微型自動化立體倉庫設計*

龔志遠

(華東交通大學，江西南昌330013)

自動化倉庫應用范圍很廣，幾乎遍布所有行業。本設計的微型自動化立體倉庫模型主要應用于機械及自動化等相關專業的實驗教學，使相關專業的學生了解自動化立體倉庫的基本結構、動作原理及控制過程，了解電氣控制、PLC的相關應用及通信實現的基本方法。掌握PLC的外圍電路設計、軟件設計流程等，也為自動化立體倉庫的具體實施拓展了技術參考途徑。

1 微型立體倉庫機械系統設計

機械系統包括:堆垛機水平走行、升降、貨叉伸縮3個運動方向的機構設計，每個運動方向的機構都包括滑動絲桿螺母副設計、軸承的計算與選型、滑動導軌的設計及計算校核、直流電動機的計算選型和聯軸器的設計計算等。

設計中采用直流電動機驅動滑動絲桿螺母副帶動工作臺在導軌上做直線運動，實現堆垛機水平走行距離為600 mm，移動速度為10 m/min，升降機構的升降距離為600 mm，移動速度為5 m/min，貨叉伸縮機構的伸縮距離為200 mm，移動速度為3 m/min。根據物料重量及加減速初始條件，計算X、Y、Z三個方向分力，根據計算的折算轉矩和折算轉動慣量，匹配3臺驅動電動機。計算為:

式中:Teq為折算轉矩;Fx為軸向力;L為絲杠導程;η為機械效率;Jeq為折算轉動慣量;Jm、Js為電動機及絲杠轉動慣量;m為移動部件質量。

工程中常采用解析法計算出回轉體零件的轉動慣量。

式中:d、B為回轉體直徑、寬度;γ、g為材料比重、重力加速度。

根據牛頓定理有:

式中:Tm為電動機輸出轉矩;α為電動機角加速度。

將式(1)、(2)代入式(3)可求出電動機需輸出的理論轉矩。

使用Pro/Engineer完成堆垛機零件三維實體建模后，進行虛擬裝配以檢驗總體結構設計尺寸的合理性及各零部件干涉，如圖1所示。

2 PLC控制系統設計

(1)PLC接口電路

微型立體倉庫采用PLC控制。根據立體倉庫的動作要求及I/O點數要求，選擇三菱FX2N型PLC，由此構建微型立體倉庫的控制接口圖，如圖2所示。

輸入模塊:X0－X14和X42、X43為按鈕輸入，用于選擇貨位號和存取貨物操作，X15－X33為行程開關輸入，用于移動部件的尋位、定位及超越控制，依靠移動部件的觸發行程開關，實現信號的開關量輸入。

輸出模塊:Y0－Y13為電動機的轉動和能耗制動輸出，通過邏輯控制繼電器的通斷，把電壓加載到電樞繞組，實現電動機的正反轉運行。停止時，控制相應的繼電器閉合電樞回路，依靠電動機的慣性轉動產生感應電流，實現能耗制動。Y30－Y33為LED顯示輸出，顯示時，74LS48譯碼器及外圍電路將PLC輸出的BCD碼開關量信號，轉換成七段碼電平信號控制LED顯示貨位號。

電源模塊:將220 V交流電變壓成36 V交流電，經過橋式整流成直流，再經穩壓輸出電路獲得可調的直流電供給3臺電動機、LED數碼管及繼電器。

(2)PLC程序結構

根據堆垛機的運行邏輯，可采用PLC步進順控編程方式，編寫狀態轉移圖及梯形圖。程序流程如圖3。

程序結構采用選擇性的取和存分支與匯合方式，計數模式是堆垛機尋找貨位主要方法，在9個貨位中，X和Y向各布局3個行程開關，貨位由X和Y向行程開關被觸發的次數確定。若選擇取貨指令時，水平移動電動機驅動移動部件觸發行程開關達計數器C0設定值，制動停止，轉成豎直電動機驅動移動部件觸發行程開關達計數器C1設定值，制動停止，轉成貨叉伸出，定時托起后回縮，移動部件回原點位，將物料放置暫存臺。貨位定位與行程開關被觸發的次數如表1。

表1 貨位號與行程開關被觸發的次數表

程序中，X4－X14閉合將貨位號0－9傳輸到D0，利用區間比較。當貨位號是1－3時，將D0賦值給D10，將1賦值給D20;當貨位號是4－6時，將D0減3賦值給D10，將2賦值給D20;當貨位號是7－9時，將D0減6賦值給D10，將3賦值給D20。D10和D20存儲的數據，是水平和豎直移動部件觸發行程開關的計數器C0和C1設定值，以此可準確指令電動機轉動的切換。

3 基于VB的控制軟件設計

使用VB編程可設計立體倉庫的上位機控制界面，完成界面控件加載及屬性設置后，對各控件編寫代碼，通過代碼來定義控件的動作的功能。控制界面包含貨位選擇、貨位顯示和操作控制區域。應用VB串行通信的MSComm控件，按照FX2N通信協議編寫通信代碼，可實現各控件與PLC編程口的串行通信。強制通斷表2中PLC的輸入口。操作控件和PLC輸入對應如表2所示。FXPLC通信協議如表3所示。表中:STX為開始標志;ETX為結束標志;CMD為通斷“7”和“8”的ASCⅡ碼;數據段為強制通斷PLC軟元件的計算地址，如本文中軟元件X實際地址為X0－X17，計算地址為0400～040F，X40－X57計算地址為0420～042F;SUMH、SUML為從CMD到ETX之間的各代碼的ASCII碼累加和的低兩位。

表2 操作控件和PLC輸入元件對應表

上位機控制(圖4)是通過通信將貨位選擇、存取和啟動等操作指令移植到PLC的軟元件X0－X14和X42－X43通斷上，由X42、X43選擇執行取和存分枝流程。啟動后，實現立體倉庫的動作控制。

表3 FXPLC通信協議

4 結語

微型立體倉庫作為教學使用設備，定位誤差為2～3 mm，可以滿足教學要求，是一個典型的機電一體化產品設計。系統主要涵括機械、控制電路和軟件三大模塊。應用Pro/Engineer三維實體建模和虛擬裝配，通過VB編制的控制軟件，按照FX2NPLC通訊協議，由PLC指令三軸電動機動作，實現取放貨。此設計具有機構簡單，易于控制，維護方便等特點。為機電實驗教學裝置規劃出一種經濟型的解決方案。

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