3343 柔性包裝機的設計

3343 柔性包裝機的設計,柔性,裝機,設計 本科學生畢業(yè)設計柔性包裝機的設計院 系 名 稱：機電工程學院專 業(yè) 班 級：機械設計制造及自動化 08-3 班學 生 姓 名：指 導 教 師：職 稱：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）是集成了自動控制技術、人工智能、計算機語言編程組態(tài)監(jiān)控等現(xiàn)代化技術的生產(chǎn)設備。目前實踐教學作為教學過程中的一個環(huán)節(jié)，是工科院校培養(yǎng)跨世紀創(chuàng)造性人才必不可少的。為配合卓越工程師試點工作中的課程改革，結合教學研究任務，本設計針對學校實驗室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉庫環(huán)節(jié)進行實驗前期準備工作。本設計主要由三層 12 倉位的立體倉庫和四自由度碼垛機械手兩部分組成。其中碼垛機械手由機械傳動部分和電氣控制兩部分組成，電氣控制是由西門子 S7-200 CPU224XP 型可編程控制器 (PLC)、步進電機驅動器、開關電源、位置傳感器等器件組成。在設計過程中，不斷參閱相關電氣設計規(guī)范的資料，參照現(xiàn)有的碼垛機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)設計，并應用組態(tài)軟件制作監(jiān)控仿真界面。關鍵詞：柔性制造系統(tǒng)；碼垛機；立體倉庫；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 柔性包裝機的設計的概述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2.1 柔性包裝機的設計在國外的研究現(xiàn)狀 ??????????????????????????????????????????????????????????11.2.2 柔性包裝機的設計在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 ??????????????????????????????????????????????????????????21.2.3 柔性包裝機的設計的發(fā)展趨勢 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????31.3 課題的主要研究內(nèi)容 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3第 2 章柔性包裝機的設計的總體方案設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????42.1 柔性包裝機的設計的總體框圖 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42.2 柔性包裝機的設計的結構組成 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52.3 柔性包裝機的設計的控制方案 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.3.1 柔性包裝機的設計的控制功能要求 ??????????????????????????????????????????????????????????????62.3.2 柔性包裝機的設計的控制方案確定 ??????????????????????????????????????????????????????????????62.3.3 柔性包裝機的設計的定位方案確定 ??????????????????????????????????????????????????????????????72.4 本章小結 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9第 3 章柔性包裝機的設計的硬件設計選型及介紹 ??????????????????????????????????????????????103.1 電動機的計算選取 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????103.1.1 柔性包裝機的設計的已知參數(shù) ????????????????????????????????????????????????????????????????????103.1.2 根據(jù)已知參數(shù)對電動機的選型計算 ????????????????????????????????????????????????????????????103.2 步進電機驅動器的介紹 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????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 導軌的形式介紹 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????143.5 滾珠絲杠的介紹 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????153.6 本章小結 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15第 4 章柔性包裝機的設計的軟件設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????164.1 編程軟件介紹及使用 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????164.2 柔性包裝機的設計的 PLC 程序設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????184.2.1 柔性包裝機的設計的工作流程 ????????????????????????????????????????????????????????????????????184.2.2 柔性包裝機的設計的軟件設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????204.3 本章小結 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37第 5 章 組態(tài)王仿真畫面的設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????385.1 組態(tài)王監(jiān)控軟件介紹 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????385.2 組態(tài)王監(jiān)控軟件仿真設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????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)畫面及監(jiān)控元素的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????405.3 本章小結 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????45結論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????46參考文獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????47致謝 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????49附錄 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????501第 1 章 緒 論1.1 課題背景柔性包裝機的設計是自動化倉庫的主要搬運碼垛設備，而立體倉庫的產(chǎn)生和發(fā)展是現(xiàn)代物流體系的要求和信息技術進步的結果，它是在不直接進行人工干預的情況下自動地存儲和取出物流的系統(tǒng)，替代了人工搬運，只需定位抓起點和擺放點，兩點之間的軌道全由電腦控制，兩點直線運動，定位十分準確。自動化立體倉庫碼垛機是現(xiàn)代工業(yè)社會發(fā)展的高科技產(chǎn)物，可全天候作業(yè)，配備機械手可替代不少工人的工作量，由此每年能節(jié)省幾十萬的人力資源成本，達到減員增效的目的。生產(chǎn)上能迅速提高公司的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，同時還能減少人工搬運造成的出錯。對提高生產(chǎn)率、降低成本有著重要意義。柔性包裝機的設計是目前占地最小、效率最高、適應能力最強的碼垛機。碼垛機械手適應于化工、飲料、食品、啤酒、塑料、空調行業(yè)等生產(chǎn)企業(yè)，對各種紙箱、袋裝、罐裝、啤酒箱、瓶裝等各種形狀的包裝成品都適應。目前實踐教學作為教學過程中的一個環(huán)節(jié)，是工科院校培養(yǎng)跨世紀創(chuàng)造性人才必不可少的。為配合卓越工程師試點工作中的課程改革，結合教學研究任務，本設計針對學校實驗室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉庫環(huán)節(jié)進行實驗前期準備工作。以 PLC 為控制核心設計碼垛單元的 PLC 控制系統(tǒng)，并應用組態(tài)軟件制作監(jiān)控仿真界面。1.2 柔性包裝機的設計的概述1.2.1 柔性包裝機的設計在國外的研究現(xiàn)狀柔性包裝機的設計是隨著大型物流配送中心和自動化立體倉庫的發(fā)展起來的，物流這一概念是在 20 世紀 50 年代首先在美國形成的，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進步的結果。初期的立體倉庫使用的碼垛機以橋式起重機為基礎，這種碼垛機是從起重機的大梁上懸掛一個門架（立柱） ，利用門架的上下和旋轉來搬運貨物。1960 年左右在美國出現(xiàn)了巷道式碼垛機，這種堆垛機是在地面的導軌上行走，利用貨架上部的導軌防止傾倒，或者是在上部導軌上行走，利用地面導軌防止傾倒。在立體倉庫碼垛機的研發(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，1969 年出2現(xiàn)的聯(lián)機全自動化倉庫，特別是 1973 年建成了一座儲藏生鮮食物的冷藏庫，這是世界上第一座-40℃的極低溫倉庫，解決條件下碼垛機的可靠性和技術方面的問題，取得了引人矚目的成就。巷道式碼垛機逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式碼垛機。據(jù)不完全統(tǒng)計，美國擁有各種類型的自動化立體倉庫 20000 多座，日本有 38000多座，德國有 10000 多座，英國有 4000 多座，前蘇聯(lián)有 1500 多座。1.2.2 柔性包裝機的設計在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀我國第一臺橋式柔性包裝機的設計于 1963 年由北京起重運輸機械研究所研制，在20 世紀 70 年代初期開始，我國石油化工企業(yè)先后從日本、西德和意大利等國家引進了幾十臺碼垛機。其中除了從西德繆勒斯（MOLLERS）公司和意大利 OCME 公司引進幾臺外，其余大部分碼垛機均是從日本 OKURA 公司和不二公司進口的。到 80 年代初期，我國一些企業(yè)和科研單位，在消化、吸收引進技術的基礎上，相繼設計、研制出幾種不同類型的碼垛機，并用于聚乙烯、聚丙烯、化肥等粉粒產(chǎn)品包裝碼垛生產(chǎn)線上，為碼垛機的國產(chǎn)化開創(chuàng)了良好的開端。當時主要生產(chǎn)廠家有宜昌地區(qū)機械廠、常州化工機械廠、哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所和沈陽運輸機械廠等單位。從 80 年代初期開始，我國一些科研生產(chǎn)單位即著手設計研制輥道式碼垛機。當時主要以仿型為主，即按國外同類型碼垛機的型式，并結合國內(nèi)的制造水平進行設計研究的，為國產(chǎn)碼垛機奠定了雛形。到 80 年代中期，我國一些科研、設計和生產(chǎn)單位，開始設計研制氣墊式碼垛機。這種機型仍以仿型為主。該機型具有結構較緊湊、自動化水平高，運行動作靈活、成垛性能好、外形比較美觀等特點。但這種機型與國外同類先進水平相比，仍有一定的差距。80 年代后期，我國一些科研單位設計研制出一種機器人全自動碼垛機。該機是在輥道式碼垛機的基礎上，通過高架機械手進行碼垛作業(yè)的一種機型。其處理能力為 600~800 袋/時。哈工大機械人研究所于 1988 年研制的包裝碼垛生產(chǎn)線，從 1992 年 6 月安裝在大慶石化總公司投產(chǎn)運行后，經(jīng)過二年半的生產(chǎn)使用，證明運行情況良好，深得用戶好評。該所在此基礎上，又以國外最新產(chǎn)品性能為目標，開發(fā)生產(chǎn)了一套第二代自動包裝碼垛生產(chǎn)線，并且于 94 年 10 月安裝在齊魯石化總公司投產(chǎn)運行；還計劃再上二套碼垛生產(chǎn)線。同年 11 月又在天津聯(lián)合化學有限公司安裝了二套自動化包裝碼垛生產(chǎn)線。此后，自動化物流的開發(fā)與應用得到了很大發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到 2006年底，全國自動化立體庫的保有量已超過 500 座。2006 年建設的自動化立體庫在 80座以上，主要集中在機械制造、汽車、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，整個市場有了很大發(fā)展。31.2.3 柔性包裝機的發(fā)展趨勢縱觀世界各國碼垛機的發(fā)展的現(xiàn)狀，對今后的動向，可歸納如下：(1) 重視“三化” ，逐步采用國際標準。所謂 “三化”，是指碼垛機的標準化、系列化和通用化。貫徹“ 三化”可以縮短設計周期，保證產(chǎn)品制造質量，便于管理和提高經(jīng)濟效益。世界上許多國家，不僅重視產(chǎn)品的“三化 ”工作，而且非常注意采用國際標準（ISO） 。有的國家甚至廢除本國標準而直接采用國際標準，其目的是為了促進商品的國際交流。(2) 實現(xiàn)產(chǎn)品的機電一體化。機械產(chǎn)品需要更新?lián)Q代。在當今計算機技術、自控技術和數(shù)顯技術大發(fā)展的年代里，更新?lián)Q代的重要標志是實現(xiàn)產(chǎn)品的機電一體化。在碼垛機上應用計算機技術，可以提高作業(yè)性能，增加安全性，以至實現(xiàn)無人自動操作。(3) 人機工程學的應用。碼垛機一般應用在沉重、忙碌、環(huán)境比較差的場合。為了減少人員的作業(yè)強度，保證持久旺盛的體力和注意力，應該根據(jù)人機工程學的理論，設計導動裝置和人員輔助裝置，改善振動與噪聲的影響，以使最少、最合理的投資，獲得最佳的使用效果，使設備發(fā)揮最大的效率。1.3 課題的主要研究內(nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容是教學用倉儲機械手碼垛機的自動控制及組態(tài)軟件的監(jiān)控仿真，主要包括以下幾個方面：(1) 深入研究實際工作過程中碼垛機的工作情況，理解其工作原理；(2) 根據(jù)參數(shù)選擇電機，確定控制方案。進行控制系統(tǒng)的總體設計；(3) 根據(jù)總體方案的設計，設計電器控制的原理框圖；(4) 進行 PLC 的選型，進行硬件系統(tǒng)的設計并對 I/O 分配；(5) 針對每一部分的硬件設計，進行軟件部分設計，PLC 控制程序的編寫及調試；(6) 應用組態(tài)軟件制做監(jiān)控仿真操作界面。4第 2 章柔性包裝機的總體方案設計2.1 柔性包裝機的設計的總體框圖 上 位 機 (PC)輸入 SIMATC7-20 NPU4X1D3B8輸出操 作 面 板行 程 開 關倉 格 工 件檢 測 開 關 步 進 電 機驅 動 器電 磁 閥輔 助 器 件圖 3.1 總體框圖圖 3.1 為采用西門子 S7-200 PLC 作為主控制器的碼垛機總體框圖。一臺 PC 作為上位監(jiān)控機通過 RS232/485 通信端口與 PLC 相連，可以對整個系統(tǒng)進行全面的監(jiān)控管理。本設計只針對 PLC 的控制設計，其輸入都有啟動按鈕、停止按鈕、單機聯(lián)機切換開關、急停等操作面板上的操作開關，還有碼垛機的行程限位開關和立體倉庫上12 個倉格有無貨物的檢測開關。其輸出包括 4 個步進電機驅動器的脈沖和方向輸出，以及碼垛機上氣動機械手夾取松開的電磁閥和一些輔助的設備（例如啟動停止的指示燈） 。4 個步進電機驅動器5分別驅動 4 個步進電機，這 4 個步進電機分別用于控制碼垛機的 X 軸、Y 軸、Z 軸的移動和 1 個機械手的轉動。2.2 柔性包裝機的結構組成本課題是針對學校實驗室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉庫環(huán)節(jié)進行實驗前期準備工作而設計的。實驗裝置由機械部分、電氣部分和操作臺組成，模擬了碼垛機在一個有 12 倉位的立體倉庫的工作情況。碼垛機是由三個直線電控工作臺以及一個旋轉工作臺外加一個氣動手爪組成。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。碼垛機的構成表 2.1。其中 I 軸和 II 軸除行程不一致外，本身結構形式完全相同，均采用了光軸導軌支撐，滾珠絲杠傳動的結構。這種結構的特點是承載能力高，安裝方便。III 軸是垂直的升降軸，因為相對承載低，故采用光軸支撐，滾珠絲杠傳動的結構。三個軸互成直角組合搭建而成。也就是典型的直角坐標機器人。工業(yè)上經(jīng)常用到這種結構。IV 軸為旋轉軸，通過支架與 III 軸活動平臺連接。結構為蝸輪蝸桿形式。所有直線工作臺在此系統(tǒng)中都采用步進電機驅動，通過聯(lián)軸器與絲杠端連接。表 2.1 柔性包裝機的設計構成介紹軸 構成 動作范圍步進電機聯(lián)軸器滾珠絲杠I光軸導軌280mm步進電機聯(lián)軸器滾珠絲杠II光軸導軌300mm步進電機聯(lián)軸器滾珠絲杠III光軸導軌350mm步進電機IV蝸輪蝸桿±100°62.3 柔性包裝機的控制方案2.3.1 柔性包裝機的控制功能要求碼垛機是立體倉庫貨物存取任務的最終執(zhí)行者，其主要動作包括：(1) 碼垛機沿貨架（ I 軸方向）的左右運動；(2) 碼垛機接近和遠離貨架（II 軸方向）的前后運動；(3) 碼垛機沿立柱（ III 軸方向）的上下升降運動；(4) 安裝在碼垛機上機械手的轉動（IV 軸） ；(5) 安裝在碼垛機上機械手的加緊和放松。因此，碼垛機單元的自動控制主要應包含以下幾方面的內(nèi)容：(1) 手動控制功能：僅能通過控制面板的按鈕進行啟動、停止、急停等控制操作；(2) 自動控制功能：當手動按下啟動按鈕時，要求碼垛機應能完成復位動作以及貨物的自動入庫任務。碼垛機運動的情況下，碼垛機要運動到碼垛位和抓取位，其中的坐標點必須有一個參考系，并且，在系統(tǒng)斷電的時候，為防止系統(tǒng)丟掉原點信息，以及當系統(tǒng)以外停機或發(fā)生故障的時候需要系統(tǒng)具有原點復位功能。(3) 安全保護功能：實時監(jiān)測各關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。2.3.2 柔性包裝機的控制方案確定在當今的工業(yè)控制領域，有相當多的控制手段和設備，比如：繼電器控制、PC控制、單片機控制、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)，其主要構成是以 PLC 控制器為核心，運用其強大的 I/O功能，完成其與 HMI（人機接口）的通信，其主要優(yōu)點是編程比較簡單，對使用者的要求不高，且其抗干擾能力比較強大，運行非常穩(wěn)定，主要缺點是不能實現(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)是主要由計算機（一般是工控機）完成主要的算法和碼垛機器人運動路徑規(guī)劃以及結合運動控制器來控制電機運動，由于基于 PC 機，故可以可7使用高級語言編程，其靈活性比較高，可完成比較復雜的控制功能，其缺點是開發(fā)周期比較長，且對開發(fā)者要求比較高。綜上所述，PLC 作為一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置，具有其獨特的優(yōu)點。本設計針對學校實驗室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉庫環(huán)節(jié)進行設計的，規(guī)模相對于工業(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 柔性包裝機的定位方案確定柔性包裝機定位控制方法很多，現(xiàn)就幾種典型方法介紹如下：(1) 常規(guī)的限位開關定位方法柔性包裝機在運行過程中，要先確定目前的位置，然后才能根據(jù)目標信號決定控制狀態(tài)。例如：碼垛機到某一層需要停下來時，首先在接近這一層時，要先從高速狀態(tài)減速，到達平層位置時，再停車準備存取貨物。因此，我們通常在每一層井道上安裝三個限位開關，即上、下平層限位開關和平層限位開關。如圖 2.1 所示，當碼垛機在上升時，首先碰到下平層限位開關，此信號送到 PLC輸入端，PLC 向變頻器發(fā)出減速信號，變頻器按照預先設定的減速曲線，控制碼垛機開始減速，當停下時，進入貨物存取狀態(tài)。圖 2.1 平層開關示意圖(2) 認址片的定位方法采用認址片的定位方法時，準確地認址定位是正確存取貨物的關鍵。認址片結構如圖 2.2 所示，認址方法如下：在巷道地基上相對于每列貨格安裝固定的認址片（擋板） ，在碼垛機底部安裝 4 個光電開關（GDl 和 GD2）與（GD3 和8GD4）隨碼垛機一起前后運動，每經(jīng)過列貨格，光電開關通過認址檔板發(fā)出脈沖信號到 PLC 從而達到列認址目的。同樣，在碼垛機立柱上相對于每層安裝認址片，在其升降臺安裝光電開關（GD5 和 GD6）隨升降臺一起上下運動，達到層認址的目的。光電開關的脈沖輸入信號作為 PLC 內(nèi)部認址計數(shù)器的計數(shù)信號，計數(shù)器的當前值作為速度控制的依據(jù)。當碼垛機到達目標貨格即計數(shù)器的計數(shù)值計到零時，發(fā)出停車信號使其停止運行。圖 2.2 認址片結構升降臺上的光電開關又用 PLC 內(nèi)部的計數(shù)器接收光電脈沖，升降臺每經(jīng)過一層，計數(shù)器減 1 計數(shù)，從而達到層方向認址的目的。碼垛機對其定位精度要求是比較高的，一般誤差不超過 2mm。否則，由于誤差的積累，在貨叉存取貨物時易碰到貨架或發(fā)生其他事故。但當發(fā)出停車信號后，碼垛機由于慣性還會滑行一點，這樣，光靠計數(shù)認址很難達到精確定位的目的。為此我們把認址片結構做成如圖 2.2 所示的形式。用1 號光電開關作為認址計數(shù)開關，計數(shù)到零時發(fā)出停車信號，然后再利用 1 號和 2 號開關作精確定位。如果 1 號與 2 號開關同時有信號，說明已停準；如果只 2 號開關有信號，說明己超過，點動碼垛機回退，再檢測比較；如果只 1 號開關有信號，說明還未到中心點，點動碼垛機前進，再檢測比較。這樣達到準確定位的目的。(3) 采用 PLC 脈沖串輸出與步進驅動結合的定位方法9圖 2.3 PLC 脈沖串輸出與步進驅動器結合PLC 脈沖串輸出與步進驅動結合使用的控制系統(tǒng)，具有可靠性高、可實現(xiàn)精確定位等優(yōu)點，適合于小功率驅動系統(tǒng)。西門子 PLC 提供有開環(huán)運動控制的三種方式：脈寬調制（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)置于西門子 PLC 的 PTO 和 EM253 位控模塊都使用一個脈沖串輸出用于步進電機或伺服電機的速度和位置控制，如圖 2.3。西門子 PLC 對步進電機轉動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，安裝限位開關或認址片的定位方法，不僅廢工廢10料，而且每個開關或認址片的實際安裝距離，均不可避免地存在一定量的誤差，使得系統(tǒng)的安裝調試變得復雜，而且定位質量難以保證。一旦系統(tǒng)要求改造，又要重新進行安裝工作。而采用 PLC 脈沖串輸出與步進驅動器結合的定位方法，通過 PLC 其發(fā)出的脈沖數(shù)可以很容易地確定碼垛機的當前位置，這種碼垛機的位移定位方法具有定位精度高、適應性強的優(yōu)點，因此，采用此方案對碼垛機進行定位。2.4 本章小結本章針對立體倉庫中柔性包裝機的控制系統(tǒng)進行了方案設計。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的定位方法后，并結合本設計的實際要求，選擇了定位精度更高，控制方法更加靈活的定位方案——通過 PLC 其發(fā)出的脈沖數(shù)和步進電機驅動器結合定位的方法。11第 3 章柔性包裝機的硬件設計選型及介紹本章將詳細分析系統(tǒng)中各個組成硬件的原理與特點，并根據(jù)貨物存儲系統(tǒng)的實際工作環(huán)境，選擇適合本系統(tǒng)的設備型號以及參數(shù)，完成碼垛機單元的硬件設計。3.1 電動機的計算選取3.1.1 柔性包裝機的已知參數(shù)作為整個堆垛機系統(tǒng)的運動速度驅動者，電動機的合適選取十分重要。針對該立體倉庫的實際工作情況，設計的堆垛機系統(tǒng)應當滿足以下參數(shù)要求：工作臺的質量： kg；401?m工件質量： kg；2最高速度： m/s；.axv加速時間： s；01?t減速時間： s；2.3絲桿導程： 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)對電動機的選型計算先求加速度： m/s06.2/1.0/max??tv垂直方向軸向力計算：上升加速時 fagFa ??)()(2121N3.419206.5048.9504???上升勻速時 fa?)(212N9.1.?上升減速時 famgFa ???)()(21213N47.1206.5048.9504???下降加速時 fa?)()(2121N.3..?12下降勻速時 fgmFa???)(215N9.37608.940??下降減速時 faa )()(21216N3.7920.54.5????水平運動時 fmgFa??)()(21217?N81.6.8.90. ??通過計算分析可以清楚地發(fā)現(xiàn)，碼垛機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的力 計算轉矩選取電動機，就可以滿足其它運動1aF對于電動機轉矩的要求。N·m37.092/053.4192/ 3max ???????pFT通過表 3.1 可選 BS57HB41-02 型步進電動機表 3.1 步進電機型號具體參數(shù)型號 步距角 （° ） 保持轉矩（N·m） 額定電流 （A） 相電阻（ Ω） 相電感（mH） 轉子慣量（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 275133.2 步進電機驅動器的介紹圖 3.1 YKA2404MA(B)步進電機驅動器YKA2404MA(B)步進電機驅動器如圖 3.1，是一款經(jīng)濟、小巧的等角度恒力矩細分型高性能步進驅動器，驅動電壓 DC12-40V，采用單電源供電。適配電流在 4.0A以下，外徑 42-86mm 的各種型號的二相混合式步進電機。該驅動器內(nèi)部采用雙極恒流斬波方式，使電機噪音減小，電機運行更平穩(wěn)；驅動電源電壓的增加使得電機的高速性能和驅動能力大為提高；而步進脈沖停止超過100ms 時，線圈電流自動減半，使驅動器的發(fā)熱可減少 50%，也使得電機的發(fā)熱減少。用戶在脈沖頻率不高的時候使用低速高細分，使步進電機運轉精度提高，最高可達200 細分，振動減小，噪聲降低。YKA2404MA(B)步進電機驅動器的引腳功能說明如表 3.2.。表 3.2 YKA2404MA(B)步進電機驅動器的引腳功能說明標記符號 功 能 注 釋+ 輸入信號光電隔離正端 接+5V 供電電源+5V~+24V 均可驅動，高于+5V 需接限流電阻。D2=OFF 時為步進脈沖信號PUD2=ON 時為正向步進脈沖信號下降沿有效，每當脈沖由高變低時電機走一步。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 時為方向控制信號DRD2=ON 時為反向步進脈沖信號用于改變電機轉向。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。14MF 電機釋放信號 有效（低電平）時關斷電機線圈電流，驅動器停止工作，電機處于自由狀態(tài)。TM 原點輸出信號 電機線圈通電位于原點置為有效（B，-A 通電） ；光電隔離輸出（高電平） 。- 輸出信號公共地 TM 信號光電隔離公共地端，TM 端接輸出信號限流電阻，最大驅動電流 50mA，最高電壓 50V。+V 電源正極-V 電源負極DC12～40VAC、BC+A、-A+B、-B電機接線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碼垛過程中，需要完成對砌塊的夾緊、升降及水平搬運、旋轉等多個動作，動作頻繁且過程復雜。并且，在碼垛工作現(xiàn)場往往環(huán)境較為惡劣，所以為了保證生產(chǎn)過程平穩(wěn)有效地進行，就要求控制系統(tǒng)具有很好的可靠性以及很強的故障診斷能力。目前，市場上的主流控制系統(tǒng)是 PLC，它的特點是結構小巧、通用性好、運行速度快、可靠性高，非常適合于在高溫、振動、粉塵等環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)各種開關控制，所以選用 PLC 作為控制系統(tǒng)的核心部件。目前，市場上存在著種類繁多的大、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，幾乎可以滿足工業(yè)控制的各種需要。西門子（SIEMENS）公司的 PLC 產(chǎn)品包括 LOGO、S7-200、S7-300、S7-400 、工業(yè)網(wǎng)絡、HMI 人機界面、工業(yè)軟件等。西門子 S7 系列 PLC 體積小、速度快、標準化，具有網(wǎng)絡通信能力，功能更強，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)實際情況，初步計算，共有 26 個輸入、11 個輸出，根據(jù)控制要求以及所需的端子，因為數(shù)目較多，需要對 PLC 進行 I/O 擴展。在該碼垛機設備中選擇直流型S7-200 CPU224XP DC/DC/DC，以及一個 EM223（ 16 輸入/16 輸出）擴展模塊。總共有 30 個輸入和 26 個輸出，可以滿足控制需求。153.3.2 可編程控制器的 I/O 分配碼垛機自動控制過程，包含了多個環(huán)節(jié)，生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)之間都是緊密聯(lián)系，并非獨立存在，因此為了保證生產(chǎn)過程的順利進行，必須確保各環(huán)節(jié)適時配合和安全轉換。輸入信號能夠將碼垛機的工作狀態(tài)、操作及轉換信息等信號傳遞給 PLC。包含了啟動、停止、急停、單機聯(lián)機切換開關等操作的按鈕，還有 12 個倉位有無貨物的檢測開關。輸出信號主要是用來控制碼垛機設備的升降、進退、夾緊、旋轉等動作。根據(jù)碼垛機的實際情況，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 明 輸出端 說 明I0.0 單機狀態(tài)下啟動信號 Q0.0 碼垛機 X 軸驅動器脈沖信號I0.1 單機狀態(tài)下停止信號 Q0.1 碼垛機 Y 軸驅動器脈沖信號I0.2 急停 Q0.2 碼垛機 X 軸驅動器方向信號I0.3 單機/聯(lián)機切換開關 Q0.3 碼垛機 Y 軸驅動器方向信號I0.4 電控柜上電（接觸器吸合） Q0.4 碼垛機升降軸驅動器脈沖信號I0.5 底座 X 軸正向限位信號 Q0.5 聯(lián)機狀態(tài)下啟動信號I0.6 底座 X 軸負向限位信號 Q0.6 報警指示燈I0.7 底座 Y 軸原點信號 Q0.7 碼垛機升降軸驅動器方向信號I1.0 底座 Y 軸正向限位信號 Q1.0 碼垛機旋轉軸驅動器脈沖信號I1.1 底座 Y 軸負向限位信號 Q1.1 碼垛機旋轉軸驅動器方向信號I1.2 升降軸 Z 正向限位信號 Q2.0 氣爪電磁閥I1.3 升降軸 Z 負向限位信號I1.4 旋轉軸 4 正向限位信號I1.5 旋轉軸 4 負向限位信號I2.0 成品倉格 1 工件檢測開關I2.1 成品倉格 2 工件檢測開關I2.2 成品倉格 3 工件檢測開關I2.3 成品倉格 4 工件檢測開關16I2.4 成品倉格 5 工件檢測開關I2.5 成品倉格 6 工件檢測開關I2.6 成品倉格 7 工件檢測開關I2.7 成品倉格 8 工件檢測開關I3.0 成品倉格 9 工件檢測開關I3.1 成品倉格 10 工件檢測開關I3.2 成品倉格 11 工件檢測開關I3.3 成品倉格 12 工件檢測開關3.4 導軌的形式介紹一般負載較重或者帶有徑向扭矩的時候，都需要選擇導軌支撐的結構形式，導軌也有很多種類，一般和載重、價格、精度有關系，下面列舉幾種常用的典型滾珠導軌標準結構，說明一下各自特點和區(qū)別。交叉滾柱導軌為水平相對滑動，兩根導軌之間放置保持架與滾柱，這種導軌略顯粗糙，要求安裝精度較高，運動時易產(chǎn)生噪音。光軸導軌實際上是一根光軸通過螺釘連接安裝到相應弧度的支架上，上部裝有滑塊。這種結構簡便、經(jīng)濟。應用到長度及負載不大的場合。安裝方便。直線導軌是最普遍使用的，但造價較高，滑塊安裝時帶有預壓，消除間隙。要求為高精度高負載的場合使用。圓弧導軌實際是直線導軌的擴展，應用到特殊場合。這里注意的是，直線導軌的滑塊一般不能與導軌體脫離，否則滑塊內(nèi)滾珠將散落，難以恢復，造成損失。3.5 滾珠絲杠的介紹工作臺除導軌外，最重要的核心部件應該是滾珠絲杠。滾珠絲桿是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成，同直線導軌一樣，滾珠絲杠上的螺母與螺桿同樣不可分離，必須有專用的工具方可分離，否則滾珠散落。其特點：與滑動絲杠副相比驅動力矩為 1/3；高精度的保證；微進給可能；無側隙、剛性高；高速進給可能。3.6 本章小結本章針對碼垛機的實際工作環(huán)境，選擇了適合的相關設備，并進行了相應參數(shù)的計算，對碼垛機的控制系統(tǒng)進行了硬件方面的設計。分別從電動機、驅動器及其附屬17設備、PLC、導軌、滾珠絲杠等方面，并簡單的做了一些介紹。18第 4 章柔性包裝機的軟件設計一個完整的碼垛機是由硬件與軟件兩大部分組成的。要實現(xiàn)所要求的功能，除了完成硬件部分的設計，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，功能強大。不但可以開發(fā)程序和組態(tài)，也可以監(jiān)控程序的運行情況，設置工作方式等。STEP7-Micro/WIN 編程軟件是專為西門子公司 S7-200 系列小型機而設計的編程工具軟件，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 的實時通信，也可以實現(xiàn)計算機與PLC 之間進行程序的下載、上傳以及在線監(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19(1) PLC 選型和參數(shù)設置。編程之前需要確定 PLC 的型號，當 PLC 和計算機建立聯(lián)機，可以直接執(zhí)行“PLC”——“類型”——“讀取 PLC”，計算機可以自行讀出 PLC 的類型；如果沒有聯(lián)機，則可以執(zhí)行“PLC”——“ 類型 ”，選擇相應的 PLC 類型，如圖 4-2 所示。圖 4.2 PLC 類型選擇PLC 的參數(shù)設置一般使用系統(tǒng)塊進行設置，可以執(zhí)行“ 查看”——“組件” ——“系統(tǒng)快”，對各項參數(shù)的進行設置。(2) 程序編寫（梯形圖）符號表（Symbol Table）允許定義和編輯符號名，能在程序中用符號地址訪問變量，可以創(chuàng)建多個符號表。也可以在程序中使用系統(tǒng)定義的符號表。符號表還可以作為全局變量表進行參考。如圖 4-3 所示。還可以使用程序編輯器中的局部變量表來為子程序和中斷服務程序分別指定變量。圖 4.3 符號表單擊指令樹中的“ 程序塊”，選擇相應的程序（主程序或者子程序）選項，在狀態(tài)圖框中輸入用戶的控制指令，如圖 4-4 所示。20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，對所編程序執(zhí)行編譯功能。編譯完成后在信息窗口會顯示相關的結果，以便于修改。(4) 程序傳送當編程計算機和 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。點擊工具條中的“下載” 按鈕，或者選擇“文件”——“下載 ”，出現(xiàn)“下載” 對話框。4.2 碼垛機的 PLC 程序設計4.2.1 柔性包裝機的工作流程經(jīng)過分析設計碼垛機的工作過程，整理如下：(1) 上電后初始化數(shù)據(jù)；(2) 按下“啟動”按鈕，四自由度碼垛機械手開始動作；(3) 首先碼垛機械手開始復位動作；(4) 第一軸退到限位開關處尋找原點信號；(5) 第二軸左移到限位點后直接尋找原點，或者直接找到 2 軸原點信號；21(6) 第三軸退到限位開關處尋找原點信號；(7) 第四軸退到限位開關處尋找原點信號；(8) 當所有軸信號都找到原點信號后，系統(tǒng)停止等待“運行” 開始；(9) 按下“啟動”按鈕，碼垛機開始運行，首先碼垛機各軸運動到工件夾取位置處，然后碼垛機械手夾取工件，再將工件提升起來；(10) 判斷是否有空倉格，然后計算運動都指定倉格的脈沖數(shù)；(11) 各軸運動到倉格上方，放下貨物，松開機械手；(12) 碼垛機退回，復位。根據(jù)以上分析碼垛機的工作過程，制定流程圖如圖 4.5 所示。上 電 ， 初 始 化啟 動復 位碼 垛 機 運 動 到 工 件 夾 取 位 置機 械 手 夾 取 貨 物碼 垛 機 夾 取 工 件 上 升 判 斷 倉 庫 是 否 已 滿 ？計 算 倉 格 及 走 到 指 定 倉 格 的 脈 沖碼 垛 機 夾 取 工 件 運 動 到 倉 格 上 方是 否 已 復 位 ？ 碼 垛 機 夾 取 工 件 向 下 運 動 把 工 件 放 在 倉 格 上機 械 手 松 開 貨 物碼 垛 機 退 回 倉 格 入 口 處碼 垛 機 退 回 初 始 位 置 是是 否否圖 4.5 碼垛機工作流程圖224.2.2 柔性包裝機的軟件設計(1) 通過脈沖輸出向導的創(chuàng)建 PTO 指令子程序S7-200PLC 提供兩個脈沖發(fā)生器。一個被分配給數(shù)字量輸出點 Q0.0，另一個被分配給數(shù)字量輸出點 Q0.1。這里先以 Q0.0 為例進行配置，如圖 4.6 (a~h)所示。(a) 指定脈沖發(fā)生器23(b) 選擇線性脈沖串輸出 PTO(c) 電機速度設置(d) 加速減速時間設置24(e) 運動包絡定義(f) 新包絡25(g) 分配存儲區(qū)(h) 完成 PTO 配置圖 4.6 脈沖輸出向導26(2) 通過 EM253 位控向導創(chuàng)建 POS 指令子程序S7-200PLC 只提供兩個脈沖發(fā)生器，即 Q0.0 和 Q0.1，而碼垛機共有 4 個步進電機，需要 4 組脈沖輸出，因此擴展 2 個 EM253 位控模塊，其配置如圖 4.7 (a~m)所示。(a) 配置 EM253 位控向導(b) 設置模塊位置27(c) 使用相對脈沖數(shù)(d) 模塊輸入響應28(e) 電機速度設置(f) 電機點動速度設置29(g) 加速減速時間設置(h) 補償時間設置30(i) 參考點( j) 運動包絡定義31(k) 新包絡(l) 分配存儲區(qū)32(m) 完成 EM253 位控模塊配置圖 4.7 EM253 位控模塊向導根據(jù)脈沖輸出向導和 EM253 位控模塊配置向導建立好的指令子程序如圖 4.8 所示，使用時只需選取調用則可。圖 4.8 脈沖輸出指令子程序塊33(3) 編制 PLC 梯形圖根據(jù)圖 4.5 流程圖編制 PLC 梯形圖，碼垛機的啟動信號梯形圖如圖 4.9 所示，當上一環(huán)節(jié)完成時，變量 V32.0 閉合得電；如果單聯(lián)機切換開關 I0.3 閉合得電時處于單機狀態(tài)，此時按下單機啟動按鈕 I0.0 使其閉合得電，使其 V32.1 置位，V600.4 和V600.5 復位，V32.1 置位閉合后，定時器 T203 開始計時，0.2s 后 T203 動作閉合，碼垛機開始運行，Q0.2 復位等操作。圖 4.9 碼垛機啟動梯形圖34圖 4.10 為碼垛機到達工件夾取位置時機械夾取貨物的梯形圖。