一種基于PLC的堆垛機

宋佳妮

吉林電子信息職業技術學院 吉林 132024

0 引言

隨著自動化立體倉庫技術越來越成熟，自動化立體倉庫已廣泛應用于煙草、食品、制藥、郵政、印刷、電子等領域，并已在航空航天，金融和軍事領域得到了新的發展[1]。1960年前后，美國成功研發出堆垛機，最初的堆垛機沿著地面導軌行走，并利用地面導軌水平移動以防止傾斜[2]。現代化立體倉庫的出現，使堆垛機成為支持立體倉庫發展的特殊起重機。堆垛機的主要工作方式是在高架通道中來回往復運動，將需要存儲的物品存儲在貨倉隔間中，或是從貨倉隔間中取出貨物并將其運輸到目的地。隨著計算機控制技術和科學技術的進步，堆垛機的高度也在增加，到目前為止，堆垛機的高度可達40 m以上[3]。

傳統的堆放貨物方式采用人力和簡單的機械設備，不僅易使貨物存放不合理，降低空間利用率，還可能會造成工作人員的傷亡。在現代自動化立體倉庫系統中，多為機器運作，工作人員較少且多為機器的操作人員和日常維護人員，參與運輸堆垛的勞動人員很少。現代自動化立體倉庫系統與傳統的堆垛方式對比，不僅節省了勞動力，而且充分保證了人員的生命安全，改善了工作人員的工作環境。現代自動化立體倉庫機器運作時間長、效率高、事故少，可提高整個生產的勞動生產率，提升了經濟效益[4]。另外，堆垛機還大大降低了各存儲單元的能耗，符合現代工業發展趨勢，符合綠色節能理念。

因此，基于PLC的堆垛機的出現，能在提高工作效率的同時改善工作人員的勞動環境，減少工作人員不必要的傷亡。隨著技術的發展，未來更智能的堆垛機完全取代傳統堆垛方式將是必然趨勢。

1 堆垛機總體設計

堆垛機總體主要由x方向行走機構、y方向提升機構、z方向貨叉伸縮機構、控制系統等部分組成，各機械機構之間通過螺栓連接。在堆垛機工作過程中，堆垛機首先通過行走機構按照路線移動至目標地點，通過提升機構帶動載貨臺移動到目標物體高度，最后由貨叉伸縮機構完成對貨物的存取。提升機構下降一定高度，堆垛機再次通過行走機構移動到下一個目標位置，并通過提升機構調整方位，貨叉伸縮機構帶動貨物到目標位置，松開貨物，完成目標的移動[5-7]。

1.1 行走機構

行走機構的形式可分為滾珠蝸桿傳動和齒輪齒條傳動。滾珠絲桿傳動是絲桿與螺母間以滾球為滾動體的螺旋轉動副，其優缺點有：1）傳輸效率高；2）移動穩定，啟動時無振動，低速時無爬行現象；3）高精度和高耐久性；4）同步性好，可靠性高；5）水平傳動長度較小，不適用于傳動長度較長的場合，易發生斷裂。

齒輪齒條傳動是將齒輪的回轉運動轉變為齒條的往復直線運動，其優缺點有：1）承載能力大；2）使用壽命長，工作平穩，可靠性高；3）能保證恒定的轉動比；4）傳動噪聲大，磨損大。

在設計過程中，水平移動距離較小，考慮傳動精度等，選定為滾珠絲桿傳動。

1.2 提升機構

提升機構可選擇鏈傳動或滾珠絲桿傳動。鏈傳動是通過鏈條帶動主動鏈輪的運動和動力傳遞的一種傳動方式。其優缺點主要有：1）工作可靠，效率高；2）無彈性滑動和打滑；3）所需張力小，作用在軸上的壓力小；4）可在復雜情況小工作；5）成本高，易磨損，傳動平穩性差。傳動會產生沖擊，噪聲較大。

在設計過程中，通過權衡對比，水平移動距離較小，考慮傳動平穩、噪聲等，選定為滾珠絲桿傳動.

1.3 貨叉伸縮機構

貨叉伸縮機構可選擇齒輪傳動或滾珠絲桿傳動。齒輪傳動是由齒輪副傳遞運動和動力的裝置。其優缺點主要有：1）傳輸精度高；2）可實行平行軸、相交軸等空間任意2軸間的傳動；3）工作穩定，使用壽命長；4）制造和安裝要求較高，成本較大；5）不適用于2個遠程軸之間傳動；6）對于環境條件要求較嚴，一般需要安裝防塵罩，還需重視潤滑。

考慮經濟成本、定位精度等問題，選定為滾珠絲桿傳動。

1.4 電控部分與安全保護

堆垛機的控制系統采用西門子s7-200的PLC進行對自動控制、手動控制、物料位置判斷、存取貨物等程序的設計，能夠控制完成堆垛機操作需求，滿足堆垛機存取貨物。

1）聯鎖保護 堆垛機在x方向行走、y方向升降時，貨叉處于短路狀態，不能進行存取貨物。相反，貨叉在z方向伸縮時，堆垛機不能進行行走與升降指令。

2）正位虛實檢測控制 堆垛機到達自動化立體倉庫的貨格時，在存取貨物前需先探知自動化立體倉庫的貨格有無貨物，若有貨物則將信息傳輸給計算機，計算機給予指令，以防止雙重入庫，造成事故。圖1為堆垛機總體裝配圖。

2 關鍵部件的選擇與校核

堆垛機的機架結構可分為雙立柱和單立柱2種。雙立柱結構的機架由支撐立柱、私服支撐立柱、上頂板和下底板組成一個長方形的框架結構，這種結構可承受較強的沖擊，從而堆垛機能夠穩定的運行。單立柱結構的機架只有一根支撐立柱和下底板，這種結構可減少堆垛機總體質量，使用鋼材較少，對比雙立柱，降低了經濟成本。但是，當堆垛機運行速度較快或承載貨物較重時，剛性較差，可能會發生安全事故。并且，在堆垛機啟動和停止時，堆垛機會產生相應的水平振動。

綜合以上情況，雙立柱結構的機架可保證足夠的穩定性。考慮堆垛機的穩定性，故本設計選擇結構為雙立柱。

2.1 立柱設計與計算

堆垛機的主要受力部件為立柱，載貨臺在立柱上進行上下運動。由上頂板和下底板對立柱進行固定連接，堆垛機右側立柱上安裝有滾珠絲桿，電動機帶動滾珠絲桿進而帶動載貨臺作升降運動。由于立柱體積較大，在滿足力學性能要求的前提下應盡量降低質量，按GB/T 6728—2002《結構用冷彎空心型鋼尺寸、外形、質量及允許偏差》[8]規定，結構用冷彎矩形空心方通型鋼，查文獻[9]得出初選尺寸為50 mm×50 mm，壁厚為3.0 mm，截面積為5.408 cm2；按GB/T 700-2006《碳素結構鋼》[10]規定，選擇Q235碳素結構鋼，該材料鋼強度適中，承載性較好，具有較好的塑性和韌性，其強度極限為σb＝375 MPa，屈服極限為σs＝215 MPa，立柱高1 492 mm。立柱如圖2所示。

圖2 立柱三維圖

由于立柱與載貨臺相對靜止，所以可將立柱與載貨臺看作一個整體，貨叉完全伸出后，貨物對貨叉所受的載荷最大，貨物對貨叉有均布載荷，受力分析如圖3所示。

圖3 立柱受力圖

由圖3可得

式中：L為立柱帶載貨臺邊緣的距離，L＝6 cm。

由軸力FN產生壓應力為

在彎矩作用下，以立柱軸線為中性軸，則最大拉應力等于最大壓應力，該軸慣性矩I＝25.374 cm4，則有

由GB/T 700-2006《碳素結構鋼》規定可知，S1=1.2，S2＝1，S3＝σb/σs＝1.744，則S＝S1S2S3＝2.09，可得

實際應力遠遠小于許用應力，在設計堆垛機的三維模型中，4根導向軸均可承受力。在安裝立柱過程中，采用兩端焊接板料以增加接觸面積，增加穩定性，以使立柱能保持平衡。

2.2 提升機構設計與計算

提升機構負責運動到目標位置。提升機構主要由電動機、導向立柱、滾珠絲桿等組成。導向立柱與載貨臺相連接，絲桿螺母與載貨臺連接。提升機構的工作原理是：采用滾珠絲桿傳動，當電動機帶動滾珠絲桿旋轉，電動機上安裝有同步輪，通過同步帶的連接，帶動滾珠絲桿上的同步輪進行傳動，絲桿螺母再帶動載貨臺上下運動；將旋轉運動轉換為直線運動，進而載貨臺能夠進行升降運動。

采用同步輪和同步帶將電動機與絲桿之間進行連接。電動機和滾珠絲桿上安裝有同步輪，兩者之間由同步帶連接。同步帶對比V帶、平帶具有傳動準確，運行時無打滑，傳動比恒定，傳動平穩，具有緩沖和減震能力、噪聲低、傳動效率高等特點。同步輪如圖4所示。

圖4 同步輪示意圖

提升機構所需功率為

查詢同步輪驅動功率表得知，選擇XL系列，根據安裝尺寸選擇大小為30齒。

載貨臺上裝有貨叉伸縮機構、絲桿螺母、導向滑塊等。載貨臺雖非主要受力部件，但也應保證一定的強度，所以選擇密度較低、強度較高的鋁合金。按GB/T 6892—2000《工業用鋁及鋁合金熱擠壓型材》規定，選擇7075鋁合金以減輕質量和保證強度。載貨臺尺寸為580 mm×312 mm。載貨臺如圖5所示。

圖5 載貨臺示意圖

3 控制系統設計

堆垛機的控制系統是堆垛機實現所有動作的根本，良好的控制系統可使堆垛機穩定地完成每一個動作，實現堆垛機各機構相對平衡，進而穩定的運行。

激光定位單元和保護功能傳感器與I/O模塊一起構成堆垛機的控制系統，端口與PLC相連，接收堆垛機PLC控制器的指令并執行任務。操作人員只需在堆垛機提供的手動控制按鈕端口輸入指令，即可實現手動模式。圖6為堆垛機工控系統機構框圖。

圖6 堆垛機工控系統機構框圖

可編程控制器(PLC)是一種基于數字計算機的通用工業控制設備，由可編程存儲器來存儲指令，執行諸如邏輯、序列、定時、計數和算術等功能，并通過數字或類似的輸入/輸出模塊來控制各種機器或產品；其主要由中央處理器、存儲器、電源、輸入/輸出模塊、通信模塊、可擴展模塊和外部設備組成。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、儲存、顯示、記錄和控制等要求。在設計中，選用反射型光電傳感器，型號為E3FDS30C1。主要是檢測貨倉中是否有物料，以防止雙重入庫，避免事故發生。

為了后期軟件編程的順利實施，需要根據功能要求和控制方案對PLC的輸入輸出進行端口分配。I/O端口的分配需要綜合考慮控制系統功能及其實現方式。堆垛機的控制系統輸入接口有24個，輸出接口為11個，根據所需的輸出/輸入要求對其PLC控制系統的方式進行接口的接線，主要分布有輸出與輸入、控制信息以及I/O地址的分配，具體端口分配方案如表1、表2所示。

表1 PLC輸入分配圖

表2 PLC輸出分配圖

4 結束語

隨著科學技術與社會生產力的進一步發展，生產過程的機械化、自動化趨勢將會越來越明顯，傳統的手工操作、人工搬運等方式將會逐漸被淘汰，取而代之的將是以更加智能便捷的堆垛機為主的現代化生產方式。為實現堆垛機的諸多運動狀態（包括堆垛機的水平行走、載貨臺的升降以及貨叉的存取貨物），本文對機架的外形結構和機械尺寸進行了分析和研究，分析了立柱的強度校核以及設計過程和要滿足的需求。從總體方案入手，根據其工作特點，分析并設計了關鍵工件的機械結構，并依照模塊化的方法對這些關鍵機械部件逐一進行了計算與校核。另外，還分析了控制系統的工作方案，介紹了PLC及傳感器，并選用PLC和傳感器型號。分析系統的I/O點位，編制了PLC控制程序。