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山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
畢業(yè)生姓名
：
李雅瑞
專(zhuān)業(yè)
：
機(jī)械電子工程
學(xué)號(hào)
：
180533004
指導(dǎo)教師
：
趙麗
所屬系（部）
：
機(jī)械電子工程系
二〇二〇年五月
立體倉(cāng)庫(kù)模擬裝置的設(shè)計(jì)及控制
摘 要
自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是物流中的重要組成部分，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)。它是現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)發(fā)展的高科技產(chǎn)物，對(duì)提高生產(chǎn)率、降低成本有著重要意義。堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中最重要的起重堆垛設(shè)備，它能夠在自動(dòng)化立體的巷道中來(lái)回穿梭運(yùn)行，將位于巷道口的貨物存入貨格；或者相反取出貨格內(nèi)的貨物運(yùn)送到巷道口。本文首先針對(duì)小型立體倉(cāng)庫(kù)中普遍使用的雙立柱堆垛機(jī)形式提出設(shè)計(jì)方案，分析其結(jié)構(gòu)組成，對(duì)其升降機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析計(jì)算、校核。之后重點(diǎn)論述了立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的原理，結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并提出堆垛機(jī)的速度控制和精確定位方法。針對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)的存取特點(diǎn)，對(duì)堆垛機(jī)的硬件部分進(jìn)行設(shè)備選型與參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)出電氣原理圖，并給出了PLC控制程序梯形圖。
【關(guān)鍵詞】立體倉(cāng)庫(kù)；機(jī)械結(jié)構(gòu)；PLC；控制系統(tǒng)。
2
Design and Control of Stereo Warehouse Simulator
Abstract
Automated warehouse is an important part of logistics. It is a system that automatically stores and takes out logistics without direct manual intervention. It is a high-tech product of the development of modern industrial society, which is of great significance to improve productivity and reduce costs. The stacker is the most important lifting and stacking equipment in the automatic three-dimensional warehouse, which can shuttle back and forth in the automatic three-dimensional roadway, and store the goods located in the roadway entrance into the cargo space; or instead take out the goods in the cargo compartment to transport to the roadway entrance. In this paper, the design scheme of double-column stacker is put forward, its structure composition is analyzed, its lifting mechanism, walking mechanism and fork telescopic mechanism are designed, and the stress of each mechanism is analyzed and calculated and checked. The principle, structure and characteristics of the three-dimensional warehouse control system are discussed, and the control system is designed. According to the access characteristics of the three-dimensional warehouse, the hardware part of the stacker is selected and the parameters are calculated, the electrical schematic diagram is designed, andthe ladder diagram of the PLC control program
[Keywords] ：Stereo warehouse; Mechanical structure; PLC; control system.
i
目 錄
摘 要 i
Abstract ii
1 立體倉(cāng)庫(kù)模擬裝置的設(shè)計(jì)及控制 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 3
1.3本課題的研究目的及主要研究?jī)?nèi)容 4
2 立體倉(cāng)庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5
2.1堆垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 5
2.2堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 5
2.2.1升降機(jī)構(gòu)零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 5
2.2.2升降機(jī)構(gòu)的電機(jī)減速器的選取 6
2.2.3制動(dòng)器的制動(dòng)容量的設(shè)計(jì) 6
2.3堆垛機(jī)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 6
2.3.1堆垛機(jī)走行輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 6
2.3.2走行裝置的電機(jī)、減速器的選取 7
2.4堆垛機(jī)伸縮貨叉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 8
2.4.1伸縮貨叉的擾度與強(qiáng)度 9
2.4.2貨叉各參數(shù)的選擇 13
2.4.3貨叉內(nèi)部零件的選取與校核 13
2.4.4貨叉伸縮裝置中的電機(jī)、減速器的選取 17
3 立體倉(cāng)庫(kù)模擬裝置的設(shè)計(jì)及控制 18
3.1 堆垛機(jī)系統(tǒng) 18
3.2立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的功能要求 19
3.3立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)主控制器的選擇 20
3.3.1 PLC簡(jiǎn)介 21
3.3.2 PLC各部分功能 22
3.4堆垛機(jī)的速度控制方案 23
3.4.1變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 23
3.4.2變頻器的基本結(jié)構(gòu) 24
3.4.3變頻調(diào)速的工作原理 25
3.5堆垛機(jī)的定位控制方案 26
4 立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 27
4.1立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 27
4.2變頻器的選型 28
4.2.1 VS-616G5型變頻器的特點(diǎn) 28
4.2.2 VS-616G5型變頻器的端子配備 28
4.2.3變頻器的容量計(jì)算 29
4.2.4 PG速度控制卡的選擇 30
4.3 PLC的選型 31
4.3.1 FX-2N系列PLC的特點(diǎn) 32
4.3.2機(jī)型的配置 32
4.4其它主要硬件的選取 32
4.4.1旋轉(zhuǎn)編碼器 32
4.4.2光電開(kāi)關(guān) 34
4.4.3電磁閘 34
4.4.4斷路器、接觸器 34
4.5立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的電氣原理圖 35
5 立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 36
5.1程序設(shè)計(jì)軟件 36
5.2 I/O點(diǎn)數(shù)的分配 37
5.3立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 40
5.4立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)梯形圖 45
結(jié) 論 46
參 考 文 獻(xiàn) 47
附 錄 48
英文資料 58
中文譯文 60
致 謝 62
山西工程技術(shù)學(xué)院——畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
1 立體倉(cāng)庫(kù)模擬裝置的設(shè)計(jì)及控制
1.1研究背景及其意義
自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是物料搬運(yùn)、倉(cāng)儲(chǔ)科學(xué)的一門(mén)綜合科學(xué)技術(shù)工程。它以高層立體貨架為主要標(biāo)志，以成套先進(jìn)的搬運(yùn)設(shè)備為基礎(chǔ)，以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為主要手段，是實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、存取機(jī)械化、自動(dòng)化，儲(chǔ)存管理現(xiàn)代化的新型倉(cāng)庫(kù)。它具有占地面積小、儲(chǔ)存量大、周轉(zhuǎn)快的優(yōu)點(diǎn)，是集信息、存儲(chǔ)、管理于一體的高技術(shù)密集型機(jī)電一體化產(chǎn)品。將自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)應(yīng)用在立體庫(kù)中，利用它自身的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)存取。
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。隨著立體倉(cāng)庫(kù)的越來(lái)越多，立體倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)已成為一門(mén)新興的學(xué)科。堆垛機(jī)是自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的主要作業(yè)機(jī)械，擔(dān)負(fù)著出庫(kù)，入庫(kù)等任務(wù)，是立體倉(cāng)庫(kù)的核心部件。自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展就是以堆垛機(jī)的發(fā)展為主要標(biāo)志的，目前巷道式堆垛機(jī)為主要發(fā)展方向。
堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中貨物進(jìn)出倉(cāng)庫(kù)的主要執(zhí)行設(shè)備，如圖1-1所示。其基本結(jié)構(gòu)一般主要由機(jī)架、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、載貨臺(tái)、貨叉、電氣設(shè)備以及各種安全保護(hù)裝置等部分組成。
圖1-1 堆垛機(jī)實(shí)物圖
(l)機(jī)架
堆垛機(jī)的機(jī)架由立柱、上橫梁和下橫梁組成一個(gè)框架。整機(jī)結(jié)構(gòu)高而窄。機(jī)架可以分為單立柱和雙立柱兩種類(lèi)型。雙立柱結(jié)構(gòu)的機(jī)架由兩根立柱和上、下橫梁組成一個(gè)長(zhǎng)方形的框架。這種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性都比較好，適用于起重量較大或起升高度比較高的場(chǎng)合。單立柱式堆垛機(jī)機(jī)架只有一根立柱和一根下橫梁，整機(jī)重量比較輕，制造工時(shí)和材料消耗少，結(jié)構(gòu)更加緊湊且外形美觀。
(2)運(yùn)行機(jī)構(gòu)
運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)(帶制動(dòng)器)、減速器、車(chē)輪組成。目前常采用的下部支承及驅(qū)動(dòng)的堆垛機(jī)。運(yùn)行機(jī)構(gòu)安裝在下橫梁一端，下部車(chē)輪為主動(dòng)輪，另一端為被動(dòng)輪。有時(shí)堆垛機(jī)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)巷道作業(yè)，被動(dòng)輪安裝在轉(zhuǎn)向輪座上，可以保證在轉(zhuǎn)巷道時(shí)有較小的回轉(zhuǎn)半徑。
(3)起升機(jī)構(gòu)
堆垛機(jī)的起升機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速機(jī)、卷筒或鏈輪、鋼絲繩或鏈條以及滑輪等零部件組成。目前，常用帶制動(dòng)器的電機(jī)。減速機(jī)的采用視傳動(dòng)比需要和結(jié)構(gòu)布置而定。蝸輪蝸桿減速器結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡(jiǎn)單，但傳動(dòng)效率較低。行星齒輪減速器則在電機(jī)軸方向尺寸較大。其它零部件如鋼絲繩、滑輪都選用標(biāo)準(zhǔn)件。
(4)載貨臺(tái)
載貨臺(tái)是貨物單元承載裝置，通過(guò)鋼絲繩或鏈條與起升機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)。載貨臺(tái)沿立柱上的導(dǎo)軌升降。貨叉機(jī)構(gòu)安裝在載貨臺(tái)上，有司機(jī)室的堆垛機(jī)，司機(jī)室也裝在載貨臺(tái)上。有揀選功能的堆垛機(jī)，揀選平臺(tái)也安裝在載貨臺(tái)上。載貨臺(tái)通常有一個(gè)剛性框架，為沿導(dǎo)軌運(yùn)行而裝有導(dǎo)輪。
(5)貨叉伸縮機(jī)構(gòu)
貨叉伸縮機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是能夠雙向伸出，以便向兩側(cè)貨格送人(取出)貨箱?？s回后，貨叉連同載貨臺(tái)一起隨大車(chē)在巷道內(nèi)運(yùn)行。為此，貨叉伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求是：貨叉完全伸出后，其長(zhǎng)度須為原來(lái)長(zhǎng)度的兩倍以上。貨叉全收回后，結(jié)構(gòu)尺寸需盡量小。
(6)電氣設(shè)備
主要包括電力拖動(dòng)、控制、檢測(cè)和安全保護(hù)等強(qiáng)、弱電電氣設(shè)備，三個(gè)主要機(jī)構(gòu)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用變頻調(diào)速控制，從而滿足堆垛機(jī)高速運(yùn)行、換速平穩(wěn)、低速停準(zhǔn)的要求。檢測(cè)系統(tǒng)必須具有堆垛機(jī)自動(dòng)認(rèn)址、貨虛實(shí)探測(cè)、貨箱位置檢查等功能。
(7)安全及聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)
堆垛機(jī)是一種起重機(jī)械，它要在又高又窄的巷道內(nèi)高速運(yùn)行。為了保證人身及設(shè)備的安全，堆垛機(jī)必須配備完善的硬件及軟件的安全保護(hù)裝置，并在電氣控制上采取一系列聯(lián)鎖和保護(hù)措施。除了一般起重機(jī)常備的安全保護(hù)措施(如各機(jī)構(gòu)的終端限位和緩沖、電機(jī)過(guò)熱和過(guò)電流保護(hù)、控制電路的零位保護(hù)等)外，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，增設(shè)各種保護(hù)。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
目前，立體倉(cāng)庫(kù)己經(jīng)走入系列化，運(yùn)行噪聲低，備有各種安全保護(hù)裝置，調(diào)速性能好，一般都具有完善的貨物位置檢測(cè)和貨物尺寸檢測(cè)等功能。國(guó)外立體倉(cāng)庫(kù)普遍采用抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠的可編程控制器來(lái)控制巷道堆垛機(jī)以及出入庫(kù)系統(tǒng)，并且用計(jì)算機(jī)進(jìn)行貨位管理和庫(kù)存管理，倉(cāng)庫(kù)管理計(jì)算機(jī)與上級(jí)管理機(jī)聯(lián)網(wǎng)并能與控制系統(tǒng)相接，實(shí)現(xiàn)在線控制。而在堆垛機(jī)方面，不斷推出具有新的物理外形和更高性能的設(shè)備。最新的開(kāi)發(fā)包括提高電子和控制技術(shù)，在使堆垛機(jī)具有更高定位精度的同時(shí)，提高搜索能力和運(yùn)行速度，以期獲得更短的操作周期和更大的生產(chǎn)能力。目前，巷道式堆垛機(jī)的起升速度己經(jīng)可以達(dá)到90m/min，運(yùn)行速度達(dá)到240m/min，貨叉伸縮速度達(dá)到30m/min。在有的高度較大的立體倉(cāng)庫(kù)中，已采用上、下兩層分別用巷道堆垛機(jī)進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)的方法提高出入庫(kù)的能力。
我國(guó)是從20世紀(jì)70年代初期開(kāi)始研究采用巷道式堆垛機(jī)的立體倉(cāng)庫(kù)。1980年，由北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所等單位研制建成了我國(guó)第一座自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，并在北京汽車(chē)制造廠投產(chǎn)。從此以后，立體倉(cāng)庫(kù)在我國(guó)得到了迅速的發(fā)展。目前，浙江海通集團(tuán)是國(guó)內(nèi)最早建造2000噸立體自動(dòng)化低溫冷庫(kù)的企業(yè)，其中采用了由電腦程序控制、5臺(tái)自動(dòng)巷道堆垛機(jī)無(wú)人操作自動(dòng)進(jìn)出庫(kù)等先進(jìn)技術(shù)。
目前，在國(guó)內(nèi)立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，電機(jī)減速機(jī)普遍采用德國(guó)、日本、意大利的產(chǎn)品，也有少數(shù)采用國(guó)內(nèi)的電機(jī)減速機(jī)。由于堆垛機(jī)是立體倉(cāng)庫(kù)中最重要的運(yùn)輸設(shè)備，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和綜合性能的要求都非常嚴(yán)格，如無(wú)故障率應(yīng)大于97％，停準(zhǔn)精度±10mm，以及噪音要求等。這就要求電機(jī)減速機(jī)的可靠性非常高。因此，現(xiàn)階段在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中電機(jī)減速機(jī)的選用上，多選用國(guó)外先進(jìn)的產(chǎn)品，以保證堆垛機(jī)的整機(jī)性能。
隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，堆垛機(jī)技術(shù)在不斷地提高和完善。我們應(yīng)當(dāng)看到自身與世界先進(jìn)技術(shù)的差距，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，找出不足，推出更高性能的堆垛機(jī)。在使堆垛機(jī)具有更高定位精度的同時(shí)，提高運(yùn)行速度，以縮短周期、提高生產(chǎn)能力。相信通過(guò)我們的不斷努力，更加高速、安全、可靠的堆垛機(jī)將不斷從國(guó)外引進(jìn)消化到國(guó)內(nèi)，使我國(guó)堆垛機(jī)技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的階段。
1.3本課題的研究目的及主要研究?jī)?nèi)容
本文綜合分析立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一套小型立體倉(cāng)庫(kù)，對(duì)其堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、伸縮貨叉機(jī)構(gòu)等機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并綜合運(yùn)用交流變頻調(diào)速、PLC控制、位置檢測(cè)等技術(shù)，為小型立體倉(cāng)庫(kù)的正常運(yùn)行設(shè)計(jì)一套比較完整的控制系統(tǒng)，使其更好地?fù)?dān)負(fù)起出、入庫(kù)的任務(wù)。具體包括以下內(nèi)容：
第一章 緒論，主要介紹課題研究背景及意義，并分析了小型立體倉(cāng)庫(kù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展。
第二章 立體倉(cāng)庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要對(duì)小型立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)的升降機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、伸縮貨叉機(jī)構(gòu)等機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并進(jìn)行電機(jī)及減速器的選取。
第三章 立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，提出小型立體倉(cāng)庫(kù)的功能要求，對(duì)其控制系統(tǒng)的主控制器進(jìn)行選擇，同時(shí)確定出堆垛機(jī)的速度和定位控制方案。
第四章 立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，構(gòu)建立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的變頻器和PLC，對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器、光電開(kāi)關(guān)、電磁閥、斷路器、繼電器等硬件進(jìn)行選取，并繪制控制系統(tǒng)電氣原理圖。
第五章 立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)所選PLC型號(hào)，確定程序設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行I/O點(diǎn)數(shù)的分配，從貨叉控制、層數(shù)與列數(shù)計(jì)算、快車(chē)運(yùn)行控制、換速控制、停車(chē)控制、檢修點(diǎn)動(dòng)控制等幾個(gè)方面進(jìn)行程序流程設(shè)計(jì)，并編寫(xiě)控制系統(tǒng)梯形圖。 2立體倉(cāng)庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.1堆垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成
堆垛機(jī)是立體倉(cāng)庫(kù)中最重要的起重運(yùn)輸設(shè)備，主要用來(lái)在高層貨架倉(cāng)庫(kù)的巷道內(nèi)沿軌道運(yùn)行完成入庫(kù)、出庫(kù)作業(yè)，即將位于巷道口的貨物存入貨格，或是取出貨格中的貨物運(yùn)送到巷道口。本立體倉(cāng)庫(kù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)主要是針對(duì)堆垛機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)主要有三個(gè)機(jī)構(gòu)組成：
（1）升降機(jī)構(gòu)
升降機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器、卷筒、鋼絲繩及防落安全裝置組成。升降機(jī)構(gòu)的工作速度一般控制在15~25m/min，最高可達(dá)45m/min，設(shè)計(jì)時(shí)選取20m/min。
（2）行走機(jī)構(gòu)
行走機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、制動(dòng)器、減速器和行走輪組成。在其頂部設(shè)置導(dǎo)向輪沿固定在貨架上弦的導(dǎo)軌導(dǎo)行。下部裝有水平導(dǎo)輪沿貨架下部的水平導(dǎo)規(guī)導(dǎo)行。行走機(jī)構(gòu)的工作速度依據(jù)巷道長(zhǎng)度和物料出入庫(kù)頻率而定，正常工作速度控制在50~100m/min，最高可達(dá)到180m/min，設(shè)計(jì)時(shí)選取90m/min。
（3）貨叉伸縮機(jī)構(gòu)
貨叉伸縮機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)的取放物料裝置，它有前叉、中間叉、固定叉、驅(qū)動(dòng)齒輪等組成。貨叉伸縮機(jī)構(gòu)的工作速度控制在15m/min，最高可達(dá)30m/min，設(shè)計(jì)時(shí)選取20m/min。
2.2堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
升降機(jī)構(gòu)采用鋼絲繩卷筒裝置結(jié)構(gòu)，用鋼絲繩作柔性件，質(zhì)量輕，工作安全，噪聲小，其傳動(dòng)裝置一般裝在下部。卷筒為帶溝的圓筒，鋼絲繩在溝內(nèi)纏繞的方向與纏入溝內(nèi)的鋼絲繩方向之間的角度不超過(guò)4度。
升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈：電機(jī)-聯(lián)軸器-減速器-卷筒-鋼絲繩-貨臺(tái)。
2.2.1升降機(jī)構(gòu)零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算
定滑輪的軸徑與輪徑的設(shè)計(jì)計(jì)算：
則對(duì)定滑輪n=100020/3.14d，p=(1500+2300)10/4=9500N
則 mm
選取滑輪的軸徑d=50mm，輪徑D=100mm
則滑輪的轉(zhuǎn)速n=127.39r/min
選取卷筒的直徑為D=200mm，卷筒的軸徑取為d=85mm
則卷筒的轉(zhuǎn)速n= nD/ D=63.7r/min
每根鋼絲繩所承受的拉力為F=(1500+2300)10/4=9500N=9.5KN
則手選鋼絲繩為第二組619（a）類(lèi)。
選取鋼絲繩公稱(chēng)直徑為6mm，公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度為1570MPa
鋼芯鋼絲繩的最小破斷拉力為20.10KN>9.5KN，滿足要求。
2.2.2升降機(jī)構(gòu)的電機(jī)減速器的選取
將載荷W+貨臺(tái)的自重G以速度v米/分提升時(shí)的功率為：
=KW （2-1）
由此，選取電機(jī)型號(hào)為Y315S-10，額定功率為55KW，效率為92%，
轉(zhuǎn)速為590r/min，選取安裝型式為B3，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)座號(hào)為315S75。
則減速器的傳動(dòng)比為i=590/63.7=9.25
減速器的型號(hào)為ZLY（低速級(jí)中心距）180。
2.2.3制動(dòng)器的制動(dòng)容量的設(shè)計(jì)
在堆垛機(jī)上使用的制動(dòng)器，在走行裝置上作走行減速與停止之用。在升降方面用來(lái)使運(yùn)動(dòng)中的載荷減速并在停止后保持安全，必須有足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。一般規(guī)定，提升裝置的制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)為相當(dāng)于額定載重量的貨物被吊起時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩值的1.5倍以上，但一般在走行方面的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩值為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的100%即可。
2.3堆垛機(jī)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
首先，堆垛機(jī)的驅(qū)動(dòng)型式設(shè)計(jì)成“下部支承下部驅(qū)動(dòng)型”，該型式的走行裝置安裝在下梁上，通過(guò)減速裝置驅(qū)動(dòng)走行輪，走行輪支承堆垛機(jī)的全部重量，在單軌上走行。
2.3.1堆垛機(jī)走行輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
走行輪有主動(dòng)輪與從動(dòng)輪各1個(gè)，由于堆垛機(jī)在操作貨叉時(shí)的反作用力會(huì)對(duì)走行輪產(chǎn)生側(cè)壓，為了防止走行輪由于側(cè)壓脫軌與走行中的爬行現(xiàn)象，需安裝側(cè)面導(dǎo)輪驅(qū)動(dòng)輪的末端齒輪采用輪軸直接連接的驅(qū)動(dòng)方式。
走行輪的允許載重量等各參數(shù)間有下列關(guān)系式：
P=KD（B-2r）（kg） （2-2）
K=（kg/cm） （2-3）
式中，P—允許載重量（kg） D—車(chē)輪的踏面直徑（cm）
B—鋼軌寬（cm） r—鋼軌頭部的圓角半徑（cm）
K—許用應(yīng)力系數(shù)（kg/cm） v—走行速度（m/min）
k—許用應(yīng)力（球墨鑄鐵的許用應(yīng)力為50） （kg/cm）
首先確定B=6.4cm，r=0.2cm， k=50 kg/cm， v=90m/min，則
K===36.4（kg/cm） （2-4）
P=()/4
=(350+2300+400+400+0.85+350)/4=7200/4=1800kg （2-5）
則代入上式可得：D=8.2cm，則車(chē)輪的軸徑為d=11.2mm
取d =50mm，車(chē)輪直徑可適當(dāng)取大為D=100mm
則走行輪的轉(zhuǎn)速為n=901000/100=287r/min
軸上的軸承選取型號(hào)為61810，基本尺寸為：d=50mm， D=65mm， B=7mm.
2.3.2走行裝置的電機(jī)、減速器的選取
走行裝置在額定速度下必需的功率為：
P=（KW） （2-6）
其中，
式中，—走行阻力 d—走行輪軸的直徑
—摩擦系數(shù) f—滾動(dòng)摩擦系數(shù) Q—堆垛機(jī)的總重量
由此，求得P= （2-7）
則可選取電機(jī)型號(hào)為Y200L1-2，轉(zhuǎn)速為2950r/min，額定功率為30KW，效率為90%，且3090%=27，可選。
安裝型式選取B3，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)座號(hào)為200L55。
為此，減速器的傳動(dòng)比為i=2950/287=10.28，
則可選取減速器標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)為ZLY（低速級(jí)中心距）200。
2.4堆垛機(jī)伸縮貨叉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
貨叉是堆垛機(jī)中最主要的部分，所設(shè)計(jì)的貨叉，是三節(jié)伸縮式貨叉，即由上叉、中叉、下叉以及導(dǎo)向滾子等構(gòu)成的貨叉，它主要由電機(jī)、減速器、鏈輪、鏈條、齒輪、齒條、下叉、中叉、上叉、軸承等組成，如圖2-1所示。
1.下叉 2.中叉 3.上叉 4.軸承 5.齒輪 6.齒條 7.鏈輪
圖2-1 貨叉組成
下叉1側(cè)面裝有軸承4并固定在載貨臺(tái)的臺(tái)架上，中叉2的下板與工字行導(dǎo)軌相連，上叉4的頂板與立板相連，在立板上裝有軸承4.貨叉電機(jī)通過(guò)鏈輪鏈條帶動(dòng)齒輪5旋轉(zhuǎn)，齒輪帶動(dòng)齒條及中叉2運(yùn)動(dòng)，同時(shí)中叉2中的鏈輪7通過(guò)鏈條帶動(dòng)上叉3沿著中叉2中的工字行導(dǎo)軌運(yùn)行.中叉可在齒輪、齒條或鏈輪、鏈條的驅(qū)動(dòng)下從中叉的中點(diǎn)，向前或向后移動(dòng)大約自身長(zhǎng)度的一半，上叉可從中叉的中點(diǎn)，向前或向后伸出比自身稍長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
2.4.1伸縮貨叉的擾度與強(qiáng)度
圖2-2 貨叉參數(shù)
如圖2-2所示，所設(shè)計(jì)的貨叉是指貨叉插入貨架中的部分，應(yīng)以厚度盡量薄，同時(shí)叉前端的擾度控制在最小，作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
貨叉各參數(shù)如下：
W：載荷
I ，I ，I：分別為下叉、中叉、上叉的重力方向的慣性矩
E：材料的縱彈性系數(shù)
2.4.1.1下叉的受力分析計(jì)算：
圖2-3 下叉受力分析
如圖2-3所示，假設(shè)l為不變形部分的長(zhǎng)度，
P=W l/b ，ax l時(shí)的彎矩為
M= - P(x-a) （2-8）
i=i-dx= i- [+(x-a)] （2-9）
= ix-dx= ix-[+(x-a)] （2-10）
當(dāng)x= i時(shí)， =0
i= -( i+b) （2-11）
將(3)代入(1)，x=l時(shí)c點(diǎn)的傾角與為
t= -，= -l
2.4.1.2中叉的受力分析計(jì)算
圖2-4（a）中因載荷W的作用，在b間產(chǎn)生反力P，P，
設(shè)點(diǎn)的傾角為i，擾度為，
M= Px=x = -= -
i== -+i （2-12）
= -+ ix+ （2-13）
因x=b時(shí)， =0， =0，則
i= （2-14）
將(6)代入(4)，求x=b時(shí)的傾斜角
i= -，= -
（a）
（b）
圖2-4 中叉受力分析
圖2-4（b）中把b段作為剛性，c點(diǎn)作為固定端考慮，并設(shè)由于W在中叉產(chǎn)生的反力為P和P，而由這些反力作用在叉子前端產(chǎn)生的擾度為和，則
M= - P(x-d)+ Px （2-15）
P=W，P=W
= -dx= -[ Px- P(x-d)] （2-16）
在x=l時(shí) = -[(e+d) l-e(l-d)] （2-17）
其次i= -dx= -] （2-18）
當(dāng)x=l時(shí)，i= -[-e(l-d)+(e+d)l] （2-19）
所以，= i(l-l) （2-20）
2.4.1.3前叉的設(shè)計(jì)分析計(jì)算
載荷W在d區(qū)間產(chǎn)生的反力有P， P，在E點(diǎn)的傾斜角為i，
擾度為，受力分析如圖2-5所示：
圖2-5 前叉受力分析
則M=x= -= - （2-21）
i== -+i （2-22）= -+ix+ （2-23）當(dāng)x=d時(shí)， =0， =0 ， i= （2-24）
將（9）代入（7），當(dāng)x=d時(shí)
i= -，= -(l-l)
因此，設(shè)載貨臺(tái)和立柱為剛性時(shí)，伸縮貨叉工作的總擾度為
=++++ （2-25）
（注）當(dāng)托盤(pán)貨架進(jìn)深為110厘米時(shí)，值應(yīng)控制在10~15毫米。
2.4.2貨叉各參數(shù)的選擇
a=65cm b=40cm c=20cm d=40cm e=15cm
l=100cm l=60cm l=75cm l=120cm
故可取上叉、下叉、中叉長(zhǎng)為：
L= l=25=110cm L=b+c+d+25=110cm L= l-c+ 25=110cm
上叉為板狀，并取其寬也為110cm，厚度取10cm，其余數(shù)據(jù)見(jiàn)裝配圖上標(biāo)注。
因各數(shù)據(jù)取值都較大，故能滿足條件。
2.4.3貨叉內(nèi)部零件的選取與校核
2.4.3.1軸承4的選取校核
設(shè)計(jì)選取貨叉伸縮機(jī)構(gòu)的工作速度為10m/min
則每各軸承所承受的壓力為F=150010/4=3750N
轉(zhuǎn)速為n=10000r/d (r/min)， 取C=110，則
d=C=110 （2-26）
帶入?yún)?shù)得，d=16.2mm
取d=20mm，則n=10000/20=159.2r/min
查表7-2-52，選擇深溝球軸承，代號(hào)為6404
其基本參數(shù)為：d=20mm D=72mm B=19mm
c=31.0KN c=15.2KN
徑向載荷 F=150010/4=3750N
軸向載荷F=0N F/ F=0
>h=6000h 故軸承壽命滿足條件。則軸承選取合適。
2.3.3.2齒輪5的選取校核
1.選取齒輪為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度HB=217—255，
平均硬度為236
2.初步計(jì)算傳動(dòng)尺寸
為軟齒面開(kāi)式傳動(dòng)d= （2-27）
（1）轉(zhuǎn)矩T=9.55P/n=162.43d Nmm
（2）設(shè)計(jì)時(shí)，因V值未知，K不能確定，故可初選K=1.4
（3）取齒寬系數(shù)=1.1
（4）取彈性系數(shù)Z=189.8
（5）初選螺旋角=12，取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)Z=2.46
（6）初選Z=23，齒條Z=
則得重合度=[1.88-3.2（1/ Z+1/ Z）]cos=1.7
取軸面重合度=0.318Ztg=1.77
取重合度系數(shù)Z=0.765
（7）取螺旋角系數(shù)Z=0.99
（8）許用接觸應(yīng)力由式[=
取接觸疲勞極限應(yīng)力為=595MPa
齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別為N=60naL=1.08
取壽命系數(shù)Z=1.06 取安全系數(shù)S=1.0
則[===630.7 Mpa
（9）齒輪的分度圓直徑d，初算為u=Z/Z= 故
則d==130mm
3.確定傳動(dòng)尺寸
（1）計(jì)算載荷系數(shù)
取使用系數(shù)K=1.0
因V=
取動(dòng)載系數(shù)K=1.15
取齒向載荷分布系數(shù)K=1.11
取齒間載荷分配系數(shù)K=1.2
故K= K K K K=1.53
（2）對(duì)修正d==133.9mm
（3）確定模數(shù)m=dcos/Z=5.69 取m=6
（4）故d===141mm 并取b=50mm
4.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度=[ （2-28）
式中各參數(shù)：（1）各值同前
（2）因當(dāng)量系數(shù)Z=Z/cos12=23.5
故取齒形系數(shù)Y=2.64，應(yīng)力修正系數(shù)Y=1.58
（3）取重合度系數(shù)Y
（4）取螺旋角系數(shù)Y
（5）許用彎曲應(yīng)力[
取彎曲疲勞極限應(yīng)力
取壽命系數(shù)Y， 取安全系數(shù)S
故 [ =1.0
則 ==4.29MPa〈176MPa=[
故能滿足齒根彎曲疲勞極限。 設(shè)計(jì)合理。
2.4.3.3鏈輪、鏈條的選取校核
設(shè)軸徑d=80mm，鏈傳動(dòng)比i=1
鏈速n=V=159.2r/min
P=0.1
1. 選擇鏈輪齒數(shù)：初步確定Z=21
2. 定鏈的節(jié)距
取K，齒數(shù)系數(shù)K，多排鏈系數(shù)K
所需傳遞功率為
由此，可選取滿足條件的08A鏈，P=12.7mm
3. 定鏈長(zhǎng)、中心距
初定中心距a=40p，則鏈節(jié)數(shù)
L=101節(jié)
鏈長(zhǎng)L=LP/1000=10112.7/1000=1.28m
中心距a==508mm
中心距調(diào)整量
實(shí)際中心距
4． 求作用在軸上的力
工作拉力F=1000P/V=1500N
作用在軸上的壓力F=1.2F=1800N
軸徑
取d=16mm 取輪徑D=80mm
計(jì)算結(jié)果總匯：鏈條規(guī)格：08A單排鏈，101節(jié)，長(zhǎng)1.28米
大小輪齒數(shù)都為21，中心距
壓軸力F，軸徑d=16mm，輪徑D=80 mm。
2.4.4貨叉伸縮裝置中的電機(jī)、減速器的選取
齒輪5的轉(zhuǎn)速為
可取齒輪5與減速器的外端接口傳動(dòng)比i=3.
且齒輪傳動(dòng)所需功率為P=FV=（1500+2300）
則可選擇電機(jī)型號(hào)為Y250M-6，額定功率為37KW
轉(zhuǎn)速為980r/min，效率為90.8%，且90.8%>8KW
安裝型式選取B3，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)座號(hào)為250M65。
為此，減速器的傳動(dòng)比為i=980/23.78
則選取減速器型號(hào)為ZLY（低速級(jí)中心距）180。
3 立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
本章詳細(xì)描述了小型立體倉(cāng)庫(kù)的控制系統(tǒng)，著重論述了如何對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，分別從堆垛機(jī)的速度控制、系統(tǒng)主控制器的選擇及堆垛機(jī)的定位控制方案三個(gè)方面進(jìn)行闡述。
3.1 堆垛機(jī)系統(tǒng)
堆垛機(jī)是立體倉(cāng)庫(kù)中最重要的起重運(yùn)輸設(shè)備，主要用來(lái)在高層貨架倉(cāng)庫(kù)的巷道內(nèi)沿軌道運(yùn)行完成入庫(kù)、出庫(kù)作業(yè)，即將位于巷道口的貨物存入貨格，或是取出貨格中的貨物運(yùn)送到巷道口。目前，堆垛機(jī)的控制方式大致可以分為手動(dòng)操作、半自動(dòng)控制、全自動(dòng)控制、遠(yuǎn)距離控制與計(jì)算機(jī)控制等。計(jì)算機(jī)控制的控制系統(tǒng)，考慮到備用情況，一般由三級(jí)組成。最低一級(jí)是利用堆垛機(jī)上的控制盤(pán)手動(dòng)操作，其次是為了遙控利用安置在地上的控制盤(pán)的數(shù)字開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作，最高一級(jí)采用計(jì)算機(jī)控制，三級(jí)可以轉(zhuǎn)換運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖3－1所示。
圖3－1 SRMC系統(tǒng)
采用遙控時(shí)，也必須具有低級(jí)的手動(dòng)操作功能，采用自動(dòng)控制時(shí)使用機(jī)上控制盤(pán)，但控制方法，在本質(zhì)上與遙控基本相同，因此以遙控為中心來(lái)敘述堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)。
圖3－2所示為在自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下以及特殊情況下的堆垛機(jī)作業(yè)循環(huán)的作業(yè)流程圖。堆垛機(jī)按行走、升降、貨叉伸縮等三種操作，根據(jù)指令自動(dòng)定位，進(jìn)行叉取作業(yè)。
當(dāng)用戶發(fā)出存貨要求時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)倉(cāng)庫(kù)貨位情況，給出貨物的存放地址，上位機(jī)根據(jù)堆垛機(jī)的當(dāng)前位置，經(jīng)過(guò)貨位地址變換，給出相對(duì)于堆垛機(jī)當(dāng)前位置的貨位地址，發(fā)出存貨指令給堆垛機(jī)。堆垛機(jī)控制系統(tǒng)接收信號(hào)后，在貨物輸入口接收貨物，堆垛機(jī)行走，同時(shí)載貨臺(tái)沿立柱作升降運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到達(dá)目的貨位時(shí)，貨叉開(kāi)始伸縮運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行存貨操作，完成操作后在此位待命或返回至規(guī)定位置。
圖3－2堆垛機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)流程圖
當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，用戶需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢修，可以通過(guò)控制面板上的按鈕進(jìn)行堆垛
機(jī)的升、降、急停以及貨叉的伸、縮等手動(dòng)控制操作。
3.2立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的功能要求
堆垛機(jī)系統(tǒng)是立體倉(cāng)庫(kù)貨物存取任務(wù)的最終執(zhí)行者，其主要運(yùn)動(dòng)包括：
(1)堆垛機(jī)沿貨架巷道（列方向）的前后高低速運(yùn)動(dòng)；
(2)堆垛機(jī)沿立柱（層方向）的上下升降運(yùn)動(dòng)；
(3)安裝在堆垛機(jī)載貨臺(tái)上的貨叉機(jī)構(gòu)的伸縮運(yùn)動(dòng)。
因此，立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的功能主要應(yīng)包含以下幾方面的內(nèi)容：
(1)自動(dòng)控制功能：運(yùn)用地面控制臺(tái)系統(tǒng)，完成貨物的自動(dòng)出入庫(kù)任務(wù)。此時(shí)可以接受地面控制臺(tái)的各種命令操作，如：入庫(kù)、出庫(kù)、運(yùn)行到目標(biāo)列層、進(jìn)、退、升、降等；
(2)手動(dòng)控制功能：僅能通過(guò)控制面板的按鈕進(jìn)行進(jìn)、退、升、降、急停等控制操作此功能主要用于系統(tǒng)的檢修與調(diào)試；
(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。對(duì)于以上的各種控制功能，主要應(yīng)由以下幾個(gè)方面來(lái)完成：
(1)速度控制：堆垛機(jī)工作時(shí)在各種方向上的運(yùn)行速度；
(2)定位控制：以適合的速度運(yùn)行并精確地定位在貨格或入出庫(kù)口處；
(3)通訊功能：與上位機(jī)及其它倉(cāng)庫(kù)設(shè)備的通訊；
(4)保護(hù)功能：具有一定機(jī)械和電氣方面的保護(hù)功能；
(5)人機(jī)界面：通過(guò)I/O設(shè)備，提供本機(jī)狀態(tài)信息或遙控操作。
3.3立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)主控制器的選擇
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、個(gè)人計(jì)算機(jī)控制、單板機(jī)控制、集散控制系統(tǒng)（DCS）以及可編程控制器（PLC）控制等等。
PLC的梯形圖與繼電器控制線路圖十分相似，同時(shí)，信號(hào)的輸入/輸出形式及控制功能也是相同的，但兩種控制方式又有不同之處。PLC在性能上比繼電器控制邏輯優(yōu)異，特別是可靠性高、設(shè)計(jì)周期短、調(diào)試修改方便，而且體積小、功耗低、使用維護(hù)方便，但價(jià)格高于繼電器。與個(gè)人計(jì)算機(jī)相比，PLC是一種用于工業(yè)自動(dòng)化控制的專(zhuān)用微機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格也較低。單板機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，在數(shù)據(jù)采集與處理等方面優(yōu)于PLC，但不如PLC容易掌握，抗干擾性能也較差。集散控制系統(tǒng)在回路調(diào)節(jié)、模擬量控制方面較PLC有一定優(yōu)勢(shì)，但PLC在開(kāi)關(guān)量控制、順序控制等方面又優(yōu)于前者。
綜上所述，可編程控制器作為一種專(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)。
3.3.1 PLC簡(jiǎn)介
1.PLC的定義
可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，主要用于順序控制，雖然采用了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，但實(shí)際上只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算。
PLC是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，是帶有存儲(chǔ)器，可以編制程序的控制器。它能夠存儲(chǔ)和執(zhí)行指令，進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)等操作，通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體，易于擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計(jì)。
事實(shí)上，PLC就是以嵌入式CPU為核心，配以I/O等模塊，可以方便地用于工業(yè)控制領(lǐng)域的裝置。因此PLC實(shí)際上就是：“工業(yè)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)”。其硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)室基本一致。其基本結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。
圖3-3 PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
電源模塊
CPU
模塊
編程器
輸出模塊
輸入模塊
指示燈
接觸器
繼電器
電源
2.PLC工作原理
PLC采用巡回掃描的工作機(jī)制，經(jīng)過(guò)輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段，這是一個(gè)掃描周期，PLC就是這樣周而復(fù)始的執(zhí)行掃描周期的，簡(jiǎn)單的說(shuō)，PLC是系統(tǒng)程序的管理下，依據(jù)用戶程序的安排，結(jié)合輸入信號(hào)的變化，確定輸出口工作的 ，當(dāng)然這不是其全部?jī)?nèi)容，全部?jī)?nèi)容要復(fù)雜一些.
3.PLC的特點(diǎn)
抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)；編程方便，易于擴(kuò)展；功能完善；設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短；體積小維護(hù)方便，能耗低。
4.PLC的性能
(1)硬件指標(biāo)
硬件指標(biāo)主要包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、抗震、抗沖擊、抗噪聲干擾、耐壓、接地要求和使用環(huán)境等。由于PLC是專(zhuān)門(mén)為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的，因此PLC一般都能滿足以上硬件指標(biāo)的要求。
(2)軟件指標(biāo)
a.編程語(yǔ)言 不同的PLC，具有不同的編程語(yǔ)言。常用的編程語(yǔ)言有梯形圖、語(yǔ)句表、功能塊圖3種。
b.用戶存儲(chǔ)器容量和類(lèi)型 用戶存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)用戶通過(guò)編程器輸入的程序。其存儲(chǔ)容量通常以字、步或KB為單位計(jì)算。常用的用戶存儲(chǔ)器類(lèi)型有RAM、EEPRAM、EPRAM3種。
c.I/O總數(shù) PLC有開(kāi)關(guān)量和模擬量?jī)煞NI/O。對(duì)開(kāi)關(guān)量I/O總數(shù)，通常用最大I/O點(diǎn)數(shù)表示；對(duì)模擬量I/O總數(shù)，通常用最大I/O通道表示。
d.指令數(shù) 用來(lái)表示PLC的功能。一般指令越多，其功能越強(qiáng)。
e.軟元件的種類(lèi)和點(diǎn)數(shù) 指輔助繼電器、定時(shí)器、狀態(tài)、數(shù)據(jù)寄存器和各種特殊繼電器等。
f.掃描速度 以“ s/步”表示。PLC的掃描速度越快，其輸出對(duì)輸入的響應(yīng)越快。
5.PLC的發(fā)展趨勢(shì)
PLC總的發(fā)展趨勢(shì)向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體有以下幾方面：向小型化、專(zhuān)用化、低成本方向發(fā)展；向大容量；向高速度方向發(fā)展；智能型I/O模塊的發(fā)展；基于PC的編程軟件取代編程器；PLC編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)化；PLC通信易用化；組態(tài)軟件與PLC的軟件化；PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合。
3.3.2 PLC各部分功能
1.中央處理單元（CPU）
CPU的主要任務(wù)有控制用戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)；用掃描的方式通過(guò)I/O部件接受現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；診斷PLC內(nèi)部電路的工作故障和語(yǔ)法錯(cuò)誤。
2.存儲(chǔ)器
PLC的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。
系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來(lái)存放有PLC生產(chǎn)廠家編寫(xiě)的系統(tǒng)程序，使PLC具有基本功能，用戶不能直接改寫(xiě)。
用戶存儲(chǔ)器包括用戶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分，用來(lái)存放用戶針對(duì)具體控制任務(wù)，使用規(guī)定的PLC編程語(yǔ)言編寫(xiě)的各種用戶程序。
3.輸入輸出單元
PLC的輸入和輸出信號(hào)類(lèi)型可是開(kāi)關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出單元從廣義上包括兩部分：一是與控制設(shè)備相連接的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。
輸入單元用來(lái)接收來(lái)自用戶的各種信號(hào)，如限位開(kāi)關(guān)、操作按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)以及其他一些傳感器信號(hào)。通過(guò)接口電路將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠識(shí)別處理的信號(hào)，并存到輸入映像寄存器。運(yùn)行時(shí)PLC從輸入映像寄存器讀取輸入信號(hào)并進(jìn)行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器有輸出點(diǎn)相應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、指示燈等被控設(shè)備的執(zhí)行文件。
4.電源部分
PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供5V、12V、24V等直流電源，使PLC能正常工作。
5.擴(kuò)展接口
擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。
3.4堆垛機(jī)的速度控制方案
在立體倉(cāng)庫(kù)中，交流異步電動(dòng)機(jī)是堆垛機(jī)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)部件。一般情況下，其調(diào)速方式分為：電機(jī)減速器調(diào)速、變極調(diào)速、串阻調(diào)速、串極調(diào)速、滑差電機(jī)調(diào)速和變頻調(diào)速等。用減速器進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速設(shè)備不僅體積大，調(diào)速效率低，而且容易發(fā)生機(jī)械故障。其它幾種調(diào)速方法與變頻調(diào)速方法相比，使用起來(lái)又非常不便。隨著對(duì)于電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能要求的逐步提高，變頻調(diào)速技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。
3.4.1變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
變頻調(diào)速技術(shù)是一門(mén)綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，利用變頻器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點(diǎn)，如：調(diào)速范圍廣、輸出平滑性好、機(jī)械特性較硬、能很好地實(shí)異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速、可實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能、可方便地進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速等。尤其當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)較大負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，會(huì)有較大的沖擊電流，若采用變頻器控制，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，減小沖擊電流，從而解決了大負(fù)載的啟動(dòng)問(wèn)題。另外，變頻器還具有很強(qiáng)的保護(hù)功能，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中能隨時(shí)檢測(cè)到各種故障，并顯示故障類(lèi)別（如電網(wǎng)瞬時(shí)電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過(guò)電壓，功率模塊過(guò)熱，電機(jī)短路等），并立即封鎖輸出電壓。這種自我保護(hù)的功能，不僅保護(hù)了變頻器，還保護(hù)了電機(jī)。
綜上所述，變頻調(diào)速技術(shù)不僅在性能上大大優(yōu)于以往的交流電機(jī)調(diào)速方式，并且將會(huì)逐步取代直流電機(jī)的調(diào)速方式，用交流異步電機(jī)取代直流電機(jī)，將會(huì)使調(diào)速系統(tǒng)變得更加簡(jiǎn)單。
3.4.2變頻器的基本結(jié)構(gòu)
變頻器是把工頻電流（50HZ或60HZ）變換成各種頻率的交流電流，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)變速
運(yùn)行的設(shè)備。變頻器一般由控制電路和主電路構(gòu)成?？刂齐娐钒ㄖ骺刂齐娐?、信號(hào)檢測(cè)電路、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分，是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣。控制電路的主要作用是完成對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路的控制。圖3－4所示為通用變頻器的結(jié)構(gòu)原理。
圖3－4變頻器的構(gòu)成
變頻器的主電路，包括整流電路和逆變電路兩部分。其中，整流電路是把輸入到變頻器的工頻交流電變換成直流電，且對(duì)直流電進(jìn)行平滑濾波，然后逆變電路再將此直流電變換成實(shí)際需要的各種頻率的交流電，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。
3.4.3變頻調(diào)速的工作原理
當(dāng)在一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組上加上三相交流電壓時(shí)，該電壓將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其速度由定子電壓的頻率所決定。當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，位于該磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)子繞組將切割磁力線，并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，而此感應(yīng)電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電磁力，即轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)將三相異步電動(dòng)機(jī)繞組的任意兩相進(jìn)行交換時(shí)，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向?qū)l(fā)生改變。因此，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。
異步電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速被稱(chēng)為異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動(dòng)機(jī)的
磁極對(duì)數(shù)和電源頻率所決定：
（3-1）
式中：------------電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速
f------------供電電源頻率（Hz）
P------------電機(jī)定子磁極對(duì)數(shù)
一般情況下，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可由下
式給出：
（3-2）
式中：n------------電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速
s------------轉(zhuǎn)差率（同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，s=0）
由式(2-2)可知，若改變參數(shù)f，s中的任意一個(gè)就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。因此，可以通過(guò)改變?cè)撾娫吹念l率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。從某種意義上說(shuō)，變頻器就是一個(gè)可以任意改變頻率的交流電源。
綜上所述，采用改變供電電源頻率的調(diào)速方法，從本質(zhì)上講，是一種無(wú)級(jí)、平滑而又經(jīng)濟(jì)的調(diào)速方法。變頻時(shí)使電壓按不同規(guī)律變化，可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載的要求，這些均早已被人們所認(rèn)識(shí)和掌握。隨著可控硅靜止變頻裝置的出現(xiàn)，解決了運(yùn)行性能較為理想的變頻電源問(wèn)題，使異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)獲得了進(jìn)一步的發(fā)展，為其廣泛地應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑，特別是較為理想地解決了普通鼠籠式電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速問(wèn)題。
因此，在本堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中，我們選擇變頻調(diào)速的方式對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度的控制。
3.5堆垛機(jī)的定位控制方案
本設(shè)計(jì)的位移定位方法為采用光電編碼器定位。光電編碼器分為絕對(duì)脈沖編碼器（APC）和增量脈沖編碼器（SPC），兩者一般都作為速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測(cè)元件。編碼器分為單路輸出和雙路輸出兩種。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過(guò)這兩組脈沖不僅可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。
當(dāng)采用光電編碼器進(jìn)行位移定位時(shí)，由于堆垛機(jī)的運(yùn)行是由曳引電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)的，因此曳引電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也就決定了它所移動(dòng)的距離，如圖3-5所示。
在曳引電動(dòng)機(jī)軸上安裝一個(gè)光電盤(pán)，盤(pán)上同一圓周上均勻地打上許多小孔，曳引電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電盤(pán)也跟著旋轉(zhuǎn)，光電編碼器根據(jù)轉(zhuǎn)過(guò)小孔的數(shù)量，發(fā)出相應(yīng)數(shù)量的脈沖信號(hào)，這樣只要計(jì)算出脈沖數(shù)，就可知道堆垛機(jī)運(yùn)行的距離，也就是堆垛機(jī)的實(shí)際位置。
圖3-5光電編碼示意圖
目前，PLC一般都具有高速脈沖輸入端或?qū)Ｓ糜?jì)數(shù)單元，可用編碼器測(cè)取堆垛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的準(zhǔn)確位置，并可直接與PLC的高速脈沖輸入端相連，利用高速記數(shù)器的功能指令能很方便地實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的定位。
由以上的介紹，我們可以看出，安裝限位開(kāi)關(guān)的定位方法，不僅廢工廢料，而且每個(gè)開(kāi)關(guān)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。而采用旋轉(zhuǎn)編碼器的位移定位方法，通過(guò)其發(fā)出的脈沖數(shù)可以很容易地確定堆垛機(jī)的當(dāng)前位置，再經(jīng)過(guò)給定速度曲線的計(jì)算，得