3345 柔性制造系統(tǒng)碼垛機(jī)單元的設(shè)計(jì)與仿真

3345 柔性制造系統(tǒng)碼垛機(jī)單元的設(shè)計(jì)與仿真,柔性制造系統(tǒng),碼垛,單元,設(shè)計(jì),仿真 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)柔性制造系統(tǒng)碼垛機(jī)單元的設(shè)計(jì)與仿真院 系 名 稱(chēng)：機(jī)電工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 08-3 班學(xué) 生 姓 名：指 導(dǎo) 教 師：職 稱(chēng)： 講 師 學(xué) 院二〇一二年六月The Graduation Thesis for Bachelor's DegreeDesign and Simulation of Flexible Manufacturing System Palletizer Unit Candidate: Specialty: Mechanical Design andManufacture & AutomationClass:Supervisor: Lecturer. 2012-06·I摘 要柔性制造系統(tǒng)（FMS）是集成了自動(dòng)控制技術(shù)、人工智能、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程組態(tài)監(jiān)控等現(xiàn)代化技術(shù)的生產(chǎn)設(shè)備。目前實(shí)踐教學(xué)作為教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)環(huán)節(jié)，是工科院校培養(yǎng)跨世紀(jì)創(chuàng)造性人才必不可少的。為配合卓越工程師試點(diǎn)工作中的課程改革，結(jié)合教學(xué)研究任務(wù)，本設(shè)計(jì)針對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉(cāng)庫(kù)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作。本設(shè)計(jì)主要由三層 12 倉(cāng)位的立體倉(cāng)庫(kù)和四自由度碼垛機(jī)械手兩部分組成。其中碼垛機(jī)械手由機(jī)械傳動(dòng)部分和電氣控制兩部分組成，電氣控制是由西門(mén)子 S7-200 CPU224XP 型可編程控制器 (PLC)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、開(kāi)關(guān)電源、位置傳感器等器件組成。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不斷參閱相關(guān)電氣設(shè)計(jì)規(guī)范的資料，參照現(xiàn)有的碼垛機(jī)的工作模式及控制方法，最終完成 PLC 為控制核心的碼垛單元的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并應(yīng)用組態(tài)軟件制作監(jiān)控仿真界面。關(guān)鍵詞：柔性制造系統(tǒng)；碼垛機(jī)；立體倉(cāng)庫(kù)；PLC；組態(tài)IIABSTRACTA Flexible manufacturing systems (FMS) is the production equipment, which integrates the automatic control technology, artificial intelligence, computer programming language configuration and monitoring modern technology.The current practice of teaching as teaching process of a part is the training of cross century creative talents in Colleges of engineering is essential. As with outstanding engineer pilot work in the curriculum reform, combined with teaching and research tasks, the design for the school laboratory in the flexible manufacturing system of stereoscopic warehouse links in experimental preparations.This system is mainly composed of three layers of 12 positions of the warehouse and four degrees of freedom palletizing manipulator. The palletizing manipulator is composed of a mechanical drive and an electric control. The electrical control is formed by Siemens S7-200 CPU224XP programmable logic controller (PLC), stepper motor drive power modules, switching power supply, sensors and other devices.During the design process, the author refers a lot of the materials concerning the electrical design specification, refer to the existing palletizer work mode and control method, finally completed the PLC as control core Palletizing unit PLC control system design, and the application of configuration software production control simulation interface.Key words: Flexible manufacturing systems; Palletizer; Stereoscopic warehouse; PLC; Configuration目 錄摘要 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????IAbstract?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????II第 1 章 緒論 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1 課題背景 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2 碼垛機(jī)的概述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2.1 碼垛機(jī)在國(guó)外的研究現(xiàn)狀 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2.2 碼垛機(jī)在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.2.3 碼垛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31.3 課題的主要研究?jī)?nèi)容 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3第 2 章 碼垛機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42.1 碼垛機(jī)的總體框圖 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42.2 碼垛機(jī)的結(jié)構(gòu)組成 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52.3 碼垛機(jī)的控制方案 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.3.1 碼垛機(jī)的控制功能要求 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.3.2 碼垛機(jī)的控制方案確定 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.3.3 碼垛機(jī)的定位方案確定 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72.4 本章小結(jié) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9第 3 章 碼垛機(jī)的硬件設(shè)計(jì)選型及介紹 ???????????????????????????????????????????????????????????????????103.1 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算選取 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????103.1.1 碼垛機(jī)的已知參數(shù) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????103.1.2 根據(jù)已知參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)的選型計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????103.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的介紹 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????113.3 可編程控制器的選型及 I/O 分配 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????133.3.1 可編程控制器的選型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????133.3.2 可編程控制器的 I/O 分配 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????133.4 導(dǎo)軌的形式介紹 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????143.5 滾珠絲杠的介紹 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????153.6 本章小結(jié) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15第 4 章 碼垛機(jī)的軟件設(shè)計(jì) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????164.1 編程軟件介紹及使用 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????164.2 碼垛機(jī)的 PLC 程序設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????184.2.1 碼垛機(jī)的工作流程 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????184.2.2 碼垛機(jī)的軟件設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????204.3 本章小結(jié) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37第 5 章 組態(tài)王仿真畫(huà)面的設(shè)計(jì) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????385.1 組態(tài)王監(jiān)控軟件介紹 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????385.2 組態(tài)王監(jiān)控軟件仿真設(shè)計(jì) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????385.2.1 建立組態(tài)軟件與 PLC 之間的通訊連接 ??????????????????????????????????????????????????????395.2.2 組態(tài)畫(huà)面及監(jiān)控元素的設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????405.3 本章小結(jié) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????45結(jié)論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????46參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????47致謝 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????49附錄 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????501第 1 章 緒 論1.1 課題背景碼垛機(jī)是自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的主要搬運(yùn)碼垛設(shè)備，而立體倉(cāng)庫(kù)的產(chǎn)生和發(fā)展是現(xiàn)代物流體系的要求和信息技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果，它是在不直接進(jìn)行人工干預(yù)的情況下自動(dòng)地存儲(chǔ)和取出物流的系統(tǒng)，替代了人工搬運(yùn)碼垛，只需定位抓起點(diǎn)和擺放點(diǎn)，兩點(diǎn)之間的軌道全由電腦控制，兩點(diǎn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，定位十分準(zhǔn)確。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)碼垛機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)發(fā)展的高科技產(chǎn)物，可全天候作業(yè)，配備機(jī)械手可替代不少工人的工作量，由此每年能節(jié)省幾十萬(wàn)的人力資源成本，達(dá)到減員增效的目的。生產(chǎn)上能迅速提高公司的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，同時(shí)還能減少人工搬運(yùn)造成的出錯(cuò)。對(duì)提高生產(chǎn)率、降低成本有著重要意義。機(jī)械手碼垛機(jī)是目前占地最小、效率最高、適應(yīng)能力最強(qiáng)的碼垛機(jī)。碼垛機(jī)械手適應(yīng)于化工、飲料、食品、啤酒、塑料、空調(diào)行業(yè)等生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)各種紙箱、袋裝、罐裝、啤酒箱、瓶裝等各種形狀的包裝成品都適應(yīng)。目前實(shí)踐教學(xué)作為教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)環(huán)節(jié)，是工科院校培養(yǎng)跨世紀(jì)創(chuàng)造性人才必不可少的。為配合卓越工程師試點(diǎn)工作中的課程改革，結(jié)合教學(xué)研究任務(wù)，本設(shè)計(jì)針對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉(cāng)庫(kù)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作。以 PLC 為控制核心設(shè)計(jì)碼垛單元的 PLC 控制系統(tǒng)，并應(yīng)用組態(tài)軟件制作監(jiān)控仿真界面。1.2 碼垛機(jī)的概述1.2.1 碼垛機(jī)在國(guó)外的研究現(xiàn)狀碼垛機(jī)是隨著大型物流配送中心和自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展起來(lái)的，物流這一概念是在 20 世紀(jì) 50 年代首先在美國(guó)形成的，立體倉(cāng)庫(kù)的產(chǎn)生和發(fā)展是現(xiàn)代物流體系發(fā)展的要求和信息技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。初期的立體倉(cāng)庫(kù)使用的碼垛機(jī)以橋式起重機(jī)為基礎(chǔ)，這種碼垛機(jī)是從起重機(jī)的大梁上懸掛一個(gè)門(mén)架（立柱） ，利用門(mén)架的上下和旋轉(zhuǎn)來(lái)搬運(yùn)貨物。1960 年左右在美國(guó)出現(xiàn)了巷道式碼垛機(jī)，這種堆垛機(jī)是在地面的導(dǎo)軌上行走，利用貨架上部的導(dǎo)軌防止傾倒，或者是在上部導(dǎo)軌上行走，利用地面導(dǎo)軌防止傾倒。在立體倉(cāng)庫(kù)碼垛機(jī)的研發(fā)和使用方面，日本始終走在前列，1967 年安裝了 10～15 米的高層碼垛機(jī)，1969 年出現(xiàn)的聯(lián)機(jī)全自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)，特別是 1973 年建成了一座儲(chǔ)藏生鮮食物的冷藏庫(kù)，這是世2界上第一座-40℃的極低溫倉(cāng)庫(kù)，解決條件下碼垛機(jī)的可靠性和技術(shù)方面的問(wèn)題，取得了引人矚目的成就。巷道式碼垛機(jī)逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式碼垛機(jī)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國(guó)擁有各種類(lèi)型的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù) 20000 多座，日本有 38000多座，德國(guó)有 10000 多座，英國(guó)有 4000 多座，前蘇聯(lián)有 1500 多座。1.2.2 碼垛機(jī)在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀我國(guó)第一臺(tái)橋式堆垛起重機(jī)于 1963 年由北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所研制，在 20 世紀(jì) 70 年代初期開(kāi)始，我國(guó)石油化工企業(yè)先后從日本、西德和意大利等國(guó)家引進(jìn)了幾十臺(tái)碼垛機(jī)。其中除了從西德繆勒斯（MOLLERS）公司和意大利 OCME 公司引進(jìn)幾臺(tái)外，其余大部分碼垛機(jī)均是從日本 OKURA 公司和不二公司進(jìn)口的。到 80 年代初期，我國(guó)一些企業(yè)和科研單位，在消化、吸收引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，相繼設(shè)計(jì)、研制出幾種不同類(lèi)型的碼垛機(jī)，并用于聚乙烯、聚丙烯、化肥等粉粒產(chǎn)品包裝碼垛生產(chǎn)線(xiàn)上，為碼垛機(jī)的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)創(chuàng)了良好的開(kāi)端。當(dāng)時(shí)主要生產(chǎn)廠(chǎng)家有宜昌地區(qū)機(jī)械廠(chǎng)、常州化工機(jī)械廠(chǎng)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所和沈陽(yáng)運(yùn)輸機(jī)械廠(chǎng)等單位。從 80 年代初期開(kāi)始，我國(guó)一些科研生產(chǎn)單位即著手設(shè)計(jì)研制輥道式碼垛機(jī)。當(dāng)時(shí)主要以仿型為主，即按國(guó)外同類(lèi)型碼垛機(jī)的型式，并結(jié)合國(guó)內(nèi)的制造水平進(jìn)行設(shè)計(jì)研究的，為國(guó)產(chǎn)碼垛機(jī)奠定了雛形。到 80 年代中期，我國(guó)一些科研、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)單位，開(kāi)始設(shè)計(jì)研制氣墊式碼垛機(jī)。這種機(jī)型仍以仿型為主。該機(jī)型具有結(jié)構(gòu)較緊湊、自動(dòng)化水平高，運(yùn)行動(dòng)作靈活、成垛性能好、外形比較美觀(guān)等特點(diǎn)。但這種機(jī)型與國(guó)外同類(lèi)先進(jìn)水平相比，仍有一定的差距。80 年代后期，我國(guó)一些科研單位設(shè)計(jì)研制出一種機(jī)器人全自動(dòng)碼垛機(jī)。該機(jī)是在輥道式碼垛機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)高架機(jī)械手進(jìn)行碼垛作業(yè)的一種機(jī)型。其處理能力為 600~800 袋 /時(shí)。哈工大機(jī)械人研究所于 1988 年研制的包裝碼垛生產(chǎn)線(xiàn)，從 1992 年 6 月安裝在大慶石化總公司投產(chǎn)運(yùn)行后，經(jīng)過(guò)二年半的生產(chǎn)使用，證明運(yùn)行情況良好，深得用戶(hù)好評(píng)。該所在此基礎(chǔ)上，又以國(guó)外最新產(chǎn)品性能為目標(biāo)，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了一套第二代自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線(xiàn)，并且于 94 年 10 月安裝在齊魯石化總公司投產(chǎn)運(yùn)行；還計(jì)劃再上二套碼垛生產(chǎn)線(xiàn)。同年 11 月又在天津聯(lián)合化學(xué)有限公司安裝了二套自動(dòng)化包裝碼垛生產(chǎn)線(xiàn)。此后，自動(dòng)化物流的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用得到了很大發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到 2006年底，全國(guó)自動(dòng)化立體庫(kù)的保有量已超過(guò) 500 座。2006 年建設(shè)的自動(dòng)化立體庫(kù)在 80座以上，主要集中在機(jī)械制造、汽車(chē)、煙草、食品加工、服裝生產(chǎn)、醫(yī)藥生產(chǎn)及流通等行業(yè)，與 2005 年相比，整個(gè)市場(chǎng)有了很大發(fā)展。31.2.3 碼垛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)縱觀(guān)世界各國(guó)碼垛機(jī)的發(fā)展的現(xiàn)狀，對(duì)今后的動(dòng)向，可歸納如下：(1) 重視“三化” ，逐步采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。所謂 “三化”，是指碼垛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。貫徹“ 三化”可以縮短設(shè)計(jì)周期，保證產(chǎn)品制造質(zhì)量，便于管理和提高經(jīng)濟(jì)效益。世界上許多國(guó)家，不僅重視產(chǎn)品的“三化 ”工作，而且非常注意采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO） 。有的國(guó)家甚至廢除本國(guó)標(biāo)準(zhǔn)而直接采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其目的是為了促進(jìn)商品的國(guó)際交流。(2) 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的機(jī)電一體化。機(jī)械產(chǎn)品需要更新?lián)Q代。在當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)、自控技術(shù)和數(shù)顯技術(shù)大發(fā)展的年代里，更新?lián)Q代的重要標(biāo)志是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的機(jī)電一體化。在碼垛機(jī)上應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以提高作業(yè)性能，增加安全性，以至實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)操作。(3) 人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用。碼垛機(jī)一般應(yīng)用在沉重、忙碌、環(huán)境比較差的場(chǎng)合。為了減少人員的作業(yè)強(qiáng)度，保證持久旺盛的體力和注意力，應(yīng)該根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的理論，設(shè)計(jì)導(dǎo)動(dòng)裝置和人員輔助裝置，改善振動(dòng)與噪聲的影響，以使最少、最合理的投資，獲得最佳的使用效果，使設(shè)備發(fā)揮最大的效率。1.3 課題的主要研究?jī)?nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容是教學(xué)用倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械手碼垛機(jī)的自動(dòng)控制及組態(tài)軟件的監(jiān)控仿真，主要包括以下幾個(gè)方面：(1) 深入研究實(shí)際工作過(guò)程中碼垛機(jī)的工作情況，理解其工作原理；(2) 根據(jù)參數(shù)選擇電機(jī)，確定控制方案。進(jìn)行控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)；(3) 根據(jù)總體方案的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)電器控制的原理框圖；(4) 進(jìn)行 PLC 的選型，進(jìn)行硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并對(duì) I/O 分配；(5) 針對(duì)每一部分的硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)行軟件部分設(shè)計(jì)，PLC 控制程序的編寫(xiě)及調(diào)試；(6) 應(yīng)用組態(tài)軟件制做監(jiān)控仿真操作界面。4第 2 章 碼垛機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)2.1 碼垛機(jī)的總體框圖 上 位 機(jī) (PC)輸入 SIMATC7-20 NPU4X1D3B8輸出操 作 面 板行 程 開(kāi) 關(guān)倉(cāng) 格 工 件檢 測(cè) 開(kāi) 關(guān) 步 進(jìn) 電 機(jī)驅(qū) 動(dòng) 器電 磁 閥輔 助 器 件圖 3.1 總體框圖圖 3.1 為采用西門(mén)子 S7-200 PLC 作為主控制器的碼垛機(jī)總體框圖。一臺(tái) PC 作為上位監(jiān)控機(jī)通過(guò) RS232/485 通信端口與 PLC 相連，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)控管理。本設(shè)計(jì)只針對(duì) PLC 的控制設(shè)計(jì)，其輸入都有啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、單機(jī)聯(lián)機(jī)切換開(kāi)關(guān)、急停等操作面板上的操作開(kāi)關(guān)，還有碼垛機(jī)的行程限位開(kāi)關(guān)和立體倉(cāng)庫(kù)上12 個(gè)倉(cāng)格有無(wú)貨物的檢測(cè)開(kāi)關(guān)。其輸出包括 4 個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖和方向輸出，以及碼垛機(jī)上氣動(dòng)機(jī)械手夾取松開(kāi)的電磁閥和一些輔助的設(shè)備（例如啟動(dòng)停止的指示燈） 。4 個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5分別驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)步進(jìn)電機(jī)，這 4 個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別用于控制碼垛機(jī)的 X 軸、Y 軸、Z 軸的移動(dòng)和 1 個(gè)機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)。2.2 碼垛機(jī)的結(jié)構(gòu)組成本課題是針對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉(cāng)庫(kù)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作而設(shè)計(jì)的。實(shí)驗(yàn)裝置由機(jī)械部分、電氣部分和操作臺(tái)組成，模擬了碼垛機(jī)在一個(gè)有 12 倉(cāng)位的立體倉(cāng)庫(kù)的工作情況。碼垛機(jī)是由三個(gè)直線(xiàn)電控工作臺(tái)以及一個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)外加一個(gè)氣動(dòng)手爪組成。然后整體放置在桌面上，用螺釘固定在桌面鋁合金槽內(nèi)的螺母中。碼垛機(jī)的構(gòu)成表 2.1。其中 I 軸和 II 軸除行程不一致外，本身結(jié)構(gòu)形式完全相同，均采用了光軸導(dǎo)軌支撐，滾珠絲杠傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是承載能力高，安裝方便。III 軸是垂直的升降軸，因?yàn)橄鄬?duì)承載低，故采用光軸支撐，滾珠絲杠傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)。三個(gè)軸互成直角組合搭建而成。也就是典型的直角坐標(biāo)機(jī)器人。工業(yè)上經(jīng)常用到這種結(jié)構(gòu)。IV 軸為旋轉(zhuǎn)軸，通過(guò)支架與 III 軸活動(dòng)平臺(tái)連接。結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿形式。所有直線(xiàn)工作臺(tái)在此系統(tǒng)中都采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)聯(lián)軸器與絲杠端連接。表 2.1 碼垛機(jī)器人構(gòu)成介紹軸 構(gòu)成 動(dòng)作范圍步進(jìn)電機(jī)聯(lián)軸器滾珠絲杠I光軸導(dǎo)軌280mm步進(jìn)電機(jī)聯(lián)軸器滾珠絲杠II光軸導(dǎo)軌300mm步進(jìn)電機(jī)聯(lián)軸器滾珠絲杠III光軸導(dǎo)軌350mm步進(jìn)電機(jī)IV蝸輪蝸桿±100°62.3 碼垛機(jī)的控制方案2.3.1 碼垛機(jī)的控制功能要求碼垛機(jī)是立體倉(cāng)庫(kù)貨物存取任務(wù)的最終執(zhí)行者，其主要?jiǎng)幼靼ǎ?1) 碼垛機(jī)沿貨架（ I 軸方向）的左右運(yùn)動(dòng)；(2) 碼垛機(jī)接近和遠(yuǎn)離貨架（II 軸方向）的前后運(yùn)動(dòng)；(3) 碼垛機(jī)沿立柱（ III 軸方向）的上下升降運(yùn)動(dòng)；(4) 安裝在碼垛機(jī)上機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)（IV 軸） ；(5) 安裝在碼垛機(jī)上機(jī)械手的加緊和放松。因此，碼垛機(jī)單元的自動(dòng)控制主要應(yīng)包含以下幾方面的內(nèi)容：(1) 手動(dòng)控制功能：僅能通過(guò)控制面板的按鈕進(jìn)行啟動(dòng)、停止、急停等控制操作；(2) 自動(dòng)控制功能：當(dāng)手動(dòng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，要求碼垛機(jī)應(yīng)能完成復(fù)位動(dòng)作以及貨物的自動(dòng)入庫(kù)任務(wù)。碼垛機(jī)運(yùn)動(dòng)的情況下，碼垛機(jī)要運(yùn)動(dòng)到碼垛位和抓取位，其中的坐標(biāo)點(diǎn)必須有一個(gè)參考系，并且，在系統(tǒng)斷電的時(shí)候，為防止系統(tǒng)丟掉原點(diǎn)信息，以及當(dāng)系統(tǒng)以外停機(jī)或發(fā)生故障的時(shí)候需要系統(tǒng)具有原點(diǎn)復(fù)位功能。(3) 安全保護(hù)功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各關(guān)鍵器件的使用情況及系統(tǒng)的運(yùn)行情況，出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)報(bào)警。2.3.2 碼垛機(jī)的控制方案確定在當(dāng)今的工業(yè)控制領(lǐng)域，有相當(dāng)多的控制手段和設(shè)備，比如：繼電器控制、PC控制、單片機(jī)控制、集散控制系統(tǒng)（DCS）以及可編程控制器（PLC）控制等等。目前，比較有代表性的碼垛機(jī)控制方式主要有：(1) 基于 PLC 的控制系統(tǒng)基于 PLC 的控制系統(tǒng)，其主要構(gòu)成是以 PLC 控制器為核心，運(yùn)用其強(qiáng)大的 I/O功能，完成其與 HMI（人機(jī)接口）的通信，其主要優(yōu)點(diǎn)是編程比較簡(jiǎn)單，對(duì)使用者的要求不高，且其抗干擾能力比較強(qiáng)大，運(yùn)行非常穩(wěn)定，主要缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)通用化，其靈活程度不高。(2) 基于 PC 控制系統(tǒng)基于 PC 的控制系統(tǒng)是主要由計(jì)算機(jī)（一般是工控機(jī)）完成主要的算法和碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃以及結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，由于基于 PC 機(jī)，故可以可使用高級(jí)語(yǔ)言編程，其靈活性比較高，可完成比較復(fù)雜的控制功能，其缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)周7期比較長(zhǎng)，且對(duì)開(kāi)發(fā)者要求比較高。綜上所述，PLC 作為一種專(zhuān)門(mén)在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)針對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉(cāng)庫(kù)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，規(guī)模相對(duì)于工業(yè)中要小，所以選擇第一種方案：基于 PLC 的控制系統(tǒng)。2.3.3 碼垛機(jī)的定位方案確定碼垛機(jī)的定位控制方法很多，現(xiàn)就幾種典型方法介紹如下：(1) 常規(guī)的限位開(kāi)關(guān)定位方法碼垛機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，要先確定目前的位置，然后才能根據(jù)目標(biāo)信號(hào)決定控制狀態(tài)。例如：碼垛機(jī)到某一層需要停下來(lái)時(shí)，首先在接近這一層時(shí)，要先從高速狀態(tài)減速，到達(dá)平層位置時(shí)，再停車(chē)準(zhǔn)備存取貨物。因此，我們通常在每一層井道上安裝三個(gè)限位開(kāi)關(guān)，即上、下平層限位開(kāi)關(guān)和平層限位開(kāi)關(guān)。如圖 2.1 所示，當(dāng)碼垛機(jī)在上升時(shí)，首先碰到下平層限位開(kāi)關(guān)，此信號(hào)送到 PLC輸入端，PLC 向變頻器發(fā)出減速信號(hào)，變頻器按照預(yù)先設(shè)定的減速曲線(xiàn)，控制碼垛機(jī)開(kāi)始減速，當(dāng)停下時(shí)，進(jìn)入貨物存取狀態(tài)。圖 2.1 平層開(kāi)關(guān)示意圖(2) 認(rèn)址片的定位方法采用認(rèn)址片的定位方法時(shí)，準(zhǔn)確地認(rèn)址定位是正確存取貨物的關(guān)鍵。認(rèn)址片結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示，認(rèn)址方法如下：在巷道地基上相對(duì)于每列貨格安裝固定的認(rèn)址片（擋板） ，在碼垛機(jī)底部安裝 4 個(gè)光電開(kāi)關(guān)（GDl 和 GD2）與（GD3 和GD4）隨碼垛機(jī)一起前后運(yùn)動(dòng)，每經(jīng)過(guò)列貨格，光電開(kāi)關(guān)通過(guò)認(rèn)址檔板發(fā)出脈沖信號(hào)到 PLC 從而達(dá)到列認(rèn)址目的。同樣，在碼垛機(jī)立柱上相對(duì)于每層安裝認(rèn)址片，在其8升降臺(tái)安裝光電開(kāi)關(guān)（GD5 和 GD6）隨升降臺(tái)一起上下運(yùn)動(dòng)，達(dá)到層認(rèn)址的目的。光電開(kāi)關(guān)的脈沖輸入信號(hào)作為 PLC 內(nèi)部認(rèn)址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號(hào)，計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值作為速度控制的依據(jù)。當(dāng)碼垛機(jī)到達(dá)目標(biāo)貨格即計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值計(jì)到零時(shí)，發(fā)出停車(chē)信號(hào)使其停止運(yùn)行。圖 2.2 認(rèn)址片結(jié)構(gòu)升降臺(tái)上的光電開(kāi)關(guān)又用 PLC 內(nèi)部的計(jì)數(shù)器接收光電脈沖，升降臺(tái)每經(jīng)過(guò)一層，計(jì)數(shù)器減 1 計(jì)數(shù)，從而達(dá)到層方向認(rèn)址的目的。碼垛機(jī)對(duì)其定位精度要求是比較高的，一般誤差不超過(guò) 2mm。否則，由于誤差的積累，在貨叉存取貨物時(shí)易碰到貨架或發(fā)生其他事故。但當(dāng)發(fā)出停車(chē)信號(hào)后，碼垛機(jī)由于慣性還會(huì)滑行一點(diǎn)，這樣，光靠計(jì)數(shù)認(rèn)址很難達(dá)到精確定位的目的。為此我們把認(rèn)址片結(jié)構(gòu)做成如圖 2.2 所示的形式。用1 號(hào)光電開(kāi)關(guān)作為認(rèn)址計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)，計(jì)數(shù)到零時(shí)發(fā)出停車(chē)信號(hào)，然后再利用 1 號(hào)和 2 號(hào)開(kāi)關(guān)作精確定位。如果 1 號(hào)與 2 號(hào)開(kāi)關(guān)同時(shí)有信號(hào)，說(shuō)明已停準(zhǔn)；如果只 2 號(hào)開(kāi)關(guān)有信號(hào)，說(shuō)明己超過(guò)，點(diǎn)動(dòng)碼垛機(jī)回退，再檢測(cè)比較；如果只 1 號(hào)開(kāi)關(guān)有信號(hào)，說(shuō)明還未到中心點(diǎn)，點(diǎn)動(dòng)碼垛機(jī)前進(jìn)，再檢測(cè)比較。這樣達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。(3) 采用 PLC 脈沖串輸出與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)結(jié)合的定位方法圖 2.3 PLC 脈沖串輸出與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合9PLC 脈沖串輸出與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)結(jié)合使用的控制系統(tǒng)，具有可靠性高、可實(shí)現(xiàn)精確定位等優(yōu)點(diǎn)，適合于小功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。西門(mén)子 PLC 提供有開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制的三種方式：脈寬調(diào)制（PWM）——內(nèi)置于PLC 里，用于速度、位置或占空比控制；脈沖串輸出（PTO）——內(nèi)置于 PLC 里，用于速度和位置控制；EM253 位控模塊——用于速度和位置控制的附加模塊。內(nèi)置于西門(mén)子 PLC 的 PTO 和 EM253 位控模塊都使用一個(gè)脈沖串輸出用于步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的速度和位置控制，如圖 2.3。西門(mén)子 PLC 對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制有四種方式，分別如圖 2.4 所示。圖 2.4 PLC 的輸出極性和方向控制方式由以上的介紹，我們可以看出，安裝限位開(kāi)關(guān)或認(rèn)址片的定位方法，不僅廢工廢料，而且每個(gè)開(kāi)關(guān)或認(rèn)址片的實(shí)際安裝距離，均不可避免地存在一定量的誤差，使得系統(tǒng)的安裝調(diào)試變得復(fù)雜，而且定位質(zhì)量難以保證。一旦系統(tǒng)要求改造，又要重新進(jìn)行安裝工作。而采用 PLC 脈沖串輸出與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合的定位方法，通過(guò) PLC 其發(fā)出的脈沖數(shù)可以很容易地確定碼垛機(jī)的當(dāng)前位置，這種碼垛機(jī)的位移定位方法具有定位精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此，采用此方案對(duì)碼垛機(jī)進(jìn)行定位。2.4 本章小結(jié)本章針對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)中碼垛機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主控制器選擇了在工業(yè)環(huán)境中廣受歡迎的可編程控制器（PLC） 。最后，在綜合比較了多種碼垛機(jī)的定位方法后，并結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，選擇了定位精度更高，控制方法更加靈活的定位方案——通過(guò) PLC 其發(fā)出的脈沖數(shù)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合定位的方法。10第 3 章 碼垛機(jī)的硬件設(shè)計(jì)選型及介紹本章將詳細(xì)分析系統(tǒng)中各個(gè)組成硬件的原理與特點(diǎn)，并根據(jù)貨物存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)際工作環(huán)境，選擇適合本系統(tǒng)的設(shè)備型號(hào)以及參數(shù)，完成碼垛機(jī)單元的硬件設(shè)計(jì)。3.1 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算選取3.1.1 碼垛機(jī)的已知參數(shù)作為整個(gè)堆垛機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度驅(qū)動(dòng)者，電動(dòng)機(jī)的合適選取十分重要。針對(duì)該立體倉(cāng)庫(kù)的實(shí)際工作情況，設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下參數(shù)要求：工作臺(tái)的質(zhì)量： kg；401?m工件質(zhì)量： kg；2最高速度： m/s；.axv加速時(shí)間： s；01?t減速時(shí)間： s；2.3絲桿導(dǎo)程： mm；5P阻力： N；0?f摩擦系數(shù)： ；3.~1?3.1.2 根據(jù)已知參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)的選型計(jì)算先求加速度： m/s06.2/1.0/max??tv垂直方向軸向力計(jì)算：上升加速時(shí) fagFa ??)()(2121N3.419206.5048.9504???上升勻速時(shí) fa?)(212N9.1.?上升減速時(shí) famgFa ???)()(21213N47.1206.5048.9504???下降加速時(shí) fa?)()(2121N.3..?11下降勻速時(shí) fgmFa???)(215N9.37608.940??下降減速時(shí) faa )()(21216N3.7920.54.5????水平運(yùn)動(dòng)時(shí) fmgFa??)()(21217?N81.6.8.90. ??通過(guò)計(jì)算分析可以清楚地發(fā)現(xiàn)，碼垛機(jī)垂直方向的力較水平方向的力要大，因此只要按照垂直方向的上升加速時(shí)的力 計(jì)算轉(zhuǎn)矩選取電動(dòng)機(jī)，就可以滿(mǎn)足其它運(yùn)動(dòng)1aF對(duì)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求。N·m37.092/053.4192/ 3max ???????pFT通過(guò)表 3.1 可選 BS57HB41-02 型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)表 3.1 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)具體參數(shù)型號(hào) 步距角 （° ） 保持轉(zhuǎn)矩（N·m） 額定電流 （A） 相電阻（ Ω） 相電感（mH） 轉(zhuǎn)子慣量（g·mm 2）BS42HB33-01 1.8 0.16 0.95 4.2 2.5 38BS42HB38-01 1.8 0.26 1.2 3.3 3.2 54BS42HB47-01 1.8 0.317 1.2 3.3 2.8 68BS57HB41-02 1.8 0.39 2.2 1.4 1.4 131BS57HB51-03 1.8 0.72 3.0 0.74 0.9 275123.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的介紹圖 3.1 YKA2404MA(B)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器YKA2404MA(B)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器如圖 3.1，是一款經(jīng)濟(jì)、小巧的等角度恒力矩細(xì)分型高性能步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電壓 DC12-40V，采用單電源供電。適配電流在 4.0A以下，外徑 42-86mm 的各種型號(hào)的二相混合式步進(jìn)電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用雙極恒流斬波方式，使電機(jī)噪音減小，電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)；驅(qū)動(dòng)電源電壓的增加使得電機(jī)的高速性能和驅(qū)動(dòng)能力大為提高；而步進(jìn)脈沖停止超過(guò)100ms 時(shí)，線(xiàn)圈電流自動(dòng)減半，使驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱可減少 50%，也使得電機(jī)的發(fā)熱減少。用戶(hù)在脈沖頻率不高的時(shí)候使用低速高細(xì)分，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度提高，最高可達(dá)200 細(xì)分，振動(dòng)減小，噪聲降低。YKA2404MA(B)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的引腳功能說(shuō)明如表 3.2.。表 3.2 YKA2404MA(B)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的引腳功能說(shuō)明標(biāo)記符號(hào) 功 能 注 釋+ 輸入信號(hào)光電隔離正端 接+5V 供電電源+5V~+24V 均可驅(qū)動(dòng)，高于+5V 需接限流電阻。D2=OFF 時(shí)為步進(jìn)脈沖信號(hào)PUD2=ON 時(shí)為正向步進(jìn)脈沖信號(hào)下降沿有效，每當(dāng)脈沖由高變低時(shí)電機(jī)走一步。輸入電阻 220Ω ， 要 求 ： 低 電平 0~0.5V，高電平4~5V，脈沖寬度>2.5u s。D2=OFF 時(shí)為方向控制信號(hào)DRD2=ON 時(shí)為反向步進(jìn)脈沖信號(hào)用于改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。輸入電阻 220Ω ， 要 求 ： 低電平 0~0.5V，高電平 4~5V，脈沖寬度>2.5u s。13MF 電機(jī)釋放信號(hào) 有效（低電平）時(shí)關(guān)斷電機(jī)線(xiàn)圈電流，驅(qū)動(dòng)器停止工作，電機(jī)處于自由狀態(tài)。TM 原點(diǎn)輸出信號(hào) 電機(jī)線(xiàn)圈通電位于原點(diǎn)置為有效（B，-A 通電） ；光電隔離輸出（高電平） 。- 輸出信號(hào)公共地 TM 信號(hào)光電隔離公共地端，TM 端接輸出信號(hào)限流電阻，最大驅(qū)動(dòng)電流 50mA，最高電壓 50V。+V 電源正極-V 電源負(fù)極DC12～40VAC、BC+A、-A+B、-B電機(jī)接線(xiàn)3.3 可編程控制器的選型及 I/O 分配3.3.1 可編程控制器的選型在碼垛機(jī)碼垛過(guò)程中，需要完成對(duì)砌塊的夾緊、升降及水平搬運(yùn)、旋轉(zhuǎn)等多個(gè)動(dòng)作，動(dòng)作頻繁且過(guò)程復(fù)雜。并且，在碼垛工作現(xiàn)場(chǎng)往往環(huán)境較為惡劣，所以為了保證生產(chǎn)過(guò)程平穩(wěn)有效地進(jìn)行，就要求控制系統(tǒng)具有很好的可靠性以及很強(qiáng)的故障診斷能力。目前，市場(chǎng)上的主流控制系統(tǒng)是 PLC，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小巧、通用性好、運(yùn)行速度快、可靠性高，非常適合于在高溫、振動(dòng)、粉塵等環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)各種開(kāi)關(guān)控制，所以選用 PLC 作為控制系統(tǒng)的核心部件。目前，市場(chǎng)上存在著種類(lèi)繁多的大、中、小型 PLC，小到作為少量的繼電器裝置的替代品，大到作為分布式系統(tǒng)中的上位機(jī)，幾乎可以滿(mǎn)足工業(yè)控制的各種需要。西門(mén)子（SIEMENS）公司的 PLC 產(chǎn)品包括 LOGO、S7-200、S7-300、S7-400 、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、HMI 人機(jī)界面、工業(yè)軟件等。西門(mén)子 S7 系列 PLC 體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。S7 系列 PLC 產(chǎn)品可分為微型PLC（如 S7-200） ，小規(guī)模性能要求的 PLC（如 S7-300）和中、高性能要求的PLC（如 S7-400）等。根據(jù)實(shí)際情況，初步計(jì)算，共有 26 個(gè)輸入、11 個(gè)輸出，根據(jù)控制要求以及所需的端子，因?yàn)閿?shù)目較多，需要對(duì) PLC 進(jìn)行 I/O 擴(kuò)展。在該碼垛機(jī)設(shè)備中選擇直流型S7-200 CPU224XP DC/DC/DC，以及一個(gè) EM223（ 16 輸入/16 輸出）擴(kuò)展模塊?？偣灿?30 個(gè)輸入和 26 個(gè)輸出，可以滿(mǎn)足控制需求。143.3.2 可編程控制器的 I/O 分配碼垛機(jī)自動(dòng)控制過(guò)程，包含了多個(gè)環(huán)節(jié)，生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)之間都是緊密聯(lián)系，并非獨(dú)立存在，因此為了保證生產(chǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行，必須確保各環(huán)節(jié)適時(shí)配合和安全轉(zhuǎn)換。輸入信號(hào)能夠?qū)⒋a垛機(jī)的工作狀態(tài)、操作及轉(zhuǎn)換信息等信號(hào)傳遞給 PLC。包含了啟動(dòng)、停止、急停、單機(jī)聯(lián)機(jī)切換開(kāi)關(guān)等操作的按鈕，還有 12 個(gè)倉(cāng)位有無(wú)貨物的檢測(cè)開(kāi)關(guān)。輸出信號(hào)主要是用來(lái)控制碼垛機(jī)設(shè)備的升降、進(jìn)退、夾緊、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。根據(jù)碼垛機(jī)的實(shí)際情況，分析其功能，可將編程控制器的輸入/輸出分配如表3.3。表 3.3 I/O 分配表輸入端 說(shuō) 明 輸出端 說(shuō) 明I0.0 單機(jī)狀態(tài)下啟動(dòng)信號(hào) Q0.0 碼垛機(jī) X 軸驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)I0.1 單機(jī)狀態(tài)下停止信號(hào) Q0.1 碼垛機(jī) Y 軸驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)I0.2 急停 Q0.2 碼垛機(jī) X 軸驅(qū)動(dòng)器方向信號(hào)I0.3 單機(jī)/聯(lián)機(jī)切換開(kāi)關(guān) Q0.3 碼垛機(jī) Y 軸驅(qū)動(dòng)器方向信號(hào)I0.4 電控柜上電（接觸器吸合） Q0.4 碼垛機(jī)升降軸驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)I0.5 底座 X 軸正向限位信號(hào) Q0.5 聯(lián)機(jī)狀態(tài)下啟動(dòng)信號(hào)I0.6 底座 X 軸負(fù)向限位信號(hào) Q0.6 報(bào)警指示燈I0.7 底座 Y 軸原點(diǎn)信號(hào) Q0.7 碼垛機(jī)升降軸驅(qū)動(dòng)器方向信號(hào)I1.0 底座 Y 軸正向限位信號(hào) Q1.0 碼垛機(jī)旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)I1.1 底座 Y 軸負(fù)向限位信號(hào) Q1.1 碼垛機(jī)旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)器方向信號(hào)I1.2 升降軸 Z 正向限位信號(hào) Q2.0 氣爪電磁閥I1.3 升降軸 Z 負(fù)向限位信號(hào)I1.4 旋轉(zhuǎn)軸 4 正向限位信號(hào)I1.5 旋轉(zhuǎn)軸 4 負(fù)向限位信號(hào)I2.0 成品倉(cāng)格 1 工件檢測(cè)開(kāi)關(guān)I2.1 成品倉(cāng)格 2 工件檢測(cè)開(kāi)關(guān)I2.2 成品倉(cāng)格 3 工件檢測(cè)開(kāi)關(guān)I2.3 成品倉(cāng)格 4 工件檢測(cè)開(kāi)關(guān)15I2.4 成品倉(cāng)格 5 工件檢測(cè)開(kāi)關(guān)I2.5 成品倉(cāng)格 6 工件檢測(cè)開(kāi)關(guān)I2.6 成品倉(cāng)格 7 工件檢測(cè)開(kāi)關(guān)I2.7 成品倉(cāng)格 8 工件檢測(cè)開(kāi)關(guān)I3.0 成品倉(cāng)格 9 工件檢測(cè)開(kāi)關(guān)I3.1 成品倉(cāng)格 10 工件檢測(cè)開(kāi)關(guān)I3.2 成品倉(cāng)格 11 工件檢測(cè)開(kāi)關(guān)I3.3 成品倉(cāng)格 12 工件檢測(cè)開(kāi)關(guān)3.4 導(dǎo)軌的形式介紹一般負(fù)載較重或者帶有徑向扭矩的時(shí)候，都需要選擇導(dǎo)軌支撐的結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)軌也有很多種類(lèi)，一般和載重、價(jià)格、精度有關(guān)系，下面列舉幾種常用的典型滾珠導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，說(shuō)明一下各自特點(diǎn)和區(qū)別。交叉滾柱導(dǎo)軌為水平相對(duì)滑動(dòng)，兩根導(dǎo)軌之間放置保持架與滾柱，這種導(dǎo)軌略顯粗糙，要求安裝精度較高，運(yùn)動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生噪音。光軸導(dǎo)軌實(shí)際上是一根光軸通過(guò)螺釘連接安裝到相應(yīng)弧度的支架上，上部裝有滑塊。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)。應(yīng)用到長(zhǎng)度及負(fù)載不大的場(chǎng)合。安裝方便。直線(xiàn)導(dǎo)軌是最普遍使用的，但造價(jià)較高，滑塊安裝時(shí)帶有預(yù)壓，消除間隙。要求為高精度高負(fù)載的場(chǎng)合使用。圓弧導(dǎo)軌實(shí)際是直線(xiàn)導(dǎo)軌的擴(kuò)展，應(yīng)用到特殊場(chǎng)合。這里注意的是，直線(xiàn)導(dǎo)軌的滑塊一般不能與導(dǎo)軌體脫離，否則滑塊內(nèi)滾珠將散落，難以恢復(fù)，造成損失。3.5 滾珠絲杠的介紹工作臺(tái)除導(dǎo)軌外，最重要的核心部件應(yīng)該是滾珠絲杠。滾珠絲桿是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成，同直線(xiàn)導(dǎo)軌一樣，滾珠絲杠上的螺母與螺桿同樣不可分離，必須有專(zhuān)用的工具方可分離，否則滾珠散落。其特點(diǎn)：與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為 1/3；高精度的保證；微進(jìn)給可能；無(wú)側(cè)隙、剛性高；高速進(jìn)給可能。3.6 本章小結(jié)本章針對(duì)碼垛機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境，選擇了適合的相關(guān)設(shè)備，并進(jìn)行了相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算，對(duì)碼垛機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件方面的設(shè)計(jì)。分別從電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及其附屬16設(shè)備、PLC、導(dǎo)軌、滾珠絲杠等方面，并簡(jiǎn)單的做了一些介紹。17第 4 章 碼垛機(jī)的軟件設(shè)計(jì)一個(gè)完整的碼垛機(jī)是由硬件與軟件兩大部分組成的。要實(shí)現(xiàn)所要求的功能，除了完成硬件部分的設(shè)計(jì)，還要配備完善的軟件，系統(tǒng)才能正常工作。4.1 編程軟件介紹及使用西門(mén)子 S7-200PLC 的編程工具有編程器和編程軟件，其中編程軟件是最主要的編程工具，功能強(qiáng)大。不但可以開(kāi)發(fā)程序和組態(tài)，也可以監(jiān)控程序的運(yùn)行情況，設(shè)置工作方式等。STEP7-Micro/WIN 編程軟件是專(zhuān)為西門(mén)子公司 S7-200 系列小型機(jī)而設(shè)計(jì)的編程工具軟件，使用該軟件支持指令表、梯形圖、邏輯功能塊圖 3 種編程語(yǔ)言，可以根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制控制程序，并完成與 PLC 的實(shí)時(shí)通信，也可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC 之間進(jìn)行程序的下載、上傳以及在線(xiàn)監(jiān)控。STEP7-Micro/WIN 的主界面如圖 4-1 所示。圖 4.1 STEP7-Micro/WIN 的主界面18(1) PLC 選型和參數(shù)設(shè)置。編程之前需要確定 PLC 的型號(hào)，當(dāng) PLC 和計(jì)算機(jī)建立聯(lián)機(jī)，可以直接執(zhí)行“PLC”——“類(lèi)型”——“讀取 PLC”，計(jì)算機(jī)可以自行讀出 PLC 的類(lèi)型；如果沒(méi)有聯(lián)機(jī)，則可以執(zhí)行“PLC”——“ 類(lèi)型 ”，選擇相應(yīng)的 PLC 類(lèi)型，如圖 4-2 所示。圖 4.2 PLC 類(lèi)型選擇PLC 的參數(shù)設(shè)置一般使用系統(tǒng)塊進(jìn)行設(shè)置，可以執(zhí)行“ 查看”——“組件” ——“系統(tǒng)快”，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的進(jìn)行設(shè)置。(2) 程序編寫(xiě)（梯形圖）符號(hào)表（Symbol Table）允許定義和編輯符號(hào)名，能在程序中用符號(hào)地址訪(fǎng)問(wèn)變量，可以創(chuàng)建多個(gè)符號(hào)表。也可以在程序中使用系統(tǒng)定義的符號(hào)表。符號(hào)表還可以作為全局變量表進(jìn)行參考。如圖 4-3 所示。還可以使用程序編輯器中的局部變量表來(lái)為子程序和中斷服務(wù)程序分別指定變量。圖 4.3 符號(hào)表單擊指令樹(shù)中的“ 程序塊”，選擇相應(yīng)的程序（主程序或者子程序）選項(xiàng)，在狀態(tài)圖框中輸入用戶(hù)的控制指令，如圖 4-4 所示。19圖 4.4 程序塊編程區(qū)(3) 程序的編譯執(zhí)行菜單“PLC”——“ 編譯”或“PLC”——“全部編譯”命令，對(duì)所編程序執(zhí)行編譯功能。編譯完成后在信息窗口會(huì)顯示相關(guān)的結(jié)果，以便于修改。(4) 程序傳送當(dāng)編程計(jì)算機(jī)和 PLC 之間建立通連接，便可以將程序下載至該 PLC。下載至PLC之前，必須確定 PLC 位于“停止”模式。點(diǎn)擊工具條中的“下載” 按鈕，或者選擇“文件”——“下載 ”，出現(xiàn)“下載” 對(duì)話(huà)框。4.2 碼垛機(jī)的 PLC 程序設(shè)計(jì)4.2.1 碼垛機(jī)的工作流程經(jīng)過(guò)分析設(shè)計(jì)碼垛機(jī)的工作過(guò)程，整理如下：(1) 上電后初始化數(shù)據(jù)；(2) 按下“啟動(dòng)”按鈕，四自由度碼垛機(jī)械手開(kāi)始動(dòng)作；(3) 首先碼垛機(jī)械手開(kāi)始復(fù)位動(dòng)作；(4) 第一軸退到限位開(kāi)關(guān)處尋找原點(diǎn)信號(hào)；(5) 第二軸左移到限位點(diǎn)后直接尋找原點(diǎn)，或者直接找到 2 軸原點(diǎn)信號(hào)；20(6) 第三軸退到限位開(kāi)關(guān)處尋找原點(diǎn)信號(hào)；(7) 第四軸退到限位開(kāi)關(guān)處尋找原點(diǎn)信號(hào)；(8) 當(dāng)所有軸信號(hào)都找到原點(diǎn)信號(hào)后，系統(tǒng)停止等待“運(yùn)行” 開(kāi)始；(9) 按下“啟動(dòng)”按鈕，碼垛機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，首先碼垛機(jī)各軸運(yùn)動(dòng)到工件夾取位置處，然后碼垛機(jī)械手夾取工件，再將工件提升起來(lái)；(10) 判斷是否有空倉(cāng)格，然后計(jì)算運(yùn)動(dòng)都指定倉(cāng)格的脈沖數(shù)；(11) 各軸運(yùn)動(dòng)到倉(cāng)格上方，放下貨物，松開(kāi)機(jī)械手；(12) 碼垛機(jī)退回，復(fù)位。根據(jù)以上分析碼垛機(jī)的工作過(guò)程，制定流程圖如圖 4.5 所示。上 電 ， 初 始 化啟 動(dòng)復(fù) 位碼 垛 機(jī) 運(yùn) 動(dòng) 到 工 件 夾 取 位 置機(jī) 械 手 夾 取 貨 物碼 垛 機(jī) 夾 取 工 件 上 升 判 斷 倉(cāng) 庫(kù) 是 否 已 滿(mǎn) ？計(jì) 算 倉(cāng) 格 及 走 到 指 定 倉(cāng) 格 的 脈 沖碼 垛 機(jī) 夾 取 工 件 運(yùn) 動(dòng) 到 倉(cāng) 格 上 方是 否 已 復(fù) 位 ？ 碼 垛 機(jī) 夾 取 工 件 向 下 運(yùn) 動(dòng) 把 工 件 放 在 倉(cāng) 格 上機(jī) 械 手 松 開(kāi) 貨 物碼 垛 機(jī) 退 回 倉(cāng) 格 入 口 處碼 垛 機(jī) 退 回 初 始 位 置 是是 否否圖 4.5 碼垛機(jī)工作流程圖214.2.2 碼垛機(jī)的軟件設(shè)計(jì)(1) 通過(guò)脈沖輸出向?qū)У膭?chuàng)建 PTO 指令子程序S7-200PLC 提供兩個(gè)脈沖發(fā)生器。一個(gè)被分配給數(shù)字量輸出點(diǎn) Q0.0，另一個(gè)被分配給數(shù)字量輸出點(diǎn) Q0.1。這里先以 Q0.0 為例進(jìn)行配置，如圖 4.6 (a~h)所示。(a) 指定脈沖發(fā)生器(b) 選擇線(xiàn)性脈沖串輸出 PTO22(c) 電機(jī)速度設(shè)置(d) 加速減速時(shí)間設(shè)置23(e) 運(yùn)動(dòng)包絡(luò)定義(f) 新包絡(luò)24(g) 分配存儲(chǔ)區(qū)(h) 完成 PTO 配置圖 4.6 脈沖輸出向?qū)?5(2) 通過(guò) EM253 位控向?qū)?chuàng)建 POS 指令子程序S7-200PLC 只提供兩個(gè)脈沖發(fā)生器，即 Q0.0 和 Q0.1，而碼垛機(jī)共有 4 個(gè)步進(jìn)電機(jī)，需要 4 組脈沖輸出，因此擴(kuò)展 2 個(gè) EM253 位控模塊，其配置如圖 4.7 (a~m)所示。(a) 配置 EM253 位控向?qū)?b) 設(shè)置模塊位置26(c) 使用相對(duì)脈沖數(shù)(d) 模塊輸入響應(yīng)27(e) 電機(jī)速度設(shè)置(f) 電機(jī)點(diǎn)動(dòng)速度設(shè)置28(g) 加速減速時(shí)間設(shè)置(h) 補(bǔ)償時(shí)間設(shè)置29(i) 參考點(diǎn)( j) 運(yùn)動(dòng)包絡(luò)定義30(k) 新包絡(luò)(l) 分配存儲(chǔ)區(qū)31(m) 完成 EM253 位控模塊配置圖 4.7 EM253 位控模塊向?qū)Ц鶕?jù)脈沖輸出向?qū)Ш?EM253 位控模塊配置向?qū)Ы⒑玫闹噶钭映绦蛉鐖D 4.8 所示，使用時(shí)只需選取調(diào)用則可。圖 4.8 脈沖輸出指令子程序塊32(3) 編制 PLC 梯形圖根據(jù)圖 4.5 流程圖編制 PLC 梯形圖，碼垛機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)梯形圖如圖 4.9 所示，當(dāng)上