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山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
畢業(yè)生姓名
：
李雅瑞
專業(yè)
：
機(jī)械電子工程
學(xué)號
：
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
立體倉庫模擬裝置的設(shè)計及控制
摘 要
自動化立體倉庫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)的情況下自動地存儲和取出物流的系統(tǒng)。它是現(xiàn)代工業(yè)社會發(fā)展的高科技產(chǎn)物，對提高生產(chǎn)率、降低成本有著重要意義。堆垛機(jī)是自動化立體倉庫中最重要的起重堆垛設(shè)備，它能夠在自動化立體的巷道中來回穿梭運行，將位于巷道口的貨物存入貨格；或者相反取出貨格內(nèi)的貨物運送到巷道口。本文首先針對小型立體倉庫中普遍使用的雙立柱堆垛機(jī)形式提出設(shè)計方案，分析其結(jié)構(gòu)組成，對其升降機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并對各個機(jī)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析計算、校核。之后重點論述了立體倉庫控制系統(tǒng)的原理，結(jié)構(gòu)和特點，對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并提出堆垛機(jī)的速度控制和精確定位方法。針對立體倉庫的存取特點，對堆垛機(jī)的硬件部分進(jìn)行設(shè)備選型與參數(shù)計算，設(shè)計出電氣原理圖，并給出了PLC控制程序梯形圖。
【關(guān)鍵詞】立體倉庫；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 立體倉庫模擬裝置的設(shè)計及控制 1
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3
1.3本課題的研究目的及主要研究內(nèi)容 4
2 立體倉庫機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 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)計計算 5
2.2.1升降機(jī)構(gòu)零部件的設(shè)計計算 5
2.2.2升降機(jī)構(gòu)的電機(jī)減速器的選取 6
2.2.3制動器的制動容量的設(shè)計 6
2.3堆垛機(jī)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算 6
2.3.1堆垛機(jī)走行輪的設(shè)計計算 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)計計算 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 立體倉庫模擬裝置的設(shè)計及控制 18
3.1 堆垛機(jī)系統(tǒng) 18
3.2立體倉庫控制系統(tǒng)的功能要求 19
3.3立體倉庫控制系統(tǒng)主控制器的選擇 20
3.3.1 PLC簡介 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 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 立體倉庫控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 27
4.1立體倉庫控制系統(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 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 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立體倉庫控制系統(tǒng)的電氣原理圖 35
5 立體倉庫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 36
5.1程序設(shè)計軟件 36
5.2 I/O點數(shù)的分配 37
5.3立體倉庫控制系統(tǒng)程序設(shè)計 40
5.4立體倉庫控制系統(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)計說明書
1 立體倉庫模擬裝置的設(shè)計及控制
1.1研究背景及其意義
自動化立體倉庫是物料搬運、倉儲科學(xué)的一門綜合科學(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)的搬運設(shè)備為基礎(chǔ)，以先進(jìn)的計算機(jī)控制技術(shù)為主要手段，是實現(xiàn)搬運、存取機(jī)械化、自動化，儲存管理現(xiàn)代化的新型倉庫。它具有占地面積小、儲存量大、周轉(zhuǎn)快的優(yōu)點，是集信息、存儲、管理于一體的高技術(shù)密集型機(jī)電一體化產(chǎn)品。將自動化立體倉庫應(yīng)用在立體庫中，利用它自身的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)貨物的自動存取。
立體倉庫的產(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。隨著立體倉庫的越來越多，立體倉儲技術(shù)已成為一門新興的學(xué)科。堆垛機(jī)是自動化倉庫的主要作業(yè)機(jī)械，擔(dān)負(fù)著出庫，入庫等任務(wù)，是立體倉庫的核心部件。自動化倉庫的發(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)是自動化立體倉庫中貨物進(jìn)出倉庫的主要執(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、運行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、載貨臺、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、下橫梁組成一個長方形的框架。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，制造工時和材料消耗少，結(jié)構(gòu)更加緊湊且外形美觀。
(2)運行機(jī)構(gòu)
運行機(jī)構(gòu)主要由電動機(jī)(帶制動器)、減速器、車輪組成。目前常采用的下部支承及驅(qū)動的堆垛機(jī)。運行機(jī)構(gòu)安裝在下橫梁一端，下部車輪為主動輪，另一端為被動輪。有時堆垛機(jī)為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)巷道作業(yè)，被動輪安裝在轉(zhuǎn)向輪座上，可以保證在轉(zhuǎn)巷道時有較小的回轉(zhuǎn)半徑。
(3)起升機(jī)構(gòu)
堆垛機(jī)的起升機(jī)構(gòu)由電動機(jī)、制動器、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，常用帶制動器的電機(jī)。減速機(jī)的采用視傳動比需要和結(jié)構(gòu)布置而定。蝸輪蝸桿減速器結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡單，但傳動效率較低。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
載貨臺是貨物單元承載裝置，通過鋼絲繩或鏈條與起升機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)。載貨臺沿立柱上的導(dǎo)軌升降。貨叉機(jī)構(gòu)安裝在載貨臺上，有司機(jī)室的堆垛機(jī)，司機(jī)室也裝在載貨臺上。有揀選功能的堆垛機(jī)，揀選平臺也安裝在載貨臺上。載貨臺通常有一個剛性框架，為沿導(dǎo)軌運行而裝有導(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，貨叉連同載貨臺一起隨大車在巷道內(nèi)運行。為此，貨叉伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求是：貨叉完全伸出后，其長度須為原來長度的兩倍以上。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、控制、檢測和安全保護(hù)等強(qiáng)、弱電電氣設(shè)備，三個主要機(jī)構(gòu)的電力拖動系統(tǒng)，目前國內(nèi)外普遍采用變頻調(diào)速控制，從而滿足堆垛機(jī)高速運行、換速平穩(wěn)、低速停準(zhǔn)的要求。檢測系統(tǒng)必須具有堆垛機(jī)自動認(rèn)址、貨虛實探測、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)過熱和過電流保護(hù)、控制電路的零位保護(hù)等)外，還應(yīng)根據(jù)實際需要，增設(shè)各種保護(hù)。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
目前，立體倉庫己經(jīng)走入系列化，運行噪聲低，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和貨物尺寸檢測等功能。國外立體倉庫普遍采用抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠的可編程控制器來控制巷道堆垛機(jī)以及出入庫系統(tǒng)，并且用計算機(jī)進(jìn)行貨位管理和庫存管理，倉庫管理計算機(jī)與上級管理機(jī)聯(lián)網(wǎng)并能與控制系統(tǒng)相接，實現(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，提高搜索能力和運行速度，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庫中，已采用上、下兩層分別用巷道堆垛機(jī)進(jìn)行搬運作業(yè)的方法提高出入庫的能力。
我國是從20世紀(jì)70年代初期開始研究采用巷道式堆垛機(jī)的立體倉庫。1980年，由北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所等單位研制建成了我國第一座自動化立體倉庫，并在北京汽車制造廠投產(chǎn)。從此以后，立體倉庫在我國得到了迅速的發(fā)展。目前，浙江海通集團(tuán)是國內(nèi)最早建造2000噸立體自動化低溫冷庫的企業(yè)，其中采用了由電腦程序控制、5臺自動巷道堆垛機(jī)無人操作自動進(jìn)出庫等先進(jìn)技術(shù)。
目前，在國內(nèi)立體倉庫堆垛機(jī)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)中，電機(jī)減速機(jī)普遍采用德國、日本、意大利的產(chǎn)品，也有少數(shù)采用國內(nèi)的電機(jī)減速機(jī)。由于堆垛機(jī)是立體倉庫中最重要的運輸設(shè)備，各項技術(shù)參數(shù)和綜合性能的要求都非常嚴(yán)格，如無故障率應(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)動機(jī)構(gòu)中電機(jī)減速機(jī)的選用上，多選用國外先進(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，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，提高運行速度，以縮短周期、提高生產(chǎn)能力。相信通過我們的不斷努力，更加高速、安全、可靠的堆垛機(jī)將不斷從國外引進(jìn)消化到國內(nèi)，使我國堆垛機(jī)技術(shù)發(fā)展到一個新的階段。
1.3本課題的研究目的及主要研究內(nèi)容
本文綜合分析立體倉庫的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計了一套小型立體倉庫，對其堆垛機(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)計計算，并綜合運用交流變頻調(diào)速、PLC控制、位置檢測等技術(shù)，為小型立體倉庫的正常運行設(shè)計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庫的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展。
第二章 立體倉庫機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要對小型立體倉庫堆垛機(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)計計算，并進(jìn)行電機(jī)及減速器的選取。
第三章 立體倉庫控制系統(tǒng)的方案設(shè)計，提出小型立體倉庫的功能要求，對其控制系統(tǒng)的主控制器進(jìn)行選擇，同時確定出堆垛機(jī)的速度和定位控制方案。
第四章 立體倉庫控制系統(tǒng)硬件設(shè)計，構(gòu)建立體倉庫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計要求選擇合適的變頻器和PLC，對旋轉(zhuǎn)編碼器、光電開關(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 立體倉庫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，根據(jù)所選PLC型號，確定程序設(shè)計軟件，進(jìn)行I/O點數(shù)的分配，從貨叉控制、層數(shù)與列數(shù)計算、快車運行控制、換速控制、停車控制、檢修點動控制等幾個方面進(jìn)行程序流程設(shè)計，并編寫控制系統(tǒng)梯形圖。 2立體倉庫機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計
2.1堆垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成
堆垛機(jī)是立體倉庫中最重要的起重運輸設(shè)備，主要用來在高層貨架倉庫的巷道內(nèi)沿軌道運行完成入庫、出庫作業(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送到巷道口。本立體倉庫的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計主要是針對堆垛機(jī)進(jìn)行設(shè)計，該堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)主要有三個機(jī)構(gòu)組成：
（1）升降機(jī)構(gòu)
升降機(jī)構(gòu)由電動機(jī)、制動器、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)計時選取20m/min。
（2）行走機(jī)構(gòu)
行走機(jī)構(gòu)由電動機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、制動器、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)巷道長度和物料出入庫頻率而定，正常工作速度控制在50~100m/min，最高可達(dá)到180m/min，設(shè)計時選取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)計時選取20m/min。
2.2堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算
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4度。
升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計傳動鏈：電機(jī)-聯(lián)軸器-減速器-卷筒-鋼絲繩-貨臺。
2.2.1升降機(jī)構(gòu)零部件的設(shè)計計算
定滑輪的軸徑與輪徑的設(shè)計計算：
則對定滑輪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。
選取鋼絲繩公稱直徑為6mm，公稱抗拉強(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+貨臺的自重G以速度v米/分提升時的功率為：
=KW （2-1）
由此，選取電機(jī)型號為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，國際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)座號為315S75。
則減速器的傳動比為i=590/63.7=9.25
減速器的型號為ZLY（低速級中心距）180。
2.2.3制動器的制動容量的設(shè)計
在堆垛機(jī)上使用的制動器，在走行裝置上作走行減速與停止之用。在升降方面用來使運動中的載荷減速并在停止后保持安全，必須有足夠的制動轉(zhuǎn)矩。一般規(guī)定，提升裝置的制動器的制動轉(zhuǎn)矩應(yīng)為相當(dāng)于額定載重量的貨物被吊起時的最大轉(zhuǎn)矩值的1.5倍以上，但一般在走行方面的制動轉(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)計計算
首先，堆垛機(jī)的驅(qū)動型式設(shè)計成“下部支承下部驅(qū)動型”，該型式的走行裝置安裝在下梁上，通過減速裝置驅(qū)動走行輪，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)計計算
走行輪有主動輪與從動輪各1個，由于堆垛機(jī)在操作貨叉時的反作用力會對走行輪產(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)動輪的末端齒輪采用輪軸直接連接的驅(qū)動方式。
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，則車輪的軸徑為d=11.2mm
取d =50mm，車輪直徑可適當(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，國際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)座號為200L55。
為此，減速器的傳動比為i=2950/287=10.28，
則可選取減速器標(biāo)準(zhǔn)型號為ZLY（低速級中心距）200。
2.4堆垛機(jī)伸縮貨叉機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算
貨叉是堆垛機(jī)中最主要的部分，所設(shè)計的貨叉，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并固定在載貨臺的臺架上，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)通過鏈輪鏈條帶動齒輪5旋轉(zhuǎn)，齒輪帶動齒條及中叉2運動，同時中叉2中的鏈輪7通過鏈條帶動上叉3沿著中叉2中的工字行導(dǎo)軌運行.中叉可在齒輪、齒條或鏈輪、鏈條的驅(qū)動下從中叉的中點，向前或向后移動大約自身長度的一半，上叉可從中叉的中點，向前或向后伸出比自身稍長的長度。
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，同時叉前端的擾度控制在最小，作為設(shè)計的目標(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為不變形部分的長度，
P=W l/b ，ax l時的彎矩為
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， =0
i= -( i+b) （2-11）
將(3)代入(1)，x=l時c點的傾角與為
t= -，= -l
2.4.1.2中叉的受力分析計算
圖2-4（a）中因載荷W的作用，在b間產(chǎn)生反力P，P，
設(shè)點的傾角為i，擾度為，
M= Px=x = -= -
i== -+i （2-12）
= -+ ix+ （2-13）
因x=b時， =0， =0，則
i= （2-14）
將(6)代入(4)，求x=b時的傾斜角
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 = -[(e+d) l-e(l-d)] （2-17）
其次i= -dx= -] （2-18）
當(dāng)x=l時，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)計分析計算
載荷W在d區(qū)間產(chǎn)生的反力有P， P，在E點的傾斜角為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， =0， =0 ， i= （2-24）
將（9）代入（7），當(dāng)x=d時
i= -，= -(l-l)
因此，設(shè)載貨臺和立柱為剛性時，伸縮貨叉工作的總擾度為
=++++ （2-25）
（注）當(dāng)托盤貨架進(jìn)深為110厘米時，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.初步計算傳動尺寸
為軟齒面開式傳動d= （2-27）
（1）轉(zhuǎn)矩T=9.55P/n=162.43d Nmm
（2）設(shè)計時，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.確定傳動尺寸
（1）計算載荷系數(shù)
取使用系數(shù)K=1.0
因V=
取動載系數(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)計合理。
2.4.3.3鏈輪、鏈條的選取校核
設(shè)軸徑d=80mm，鏈傳動比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、中心距
初定中心距a=40p，則鏈節(jié)數(shù)
L=101節(jié)
鏈長L=LP/1000=10112.7/1000=1.28m
中心距a==508mm
中心距調(diào)整量
實際中心距
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
計算結(jié)果總匯：鏈條規(guī)格：08A單排鏈，101節(jié)，長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比i=3.
且齒輪傳動所需功率為P=FV=（1500+2300）
則可選擇電機(jī)型號為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，國際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)座號為250M65。
為此，減速器的傳動比為i=980/23.78
則選取減速器型號為ZLY（低速級中心距）180。
3 立體倉庫控制系統(tǒng)的方案設(shè)計
本章詳細(xì)描述了小型立體倉庫的控制系統(tǒng)，著重論述了如何對立體倉庫控制系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計，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方面進(jìn)行闡述。
3.1 堆垛機(jī)系統(tǒng)
堆垛機(jī)是立體倉庫中最重要的起重運輸設(shè)備，主要用來在高層貨架倉庫的巷道內(nèi)沿軌道運行完成入庫、出庫作業(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送到巷道口。目前，堆垛機(jī)的控制方式大致可以分為手動操作、半自動控制、全自動控制、遠(yuǎn)距離控制與計算機(jī)控制等。計算機(jī)控制的控制系統(tǒng)，考慮到備用情況，一般由三級組成。最低一級是利用堆垛機(jī)上的控制盤手動操作，其次是為了遙控利用安置在地上的控制盤的數(shù)字開關(guān)進(jìn)行操作，最高一級采用計算機(jī)控制，三級可以轉(zhuǎn)換運轉(zhuǎn)。如圖3－1所示。
圖3－1 SRMC系統(tǒng)
采用遙控時，也必須具有低級的手動操作功能，采用自動控制時使用機(jī)上控制盤，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敘述堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)。
圖3－2所示為在自動運轉(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)指令自動定位，進(jìn)行叉取作業(yè)。
當(dāng)用戶發(fā)出存貨要求時，系統(tǒng)根據(jù)倉庫貨位情況，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)過貨位地址變換，給出相對于堆垛機(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)接收信號后，在貨物輸入口接收貨物，堆垛機(jī)行走，同時載貨臺沿立柱作升降運動。當(dāng)運動到達(dá)目的貨位時，貨叉開始伸縮運動，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)自動運轉(zhuǎn)流程圖
當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，用戶需對系統(tǒng)進(jìn)行檢修，可以通過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、縮等手動控制操作。
3.2立體倉庫控制系統(tǒng)的功能要求
堆垛機(jī)系統(tǒng)是立體倉庫貨物存取任務(wù)的最終執(zhí)行者，其主要運動包括：
(1)堆垛機(jī)沿貨架巷道（列方向）的前后高低速運動；
(2)堆垛機(jī)沿立柱（層方向）的上下升降運動；
(3)安裝在堆垛機(jī)載貨臺上的貨叉機(jī)構(gòu)的伸縮運動。
因此，立體倉庫控制系統(tǒng)的功能主要應(yīng)包含以下幾方面的內(nèi)容：
(1)自動控制功能：運用地面控制臺系統(tǒng)，完成貨物的自動出入庫任務(wù)。此時可以接受地面控制臺的各種命令操作，如：入庫、出庫、運行到目標(biāo)列層、進(jìn)、退、升、降等；
(2)手動控制功能：僅能通過控制面板的按鈕進(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：實時監(jiān)測各關(guān)鍵器件的使用情況及系統(tǒng)的運行情況，出現(xiàn)故障時及時報警。對于以上的各種控制功能，主要應(yīng)由以下幾個方面來完成：
(1)速度控制：堆垛機(jī)工作時在各種方向上的運行速度；
(2)定位控制：以適合的速度運行并精確地定位在貨格或入出庫口處；
(3)通訊功能：與上位機(jī)及其它倉庫設(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立體倉庫控制系統(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、個人計算機(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，信號的輸入/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，但價格高于繼電器。與個人計算機(jī)相比，PLC是一種用于工業(yè)自動化控制的專用微機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，價格也較低。單板機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價格低，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，但PLC在開關(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門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置，具有其獨特的優(yōu)點。
3.3.1 PLC簡介
1.PLC的定義
可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，主要用于順序控制，雖然采用了計算機(jī)的設(shè)計思想，但實際上只能進(jìn)行邏輯運算。
PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的一種數(shù)字運算操作的電子裝置，是帶有存儲器，可以編制程序的控制器。它能夠存儲和執(zhí)行指令，進(jìn)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)等操作，通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程。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。
事實上，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實際上就是：“工業(yè)專用計算機(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)過輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段，這是一個掃描周期，PLC就是這樣周而復(fù)始的執(zhí)行掃描周期的，簡單的說，PLC是系統(tǒng)程序的管理下，依據(jù)用戶程序的安排，結(jié)合輸入信號的變化，確定輸出口工作的 ，當(dāng)然這不是其全部內(nèi)容，全部內(nèi)容要復(fù)雜一些.
3.PLC的特點
抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)；編程方便，易于擴(kuò)展；功能完善；設(shè)計、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是專門為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的，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.編程語言 不同的PLC，具有不同的編程語言。常用的編程語言有梯形圖、語句表、功能塊圖3種。
b.用戶存儲器容量和類型 用戶存儲器用來存儲用戶通過編程器輸入的程序。其存儲容量通常以字、步或KB為單位計算。常用的用戶存儲器類型有RAM、EEPRAM、EPRAM3種。
c.I/O總數(shù) PLC有開關(guān)量和模擬量兩種I/O。對開關(guān)量I/O總數(shù)，通常用最大I/O點數(shù)表示；對模擬量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.軟元件的種類和點數(shù) 指輔助繼電器、定時器、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，其輸出對輸入的響應(yīng)越快。
5.PLC的發(fā)展趨勢
PLC總的發(fā)展趨勢向高集成度、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；用掃描的方式通過I/O部件接受現(xiàn)場信號的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)存儲器中；診斷PLC內(nèi)部電路的工作故障和語法錯誤。
2.存儲器
PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。
系統(tǒng)存儲器用來存放有PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，使PLC具有基本功能，用戶不能直接改寫。
用戶存儲器包括用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分，用來存放用戶針對具體控制任務(wù)，使用規(guī)定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序。
3.輸入輸出單元
PLC的輸入和輸出信號類型可是開關(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。
輸入單元用來接收來自用戶的各種信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠識別處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運行時PLC從輸入映像寄存器讀取輸入信號并進(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轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、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)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供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
在立體倉庫中，交流異步電動機(jī)是堆垛機(jī)系統(tǒng)中的驅(qū)動部件。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，使用起來又非常不便。隨著對于電動機(jī)調(diào)速性能要求的逐步提高，變頻調(diào)速技術(shù)得到了長足的發(fā)展。
3.4.1變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點
變頻調(diào)速技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點，如：調(diào)速范圍廣、輸出平滑性好、機(jī)械特性較硬、能很好地實異步電動機(jī)的無級調(diào)速、可實現(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)帶動較大負(fù)載啟動時，會有較大的沖擊電流，若采用變頻器控制，可以實現(xiàn)電動機(jī)的軟啟動，減小沖擊電流，從而解決了大負(fù)載的啟動問題。另外，變頻器還具有很強(qiáng)的保護(hù)功能，在電機(jī)運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別（如電網(wǎng)瞬時電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，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)，將會使調(diào)速系統(tǒng)變得更加簡單。
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，以實現(xiàn)電機(jī)變速
運行的設(shè)備。變頻器一般由控制電路和主電路構(gòu)成。控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個部分，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?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪δ孀兤鞯拈_關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能，從而實現(xiàn)對主電路的控制。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際需要的各種頻率的交流電，從而驅(qū)動電動機(jī)的運轉(zhuǎn)。
3.4.3變頻調(diào)速的工作原理
當(dāng)在一臺三相異步電動機(jī)的定子繞組上加上三相交流電壓時，該電壓將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其速度由定子電壓的頻率所決定。當(dāng)磁場旋轉(zhuǎn)時，位于該磁場中的轉(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)電動勢和感應(yīng)電流，而此感應(yīng)電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場的作用而產(chǎn)生電磁力，即轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)。當(dāng)將三相異步電動機(jī)繞組的任意兩相進(jìn)行交換時，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的方向?qū)l(fā)生改變。因此，電動機(jī)的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。
異步電動機(jī)定子磁場的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動機(jī)的
磁極對數(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)定子磁極對數(shù)
一般情況下，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速可由下
式給出：
（3-2）
式中：n------------電機(jī)實際轉(zhuǎn)速
s------------轉(zhuǎn)差率（同步電動機(jī)時，s=0）
由式(2-2)可知，若改變參數(shù)f，s中的任意一個就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，即對異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。因此，可以通過改變該電源的頻率來實現(xiàn)對異步電動機(jī)的調(diào)速控制。從某種意義上說，變頻器就是一個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，是一種無級、平滑而又經(jīng)濟(jì)的調(diào)速方法。變頻時使電壓按不同規(guī)律變化，可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，以實現(xiàn)不同負(fù)載的要求，這些均早已被人們所認(rèn)識和掌握。隨著可控硅靜止變頻裝置的出現(xiàn)，解決了運行性能較為理想的變頻電源問題，使異步電動機(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)用開辟了新的途徑，特別是較為理想地解決了普通鼠籠式電動機(jī)的變頻調(diào)速問題。
因此，在本堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中，我們選擇變頻調(diào)速的方式對電動機(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，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(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，由于堆垛機(jī)的運行是由曳引電動機(jī)來拖動的，因此曳引電動機(jī)正反轉(zhuǎn)動的角度也就決定了它所移動的距離，如圖3-5所示。
在曳引電動機(jī)軸上安裝一個光電盤，盤上同一圓周上均勻地打上許多小孔，曳引電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光電盤也跟著旋轉(zhuǎn)，光電編碼器根據(jù)轉(zhuǎn)過小孔的數(shù)量，發(fā)出相應(yīng)數(shù)量的脈沖信號，這樣只要計算出脈沖數(shù)，就可知道堆垛機(jī)運行的距離，也就是堆垛機(jī)的實際位置。
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糜嫈?shù)單元，可用編碼器測取堆垛機(jī)運行過程中的準(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，安裝限位開關(guān)的定位方法，不僅廢工廢料，而且每個開關(guān)的實際安裝距離，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)過給定速度曲線的計算，得