基于PLC的櫥柜型立體倉庫及其搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì).doc

基于PLC的櫥柜型立體倉庫及其搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)摘要：設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化立體倉庫采用PLC控制來精確地識別各工位上是否有工件，以確定取/放工件；采用氣動(dòng)方式控制換向閥使機(jī)械手完成各種動(dòng)作，如伸出，收回，沿左右方向旋轉(zhuǎn)，已完成去放工間的動(dòng)作，即完成收貨存貨取貨發(fā)貨；采用電動(dòng)方式來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手沿同步帶運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在貨架每層各工位之間的各種操作；并能使機(jī)械手沿兩立柱上下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在各層之間的操作。關(guān)鍵詞：櫥柜式立體倉庫，搬運(yùn)機(jī)械手，PLCThe Design of the Automated Warehouse and Its Manipulator Based on PLCAbstract: Automated warehouse is a high-level shelf storage of goods, with lifting, handling, transport machinery and equipment to carry out cargo warehousing operations. An automated warehouse which uses PLC to control the precise identification of all workers on whether there is a workpiece to determine admission / release the workpiece. It use pneumatic control valve to complete a variety of mechanical hand movements, such as extending, recovering, moving along about the direction of rotation etc. To complet the receipt - inventory - pickup shipments action. The machinery hand move along the belt in order to achieve mechanical hand in every shelf between the workers of the various operations and make mechanical hand column from top to bottom along the two campaigns drived by electrical, which will make mechanical hand moving between the layers operation.Keywords: Automated Warehouse, Manipulator, PLC1.前言 自動(dòng)化立體倉庫及搬運(yùn)裝置是以計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，能自動(dòng)完成存儲和取料的系統(tǒng)。是企業(yè)信息管理系統(tǒng)的重要組成部分之一，它的主體是自動(dòng)化立體倉庫。自動(dòng)化立體倉庫是指采用高從貨架存儲貨物，用起重、裝卸、運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備進(jìn)行貨物出入庫作業(yè)，有電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理和控制，不需人工搬運(yùn)作業(yè)而實(shí)現(xiàn)收發(fā)作業(yè)的倉庫。目前，自動(dòng)化立體倉庫在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)相當(dāng)普遍，日本式自動(dòng)化立體倉庫發(fā)展的最快也是建造數(shù)量最多的國家。此外，美國，德國，意大利等國家也建造了許多自動(dòng)化立體倉庫。自動(dòng)化立體倉庫發(fā)展至今，在設(shè)計(jì)、制造、自動(dòng)化控制和計(jì)算機(jī)管理方面的技術(shù)日益成熟。條形碼技術(shù)、掃描技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)與來越多的應(yīng)用于物流傳輸系統(tǒng)。在倉儲和產(chǎn)品發(fā)送中發(fā)揮越來越重要的作用。隨著氣動(dòng)伺服技術(shù)的發(fā)展，使氣*山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2009FQ026)缸在行程內(nèi)的任意位置上的定位成為可能。日本SMC公司和德國FESTO公司等都開發(fā)出了可在任意位置定位的氣缸，其定位精度可以達(dá)到士0.5mm以內(nèi)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，氣動(dòng)機(jī)械手的功能和性能不斷改善和提高，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。氣動(dòng)-伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，是氣動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了在任意位置的定位，大大擴(kuò)展了其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。目前氣動(dòng)機(jī)械手主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。本文設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化立體倉庫采用PLC控制來精確地識別各工位上是否有工件，以確定取/放工件；采用氣動(dòng)方式控制換向閥使機(jī)械手完成各種動(dòng)作，如伸出，收回，沿左右方向旋轉(zhuǎn)，已完成去放工間的動(dòng)作，即完成收貨存貨取貨發(fā)貨；采用電動(dòng)方式來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手沿同步帶運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在貨架每層各工位之間的各種操作；并能使機(jī)械手沿兩立柱上下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在各層之間的操作。2. 櫥柜式立體倉庫及其搬運(yùn)機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)要求櫥柜式立體倉庫總體高2米，寬0.5米，長1.5米，總共有8個(gè)貨架，分四層，每層2個(gè)工位，且每個(gè)貨架最大可承受5kg的重量。搬運(yùn)機(jī)械手可以完成立體倉庫內(nèi)各個(gè)工位間工件的搬運(yùn)，由庫取件，向庫放件，以及取放件等動(dòng)作，該機(jī)械手采用氣壓方式驅(qū)動(dòng)機(jī)械手做夾緊、伸縮和旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手做上下運(yùn)動(dòng)和左右運(yùn)動(dòng)。并能實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。工件的定位與限位采用由裝有霍爾傳感器磁鐵帶雙V型槽的方型料盤盛放，料盤的后方有對應(yīng)位置的霍爾傳感器識別。立體倉庫采用貨架結(jié)構(gòu)，后側(cè)有配裝透明有機(jī)玻璃的雙開門；兩側(cè)同樣配裝透明有機(jī)玻璃，前面敞開，便于觀察和工作的零件取放；下部為封閉的控制箱，后側(cè)設(shè)置雙開門，方便控制元?dú)饧陌惭b、調(diào)整、維修。總體方案如下圖所示：圖1 櫥柜式立體倉庫及搬運(yùn)裝置總體結(jié)構(gòu)圖3. 立體倉庫及其搬運(yùn)機(jī)械手的機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 3.1自動(dòng)化立體倉庫的設(shè)計(jì)：立體倉庫也要有足夠的剛度來支撐工件以不致被工件壓變形。具體設(shè)計(jì)由如下圖所示：圖2 櫥柜式立體倉庫結(jié)構(gòu)圖搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)搬運(yùn)機(jī)械手主要包括由夾緊氣缸、伸縮氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸組成的氣動(dòng)機(jī)械手部分和支撐氣動(dòng)機(jī)械手做水平和上下移動(dòng)的水平導(dǎo)軌和立柱部分組成。通過順序控由三個(gè)氣缸的動(dòng)作以完成立體倉庫的收貨、存貨、取貨、放貨等動(dòng)作，并承載工件的重量，所以要求機(jī)械手的結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度與剛度。具體設(shè)計(jì)由如下圖所示：三維移動(dòng)裝置安裝在立體庫敞開的前面一側(cè)，有Z向（垂直）直線移動(dòng)單元，通過交流伺服電機(jī)。方型蝸輪蝸桿減速器驅(qū)動(dòng)直線單元內(nèi)部的齒型帶輪機(jī)構(gòu)，由直線導(dǎo)軌精確導(dǎo)向，通過固裝在齒型帶上的滑板上下移動(dòng)，由于交流伺服電機(jī)該單元可以實(shí)現(xiàn)上下動(dòng)作的精確位移，實(shí)現(xiàn)對上下8層庫位取放零件的高度匹配。X向（橫向）左右兩工位的移動(dòng)是通過直流電機(jī)，減速器驅(qū)動(dòng)齒型帶輪，由直線導(dǎo)軌精確導(dǎo)向，通過固裝在齒型帶上的滑板裝置左右移動(dòng)，有分裝在左右兩工位對應(yīng)位置的位置傳感器，實(shí)現(xiàn)取放左右兩工位工件的精確定位。Y向（前后）的動(dòng)作是通過伸縮滑臺氣缸、180o回轉(zhuǎn)氣缸、H型平行手抓氣缸按即定的動(dòng)作順序完成工件從庫中向傳輸線或者由傳輸線向庫中輸送和取放工件。3.2氣缸部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1夾緊氣缸與旋轉(zhuǎn)氣缸夾緊氣缸的基本原理與伸縮氣缸相似，只是夾緊氣缸的動(dòng)力要通過傳動(dòng)杠桿傳給卡爪來完成，最終將壓縮空氣的能量通過活塞桿與傳動(dòng)杠桿傳給氣爪來實(shí)現(xiàn)對料盤的夾持。旋轉(zhuǎn)氣缸中采用單葉片式。單葉片輸出軸擺動(dòng)角度大，小于360度，它是由葉片軸輸出轉(zhuǎn)子、定子、缸體和前后端蓋等組成。定子和缸體固定在一起，葉片和轉(zhuǎn)子連在一起。葉片軸密封圈整體硫化在葉片軸上。在定子上有兩條氣路，單葉片左路進(jìn)氣時(shí)，右路排氣，壓縮空氣推動(dòng)葉片帶動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之，做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。氣缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示：圖4夾緊氣缸結(jié)構(gòu)圖1-卡爪，2-螺釘，3-連接塊，4、5-螺釘，6進(jìn)氣口，7-出氣口夾緊氣缸的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)氣缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 鍵，2 軸，3-分度裝置，4-墊片5-密封圈，6-螺釘，7-銷，8-擋塊，9-缸體，10-軸承圖5 旋轉(zhuǎn)氣缸結(jié)構(gòu)圖4.立體倉庫及其搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制立體倉庫及其搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制采用西門子PLC，可以順序控制氣缸換向閥以及伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的取貨-放貨-倒貨等動(dòng)作，下圖為西門子PLC接線圖及各端子定義。圖6 立體倉庫及其搬運(yùn)機(jī)械手PLC接線圖控制電機(jī)的選擇電動(dòng)機(jī)的選擇是要根據(jù)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來選擇的，其依據(jù)是由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推薦伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量機(jī)械進(jìn)給裝置折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相匹配的合理關(guān)系為 和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算為各零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為各零件對轉(zhuǎn)動(dòng)軸的半徑。3.選擇電動(dòng)機(jī)型號由所以電動(dòng)機(jī)型號選為FANUC5-0型（交流伺服電動(dòng)機(jī)），重量m=0.5kg，p=0. 2kw,最高轉(zhuǎn)速n=3000r/min 5.結(jié)論櫥柜式立體倉庫及其搬運(yùn)機(jī)械手是可以實(shí)現(xiàn)立體倉庫的自動(dòng)存儲與取料的系統(tǒng)，采用PLC控制來精確地識別各工位上是否有工件，以確定取/放工件；采用氣動(dòng)方式控制換向閥使機(jī)械手完成各種動(dòng)作，如伸出，收回，沿左右方向旋轉(zhuǎn)，已完成去放工間的動(dòng)作，即完成收貨存貨取貨發(fā)貨；采用電動(dòng)方式來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手沿同步帶運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在貨架每層各工位之間的各種操作；并能使機(jī)械手沿兩立柱上下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在各層之間的操作。它不僅可以減輕勞動(dòng)力的工作強(qiáng)度，還可以與原料和產(chǎn)品的信息共享，減少庫存等，可以使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益提高，最終在市場上占有一席之地。參考文獻(xiàn)：1 陳劼, 孫小明. 自動(dòng)化立體倉庫的優(yōu)化設(shè)計(jì)J