜，托盘，调节平台，钢结构平台的复杂的自动化系统。
使用一流的综合物流理念，采用先进的控制总线，通信和信息技术，通过以上设备的协调行动，按照指定的用户的需求完成货物自动有序，快速，准确，高效的仓库工作。
图为立体化仓库的示意图1-1：
图1-1立体化仓库的示意图
这类仓库主要通过高层货架充分利用空间进行存取货物，所以称为“立体仓库”，也有的称为“高架仓库”。
目前，这类仓库最大高度达到40多米，最大库存数可大至数万甚至10多万个货物单位，可以做到无人操作，按计划入库和出库的全自动化控制，并且可以实现仓库的计算机网络化管理。
1.1.2自动化立体仓库的研究现状
20世纪50年代后期，美国于1959年开发了世界上第一个自动化立体仓库在1963年率先推出了使用计算机进行控制和管理的自动化立体仓库。
从那时起，在自动化立体仓库发展迅速，在欧洲和美国，日本等一些发达国家，并形成一个专门的学科。
70后代，因为发达国家大力推进商品物流自动化，速度快，信息技术，在全国各大城市设立了大型自动化立体仓库。
在20世纪80年代，在自动化立体仓库在快速发展的国家在世界上，几乎涵盖了所有行业。
随着科学技术的不断发展，国家的最先进的技术手段被应用在自动化立体仓库，及时的信息自动采集，自动分拣，自动传输，自动获取，智能库存控制，自动化搬运车得到应用，大大提高了仓库运作效率，500至800倍，每小时可以完成的大型自动化立体仓库存储操作。
相对发达的国家，在自动化立体仓库在中国的发展起步较晚，在1974年以来完成的第一个在纺织机械的自动化立体仓库，我们的自动化立体仓库领域的发展速度相对较慢。
21个自动化仓库已建成于1980年，是正在建设中，其部分是容易的，在较低的小型独立的仓库货架上只有两个单元货架和重力货架。
实践几乎都是巷道机与外围设备，如手推车，叉车或输送机。
这些仓库主要分布在机械制造行业，其次是商业，电器行业。
1.13自动化立体仓库的组成
自动化立体仓库一般由高层货架，仓储和机械设备，建筑，以及控制和管理设施的组成部分。
货架的材料的特定的形式中，一般使用钢或钢筋混凝土制造。
随着海拔高度的增加，钢的货架上更为明显的优越性，具体的架子。
为了提高货物装卸，存取效率，自动化立体仓库一般采用纸盒或托盘盛开的商品。
的基本功能的纸箱和托盘盛放小件的材料，同时也应该很容易插入和删除存储的卡车和堆垛机。
在自动化仓库设备装卸设备，它们一般都是由电力驱动，可以手动或自动地控制，从一个到另一个输送货物。
的给药系统，必须有高的可靠性。
立体仓库，只有一组的输送机系统，失败的事件的整个仓库工作将受到影响。
因此，要求的输送系统中的设备的各个方面是可靠的，耐用的，且易于维护。
自动化立体库的基本组成部分：
高层货架：
用于存储货物的钢结构。
目前主要有焊接式货架和组合式货架两种基本形式。
托盘（货箱）：
用于承载货物的器具，亦称工位器具。
巷道堆垛机：
用于自动存取货物的设备。
按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形式；按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。
输送机系统：
立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。
输送机种类非常多，常见的有辊道输送机，链条输送机，升降台，分配车，提升机，机械手等。
自动控制系统：
驱动自动化立体库系统各设备的自动控制系统。
目前以采用现场总线方式为控制模式为主。
库存信息管理系统：
亦称中央计算机管理系统。
是全自动化立体库系统的核心。
目前典型的自动化立体库系统均采用大型的数据库系统（如ORACLE，SYBASE等）构筑典型的客户机/服务器体系，可以与其他系统（如ERP系统等）联网或集成。
1.1.4自动化立体仓库的优点
自动化立体仓库的主要优点有以下几个方面：
1、由于能充分利用仓库的垂直空间，其单位面积存储量远远大于普通的单层仓库（一般是单层仓库的4-7倍）。
2、仓库作业全部实现机械化和自动化，一方面能大大节省人力、减少劳动力费用的支出，另一方面能大大提高作业效率。
3、采用计算机进行仓储管理，可以方便地做到"先进先出"，并可防止货物自然老化、变质、生锈，也能避免货物的丢失。
4、货位集中，便于控制与管理，特别是使用电子计算机，不但能够实现作业的自动控制，而且能够进行信息处理。
5、能更好地适应黑暗、低温、有毒等特殊环境的要求。
在特殊的环境下通过计算机控制货物自动出入库，无需人为操作，提高人员安全性。
1.1.5自动化立体仓库的分类
按照货架的形式，自动化立体仓库可分为三类：
1）单元货架仓库。
这种形式的仓库使用最广，通用性也较强。
其特点是货架沿仓库的宽度方向分成若干排，每两排成一组，其问有一条巷道，用堆跺机或其他仓储机械作业。
每排货架沿长度方向分成若干列，沿垂直方向分成若干层，从而形成大量的货格，用以储存货物单元（一个货盘或一个货箱），如图1-2：
图1-2单元货架仓库示意图
2）贯通式货架。
与单元式仓库相比，取消各排货架之问的巷道，将货架合并在一起，使同一层同一列的货架贯通，形成能一次存放许多货物单元的通道，而在另一端有出库起重机取货。
根据货物单元在通道移动方式的不同，贯通式仓库又可进一步划分为重力货架式仓库和梭式小车货架仓库。
如图1-3所示：
图1-3贯通式货架仓库示意图
3）循环货架仓库。
这种仓库的货架，本身是一台垂直提升机或在水平面沿环行路线来回运行的输送机。
前者可以在垂直方向存取货物，后者在平面存取或拣选货物。
第二章可编程逻辑控制器
2.1PLC的基础知识
可编程控制器是基于新一代的工业控制设备，自动控制技术，计算机技术和通信技术为基础的发展，它已被广泛应用于各个领域。
早期的可编程控制器只能指望，定时和控制逻辑的开关。
提到的PLC可编程序控制器（可编程逻辑控制器）。
后来，可编程控制器采用微处理器作为控制核心，它的功能已经远远超过了逻辑控制的围，所以人们把它称为可编程控制器，简称为PC。
通常被称为个人计算机（个人计算机）作为PC，为了避免混淆，在可编程控制器仍被称为到PLC。
因此，它具有体积小，设计简单，灵活，易于维护，和一系列的优点，特别是它的可靠性高，能力强，能适应恶劣的工业环境，得到了用户的一致好评，得到了越来越广泛在冶金领域的使用，能源，化工，交通，电力，现代控制的三大支柱：
PLC，机器人和CAD/CAM之一。
PLC具有以下特点：
1.运算功能强，可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。
它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。
2.高可靠性，所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC部电路之间电气上隔离；各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms；各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；采用性能优良的开关电源；良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
丰富的I/O接口模块针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备。
2.2PLC的选择
PLC的选择，我们必须考虑到多方面的因素。
如输入和输出点的最大数目，扫描速度，存储器容量，数量的指令，功能模块。
同时考虑经济实用性，以及他们的工作环境的影响。
常用的PLC发展了这么多年，技术成熟，也有很多各种型号，不同的制造商也有一定的差异，专注的发展方向，因此，我们必须考虑如何根据自己的设计需求进行选择。
PLC的种类有很多，西门子，三菱，欧姆龙，东芝FANAC，但生产配套的大型，中型，小型和微型都支持，是目前使用最广泛的西门子，三菱，欧姆龙PLC。
与其他形式的控制系统的控制对象相比，PLC系统，力争有一个很好的成本效益，易于使用和维护，可选的PLC主机和配置和控制功能必须能够满足被控对象的控制要求;可选的PLC主机和配置必须是新一代更强大的PLC型号，一般情况下，最好不要使用老款车型。
还应该考虑未来的变化和扩展的过程中，满足一定的要求，留有一定的余量，确保整个控制系统是可靠的。
此外，考虑到所有的产品的熟悉程度，以及易于理解的编程指令。
面对的各种类型PLC众多厂商，他们有自己的优点和缺点，以满足用户的各种需要，互不兼容，但每一个形态，组成，功能，网络，编程，有没有单一的标准不能横向比较。
以下在自动控制系统的设计提出了PLC的选择，选择的PLC作为参考。
通过下面的比较，选择合适的产品。
（1）工作量
这一点尤为重要。
在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10%-30%的PLC。
多余的部分作为维修及系统增加调整的备用输入输出控制。
（2）工作环境
工作环境是PLC工作的硬性指标。
自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同。
一定要选择适应实际工作环境的产品。
（该设计环境正常，故不用特殊型号）
（3）通信网络
现在PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统必须解决的问题。
（故尽量选取比较常用的品牌）
（4）编程
程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。
编程器及编程软件有些厂家要求额外购买，并且价格不菲，这一点也需考虑在。
（要求有良好的编程软件）
（5）可延性
这里包括三个方面含义：
1、产品寿命。
大致可以保证所选择的PLC的使用年限，尽量购买生产日期较近的产品。
2、产品连续性。
生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容，这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用。
3、产品的更新周期。
当某一种型号PLC（或PLC模块）被淘汰后，生产厂家是否能够保证有足够的备品（或备件）。
这时应考虑选择当时比较新型的PLC。
根据以上的PLC选择方法，由于系统中的控制要求PLC点数：
实际输入点24点，实际输出点5点，在此，我选用西门子S7-200CPU226来做控制核心。
2.3S7-200可编程逻辑控制器的介绍
S7-200系列小型PLC（微型PLC）可应用于各种自动化系统。
结构紧凑，成本低，功能强大的指令集使S7-200PLC成为理想的解决方案，可控制小。
S7-200产品的多样化以及基于Windows的编程工具，让你可以更灵活，完整的自动化任务。
S7-200系列可编程逻辑控制器（微型PLC）。
它能够控制各种设备以满足自动化控制的需求。
S7-200用户程序，包括位逻辑，计数器，定时器，复杂的数学，和其他智能模块通信指令的容，所以它可以监视输入状态，改变输出状态来达到控制的目的。
结构紧凑，灵活且功能强大的指令集使得S7-200是各种控制应用的理想解决方案。
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
CPU速度和存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
S7-200CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的MicroPLC。
如图2-1所示。
在下载了程序之后，S7--200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。
图2-1S7-200CPU
同时为了更好地满足应用要求，S7--200系列为您提供多种类型的扩展模块。
您可以利用这些扩展模块完善CPU的功能。
2.4S7-200对自动化立体仓库的作用
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
由于S7-200系列具有以下几个方面的出色表现：
1）极高的可靠性。
2）极丰富的指令集。
3）易于掌握。
4）便捷的操作。
5）丰富的置集成功能。
6）实时特性。
7）强劲的通讯能力。
8）丰富的扩展模块。
所以S7-200在整个系统中做为一个控制核心，像人类的大脑一样指挥着各个部件的运行，是系统中无可替代的。
有句俗语说的好：
四两拨千斤、推波助澜正好形容S7-200在整个系统设计中所起到的重大作用。
第三章系统组成及硬件连接
本设计系统的硬件结构图为图3-1：
图3-1本设计系统的硬件结构图
3.1PLC输入、输出口的分配
根据所选择的PLC型号，对本系统中PLC的输入输出端子进行分配，如表3-2：
表3-2输入输出端分配表
PLC输入部分
PLC输出部分
输入
功能
输出
功能
I0.0
急停
Q0.0
X电机正转
I0.1
1号巷道进货按钮
Q0.1
X电机反转
I0.2
2号巷道进货按钮
Q0.2
Y电机正转
I0.3
3号巷道进货按钮
Q0.3
Y电机反转
I0.4
4号巷道进货按钮
Q0.4
Z电机正转
I0.5
5号巷道进货按钮
Q0.5
Z电机反转
I0.6
6号巷道进货按钮
Q0.6
机械手夹电磁阀动作
I0.7
1号巷道出货按钮
Q0.7
机械手松电磁阀动作
I1.0
2号巷道出货按钮
Q1.0
给1号堆垛机启动信号
I1.1
3号巷道出货按钮
Q1.1
给2号堆垛机启动信号
I1.2
4号巷道出货按钮
Q1.2
给3号堆垛机启动信号
I1.3
5号巷道出货按钮
Q1.3
给4号堆垛机启动信号
I1.4
6号巷道出货按钮
Q1.4
给5号堆垛机启动信号
I1.5
机械手取货工位
Q1.5
给6号堆垛机启动信号
I1.6
1号堆垛机工位信号
Q1.6
仓库进货中指示灯
I1.7
2号堆垛机工位信号
Q1.7
仓库出货中指示灯
I2.0
3号堆垛机工位信号
I2.1
4号堆垛机工位信号
I2.2
5号堆垛机工位信号
I2.3
6号堆垛机工位信号
I2.4
机械手Z方向取货限位
I2.5
机械手Z方向出货限位
I2.6
机械手Y方向上升限位
I2.7
机械手Y方向下降限位
3.2系统控制要求
对于自动化立体仓库存储过程的设计，是在自动化立体仓库设计的焦点。
应以满足基本淘汰的初始设计的自动化立体仓库存储需求的设计原则。
自动化立体仓库的设计过程中，根据不同的特点在自动化立体仓库的设计，设备方面的考虑，以及许多其他因素，导致不同的分配原则的载货空间。
技术先进的控制系统，现场控制总线直接通讯，计算机只真正监事不控制所有的决策，作业调度，现场信息，堆垛机，输送机的仓储现场设备通过相互沟通，协调完成。
货位编号记录每个托盘堆垛机和计算机的数据库中，管理员可以使用的比较函数来比较的记录在计算机的记录和堆垛机，修改，修改可自动和手动完成。
系统的软件和硬件功能齐全，清晰的用户界面，易于操作和维护。
堆垛机自动回收的起源功能，任何中心叉和运行正常水平，按照发出的命令自动回到原点。
这意味着操作人员和维护人员无法进入巷道尽可能。
智能控制系统，可以实现真正的自动盘点的功能，避免了以往繁重的手工清点工作，以减少仓库管理人员的工作强度，同时确保错误率为零，出库操作。
3.3机械手控制与6台堆垛机的协调控制
下图3-3为自动化立体仓库系统设计的流程图，从中体现PLC对机械手和堆垛机的协调控制。
图3-3自动化立体仓库系统设计的流程图
第四章软件及图纸设计
4.1主电路设计
主电路设计，如图4-1：
图4-1主电路设计
在系统主设计电路中除了日常使用的电气元器件外，本设计还增加了滤波器，目的是为了防止电源电源的波动对控制PLC造成损坏，起到保护系统核心的作用。
4.2PLC控制系统设计及程序
本设计软件采用西门子STEP7--Micro/WIN的编程软件，编程软件为用户开发，编辑和监控自己的应用程序编程环境。
为了能够快速，高效地开发应用程序，STEP7--Micro/WIN软件提供了三种程序编辑器。
当程序设计好之后必须下载到PLC中才可以运行系统，下载时使用的是S7-200专用的编程PC/PPI电缆。
这根电缆的一端是接电脑的USB口，一端接在PLC的RS232通讯串口上。
当电缆接好之后，打开软件，进入要下载的文件。
先编译文件，确保程序没有错误，然后选择菜单栏里的“文件”选择“下载”，便可以下载程序到PLC中。
第五章仿真
5.1仓库自动进货仿真
1：
1号堆垛机巷道自动进货启动I0.1，机械手X轴向左移动Q0.0，仓库进货指示灯Q1.6亮
2：
X方向到达取货工位I1.5，机械手Z轴向前移动Q0.4
3：
Z方向取货进限位I2.4，机械手Y轴向下移动Q0.2
4：
Y方向取货下降限位I2.7，机械手抓货气缸动作Q0.6
5：
机械手抓货气缸动作5秒后，机械手Y轴向上移动Q0.3
6：
Y方向取货上升限位I2.6，机械手Z轴向后移动Q0.5
7：
Z方向取货退限位I2.5，机械手X轴向右移动Q0.1
8：
系统自动判断那只堆垛机呼叫，到达该位置I1.6，机械手Z轴向前移动Q0.4
9：
Z方向取货进限位I2.4，机械手Y轴向下移动Q0.2
10：
Y方向放货下降限位I2.7，机械手放货气缸动作Q0.7
11：
机械手放货气缸动作5秒后，机械手Y轴向上移动Q0.3
12：
Y方向取货上升限位I2.6，机械手Z轴向后移动Q0.5
13：
Z方向取货退限位I2.5，机械手X轴向左移动Q0.0，并给1号堆垛机启动信号Q1.0
14：
X方向到达取货工位I1.5，自动进货系统完成，仓库进货指示灯Q1.6灭
5.2仓库自动出货仿真
15：
1号堆垛机巷道自动出货启动I0.7，机械手X轴向右移动Q0.1，仓库出货指示灯Q1.7亮
16：
系统自动判断那只堆垛机呼叫，机械手到达该位置I1.6，机械手Z轴向前移动Q0.4
17：
Z方向取货进限位I2.4，机械手Y轴向下移动Q0.2
18：
Y方向取货下降限位I2.7，机械手抓货气缸动作Q0.6
19：
机械手抓货气缸动作5秒后，机械手Y轴向上移动Q0.3
20：
Y方向取货上升限位I2.6，机械手Z轴向后移动Q0.5
21：
Z方向取货退限位I2.5，机械手X轴向左移动Q0.0
22：
X方向到达放货工位I1.5，机械手Z轴向前移动Q0.4
23：
Z方向取货进限位I2.4，机械手Y轴向下移动Q0.2
24：
Y方向放货下降限位I2.7，机械手放货气缸动作Q0.7
25：
机械手放货气缸动作5秒后，机械手Y轴向上移动Q0.3
26：
Y方向取货上升限位I2.6，机械手Z轴向后移动Q0.5
27：
Z方向取货退限位I2.5，自动出货系统完成，仓库出货指示灯Q1.7灭
结论
“毕业论文”一个让人伤感的话题，我要毕业了，跨出这个校园的门槛，我想我没有机会再在学校里学习了，面对我的，是一个全新的生活环境——“社会”。
在这段毕业设计时间里,在老师的指导下，我收获很大.学习并亲自经历了一个单独制作的过程。
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.需要在先进性、实用性、可靠性、性价比等众多因素中折中优化。
在调试过程中走了不少弯路。
开始时几乎无从下手，后来在老师的指导下，按设计要求逐条调试，我深深的体会到，实践必须在充分理解电路原理的基础上，才能做到目标明确，操作准确。
反过来，分析调试过中的得失，能加深对理论的理解。
回顾起此次单片机课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论。
致
本论文是在指导老师的指导下完成的，指导老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，对我影响很深。
在导师的帮助下，让我在具体操作中思路清晰，有了明确的方向，在论文完成的过程中，不仅有导师的帮助，还有同学的帮忙，让自己在做论文时更加顺利。
同时在毕业设计完成的过程中自己学到了很多东西，对于PLC也有了更多的了解。
三年的时光转眼即过，我们有过骄傲和自豪，有过汗水和热血，如今的我们虽然离开了学校，但同样需要激情，奋斗才能前进。
母校为我们奠定了基础，那就让我们自己来决定方向。
最后，感三年中陪伴在我身边的同学，朋友，家人和老师，感他们为我提出的宝贵的建议和意见，是在他们的支持，鼓励下，我充实的度过了三年的学习生活。
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