基于PLC的廂式貨物自動裝車系統的設計

韓以倫，丁道山，李 梅，邱鵬程，朱 倩

（山東科技大學 交通學院，青島 266510）

0 引言

目前物流運輸行業日漸繁榮，對人力及效率的要求日益提高。然而，我們發現許多廠家，在廂式貨物外運裝車時存在較大弊端。像海爾、澳柯瑪、格蘭仕等這樣的電器廠家及食品和藥品廠家，每天都會運出大量的箱式貨物。以某海爾工業園裝車為例，裝車時叉車先將需要裝車的冰箱、空調等箱式貨物運到裝貨站臺，然后由工人搬運到停靠在站臺的貨車上；裝車過程需要體格較好的裝車工3人左右，配合作業叉車1～2輛，裝車時間約6小時以上，大大限制了貨物的出貨速度，造成貨物積壓；另一方面，裝車現場繁雜，勞動強度較大，容易出事故。因此設計了一套箱式貨物輔助裝車設備來解決這個問題。

本課題所設計的是一套機電液一體化綜合性十分強的設備，在機械結構設計方面主要運用SolidWorks三維軟件進行結構設計，確保其結構合理、輕便、安全、便于加工制造與操作。電控部分主要采用三菱PLC實現程序控制，實現手動、自動的順利轉換，實現各個電機的剎車停車，各空壓閥的通斷；配合合理的機械和軟件監控系統，確保工作人員安全，降低設備和貨物受損幾率；盡量使工作人員便于操作控制。在電氣方面，通過嚴格的設計計算，選擇出合理的空壓設備，包括真空發生器、真空吸盤等，設計出合理的電氣原理圖。

1 機械系統

1.1 系統整體方案設計

箱式貨物自動裝車系統機械結構如圖1所示，主要包括貨物輸送系統和龍門式輸送機兩大部分。

圖1 自動裝車系統整體結構

貨物輸送系統實現貨物的定位和貨物的X向運動，將貨物送達裝車區。輸送系統由如下幾部分組成：卸跺機械手、條形碼掃描儀、貨物Y向定位機構、滾輪輸送機、滾動式鏈條輸送機。卸跺機械手在整個系統的頂端，負責把托盤上的貨物放到滾輪輸送機上；條形碼掃描儀對貨物上的條形碼進行掃描，讀取貨物信息；Y向定位機構確保貨物在Y向位置達到要求，實現貨物在Y向的定位；滾輪輸送機和滾動式鏈條輸送機可以將貨物送達裝車區，起到傳送作用。（注：全文做如下定義，X方向與車輛方向平行，Y方向與X方向垂直，Z向垂直地面）。

龍門式輸送機實現貨物的Y向動作，與剪切式機械手共同實現貨物的裝車作業。其由龍門架、固定導軌、同步帶傳動機構、跑動小車組成。固定導軌由鋪設在地面凹槽內的工字鋼組成；龍門架支腿安裝在跑動小車上，可以在導軌上實現X向精確動作；同步帶傳動機構在龍門架的頂端兩側，可以帶動剪切式機械手延Y向的動作。

剪切式機械手實現貨物的抓取及貨物Z向的升降，是與貨物的直接接觸部分，也是最終的執行機構。機械手由剪切式升降機構、吸盤組件組成。

1.2 系統工作流程

裝車前要進行系統的預先設定，主要包括三部分工作：一是錄入貨物及貨車信息；二是貨車的停靠；三是系統裝車初始位置確定。

完成以上裝車前準備工作后，系統進行正式裝車作業，系統工作流程如圖2所示。下面結合流程圖進行較詳細的流程敘述：

1）放置托盤貨物，用叉車將擺放整齊的貨物放到指定區域。

2）掃描貨物信息，卸跺機械手抓取貨物，移動貨物至掃描儀處，核對貨物出庫裝車信息，若有誤，系統報警，操作員介入處理，若無誤，進入下一流程。

3）機械手卸跺，機械手將信息核對無誤的貨物放置到滾輪輸送機上，此時滾輪輸送機并不運作。

4）貨物Y向定位，滾輪輸送機下方的光電傳感器檢測到有貨物放置后，輸出指令，貨物Y向定位機構動作，使貨物Y向實現位置確定，并且輸出動作完成信號。

5）輸送機運作，接到上一步動作完成信號后，滾輪輸送機啟動將貨物運送到鏈條輸送機上。

6）貨物X向定位，貨物X向定位是通過龍門架上的X向定位擋塊實現的，當貨物隨鏈條輸送機到達龍門架擋塊位置時，被擋塊攔截，從而實現貨物的X向定位。貨物X向定位好后，檢測傳感器給出信號。

7）剪切式機械手定位，剪切式機械手根據工作節拍會提前運動到貨物上方，當接到X向定位傳感器給出信號后機械手下降到貨物上方，然后控制吸盤吸取貨物。抓取傳感器會檢測貨物是否被吸盤吸起，若沒有吸起，機械手會再次下降到貨物上端重新吸取動作，直到抓取貨物為止。完成抓取動作后，機械手先Z向提升一段距離再Y向運動到貨車上，根據設定的參數將貨物送達指定裝車位置，真空吸盤放下貨物，完成一個裝貨過程。如此反復運作實現貨物的裝車。

2 氣壓傳動系統

2.1 氣壓傳動系統原理

本裝車系統氣壓傳動就是利用真空發生器產生真空吸附力，來抓取紙箱實現貨物的卸跺及裝車，動作流程并不十分復雜，只需要簡單的控制真空吸盤通斷即可。為保證貨物及設備人員安全需要考慮設置保護機制，并配備手動自動轉換控制功能。其氣壓原理圖如圖3所示。

圖2 系統工作流程圖

圖3 氣壓系統原理圖

2.2 主要氣壓元件的選擇

氣壓傳動回路中兩個最主要的元件就是真空泵和真空吸盤，這兩個元件的選擇設計是系統能否正常運轉的基礎。

1）真空吸盤

下面就本裝車系統工作情況進行真空吸盤的選擇設計：

取最大負載M=200kg，Z向提升加速度和Y向平移加速度均為2m/s2，12個吸盤同時作業。當真空吸盤處于水平位置，工件為Z向垂直運動時，吸盤保持力為：

當真空吸盤處于水平位置，且工件也為Y向水平運動時，吸盤保持力為：

式中：S為安全系數，取1.5；μ為摩擦系數，由工件表面條件決定，此處為粗糙表面取0.6。

根據吸盤保持力估算吸盤有效直徑：

式中：pu為吸盤真空度，取0.7bar，在式中乘以10換算成7N/cm2。

吸盤吸取的貨物為紙箱，表面平整，應選取標準型吸盤，本設計選擇CHELIC中國臺灣公司VB110(B)-12F(A)吸盤，其具體參數如表1所示。

表1 真空吸盤技術參數

2）真空泵

目前能夠產生真空的裝置種類比較多，產生真空的傳統裝置有吸氣式真空泵和送氣式真空泵，經過近幾年發展，目前又產生一種以空氣進入噴射嘴產生真空的方式，稱為真空發生器或者真空噴射器。真空發生器、吸氣式真空泵和送氣式真空泵在工作方式以及技術原理上有很大不同。通過對比計算兩種不同裝置，最終選擇JP-200V-220真空泵，其具體技術參數如表2所示。

表2 JP-200V-220真空泵技術參數

3 電氣系統設計

本裝車系統采用PLC控制，電氣控制系統設計是本裝車系統的核心部分。經過前面機械及氣壓系統的描述，我們知道，本裝車系統執行元件多，包含機器人、步進電機、三相電機、真空泵、吸盤。需要采集的反饋信號也多，包括條形碼掃描器、限位傳感器、光電傳感器、編碼器、真空開關。此外本裝車系統還配有遙控器、觸摸屏、手動自動轉換功能。

3.1 控制系統整體結構

3.2 選用PLC

PLC的選用主要考慮三個方面：

1）控制系統的復雜程度，有無復雜的運動控制，選用的功能模塊類型；

2）輸入輸出點數，計算出系統要占用的輸入輸出點，并且考慮到以后功能提升，一般預留約20%的點數，當然預留點數沒有確切規定，需要根據設計系統的實際情況來決定。

圖4 整體控制系統結構圖

3）存儲器容量的估算，根據程序復雜程度，輸入輸出點數、模擬量控制，等方面考慮。

表3 系統輸入輸出統計

根據表3統計的系統輸入輸出統計信息就可以發現系統接線控制特點，占用RS485通訊較多，除連接需要外，這樣也能節約PLC的I/O點數。系統占用25個輸入口、8個輸出口，考慮系統功能升級，綜合考慮選用FX2N-32MR-001系列PLC，再配一個FX2N-16EX輸入擴展模塊，通信適配器選用FX2NC-485ADP。

3.3 控制電路的設計

圖5 PLC輸入輸出圖

4 結論

1）能夠實現多種不同規格的貨物的裝車作業，只要將貨物的尺寸信息，裝車程序導入系統當中即可，裝車時根據貨物信息選擇裝車程序，即可完成相應貨物的裝車。

2）選用了較先進的運動控制方式，能實現貨物較緊密的裝車碼垛。

3）采用真空氣壓系統抓取貨物，使貨物抓取機構可靠、實用。

4）借鑒選用龍門式結構、剪切式結構使系統既能夠完全覆蓋所裝車輛，又比較簡單實用。

5）系統能夠與叉車、裝車環境很好的銜接起來，盡可能的使各部分的工作節拍匹配起來，提高工作效率。

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