自動化立體倉庫大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文

1、摘 要 隨著企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，立體倉庫已成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的一個重要且不可缺少的環(huán)節(jié)，堆垛機是其關(guān)鍵設(shè)備。本文利用plc及觸摸屏對堆垛機進行了貨物的存取控制。系統(tǒng)選用日本歐姆龍（omron）plc，威倫通公司的mt8000系列觸摸屏，松下minas-a4系列交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為核心組件；完成了堆垛機的功能設(shè)計和控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計。針對本文設(shè)計的特點要求，詳細(xì)論述了plc外電路的設(shè)計、相關(guān)數(shù)學(xué)模型的建立、人機交互界面的設(shè)計以及plc控制程序的設(shè)計。其中的plc外電路設(shè)計主要完成了輸入輸出端子分配和連接設(shè)計；數(shù)學(xué)建模主要包括交流伺服電動機控制堆垛機水平運動和垂直運動速度曲線的數(shù)學(xué)建

2、模；人機交互界面的設(shè)計包括實現(xiàn)運動所需的各種參數(shù)的設(shè)置及自動控制、手動控制參數(shù)；plc控制設(shè)計的重點是程序結(jié)構(gòu)設(shè)計、高速計數(shù)器脈沖的讀取、交流伺服電動機的加減速控制及個別指令的運用。本文設(shè)計的控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)堆垛機貨物存取的手動及自動功能，具有友好的人機交互界面，滿足功能要求。關(guān)鍵詞：立體倉庫；人機交互界面；plc；堆垛機abstractwith the continuous expansion of enterprise modern production, stereoscopic warehouse has become a production logistics system in

3、an important and indispensable link, the stacker is the key equipment.this paper, by using plc and touch screen on the stacker of the access control of the goods. system choose japan omron (omron) plc, wei lun tong company mt8000 series touch screen, panasonic minas - a4 series ac servo drive system

4、 as the core component; completed the stacker function design and the overall design of control system.according to the characteristics of this design requirement, detailed discusses the plc external circuit design, the establishment of the relevant mathematical model, the design of the human-comput

5、er interaction interface and the design of the plc control program. external circuit design is mainly completed the plc input and output terminal distribution and connection design; mathematical modeling includes ac servo motor control stacker horizontal movement and vertical movement speed curve of

6、 mathematical modeling; human-computer interaction interface design including the implementation of every parameter setting for movement and automatic control, manual control parameters; plc control design is the focus of the program structure design, high speed counter pulse reading, deceleration o

7、f the ac servo motor control and the use of the individual instructions.this paper designed control system can realize stacker goods access of manual and automatic functions, has friendly man-machine interface, meet the functional requirements.key words: stereoscopic warehouse; the human-computer in

8、teraction interface; programmable logic controller; stacker目 錄1緒 論11.1自動化倉庫介紹11.2自動化立體倉庫系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.3本設(shè)計的研究意義和可行性22總體方案設(shè)計42.1本設(shè)計的內(nèi)容及主要思路42.2自動化立體倉庫系統(tǒng)的控制原理52.3堆垛機的伺服控制63系統(tǒng)的組成及硬件連接設(shè)計73.1工控器件簡介73.1.1工控計算機73.1.2歐姆龍plc簡介73.1.3伺服控制系統(tǒng)83.2硬件設(shè)備選型93.2.1plc選型93.2.2伺服驅(qū)動器和伺服電機的選型103.3硬件連接設(shè)計113.3.1主電路設(shè)計113.3.2i/

9、o端子分配113.3.3plc與觸摸屏連接123.3.4plc與伺服驅(qū)動器的連接133.4貨叉的控制143.4.1貨叉的液壓控制143.4.2貨叉的轉(zhuǎn)動控制154數(shù)學(xué)建模175人機交互界面設(shè)計215.1pc與hmi間的通訊215.2觸摸屏的界面設(shè)計215.2.1主界面設(shè)計及地址分配215.2.2水平和豎直參數(shù)界面設(shè)置225.2.3存貨和取貨參數(shù)界面設(shè)置245.2.4 手動參數(shù)界面設(shè)置256plc控制程序設(shè)計276.1plc指令系統(tǒng)276.1.1子程序指令介紹276.1.2數(shù)據(jù)傳送（mov）指令276.1.3數(shù)據(jù)移位指令(sft)與計數(shù)器指令（cnt）276.1.4無符號比較指令(cmp)和ac

10、c指令、prv指令286.1.5動作模式控制ini和頻率設(shè)定sped316.2plc程序設(shè)計326.2.1主程序設(shè)計326.2.2取貨子程序設(shè)計366.2.3水平子程序設(shè)計和返回水平子程序設(shè)計396.2.4判斷有無貨子程序426.2.5手動子程序446.2.6重復(fù)輸出程序457程序調(diào)試及說明47結(jié)束語48致 謝49參考文獻50附錄a：英文原文51附錄b：漢語翻譯581 緒 論1.1 自動化倉庫介紹自動化立體倉庫系統(tǒng)【1】（automated storage and retrieval system, as/rrs）是在不直接進行人工處理的情況下能自動存儲和取出物料的系統(tǒng)，這個定義覆蓋了不同復(fù)雜

11、程度及規(guī)格多樣的系統(tǒng)，自動化立體倉庫由計算機進行管理和控制，不必搬運即可實現(xiàn)收發(fā)作業(yè)的倉庫。立體倉庫【2】是指：采用高層貨架儲存貨物，用起重、裝卸、運輸機械設(shè)備進行貨物出庫和入庫作業(yè)的倉庫。這類倉庫主要通過高層貨架充分利用空間進行存取貨物，所以稱為“立體倉庫”。目前，這類倉庫最大高度達到40多米，最大庫存可大至數(shù)萬甚至十多萬個貨物單位，可以做到無人操作，按計劃入庫和出庫的全自動控制，并且可以實現(xiàn)倉庫的計算機網(wǎng)絡(luò)化管理。倉庫一般由高層貨架、倉儲機械設(shè)備、建筑物及控制和管理設(shè)施等部分組成。貨架的形式有很多樣，材料一般用鋼材或鋼筋混凝土制作，鋼貨架的優(yōu)點是構(gòu)件尺寸小，倉庫空間利用率高，制作方便，安裝

12、建設(shè)周期短，而且隨著高度的增加，鋼貨架比混凝土貨架的優(yōu)越性更明顯。為了提高貨物裝卸、存取效率，自動化立體倉庫一般使用貨箱或托盤盛放貨物，貨箱與托盤的基本功能是盛放小件物料，同時還應(yīng)便于運輸車和堆垛機的插取與存放。搬運設(shè)備是自動化倉庫中的重要設(shè)備，它們一般由電力驅(qū)動，通過手動或自動控制實現(xiàn)把貨物從一處搬到另一處。輸送系統(tǒng)必須具備高度的可靠性，在立體倉庫內(nèi)，一般只有一套輸送系統(tǒng)，一旦發(fā)生故障，就會使整個倉庫受到影響。所以，要求輸送系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)上的設(shè)備可靠、耐用、維修方便，對輸送系統(tǒng)設(shè)置手動控制做后備。1.2 自動化立體倉庫系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前，自動化立體倉庫在發(fā)達國家已相當(dāng)普遍，日本是自動化

13、倉庫發(fā)展最快，建造數(shù)量最多的國家。此外美國、德國、瑞士、意大利、英國和法國等國家也建造了許多自動化倉庫。發(fā)展至今，自動化倉庫在設(shè)計、制造、自動化控制和計算機管理方面的技術(shù)也日趨成熟。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國已建立的立體倉庫近300個，其中全自動化的立體倉庫有30多個。1995年建成的儀征化纖工業(yè)聯(lián)合公司滌綸長絲自動化立體倉庫是目前由國內(nèi)獨立設(shè)計和制造的綜合自動化程度最高的立體倉庫。這些立體倉庫廣泛使用在機械制造業(yè)、電器制造業(yè)、航空巷、輕工和化工企業(yè)、商儲業(yè)、軍需部門等各個行業(yè)。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(shè)的自動化立體庫在80座以上，主要集中在機械制造

14、、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。目前我國有能力承接立體倉庫設(shè)計的單位已達數(shù)十家，主要有原機電部系統(tǒng)背景的起重機研究所、北京自動化研究所、上海自動化研究所、中國機械工程學(xué)會物料搬運學(xué)會、中國物流研究會倉儲專業(yè)委員會、全軍倉庫機械自動化學(xué)會等。近年來我國自動化倉庫技術(shù)【3】發(fā)展很快，已實現(xiàn)了與其它信息決策系統(tǒng)的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。盡管如此，至今在我國已建成的集成化倉儲系統(tǒng)還不多，我國的自動化立體倉庫與發(fā)達國家相比，無論從數(shù)量上還是建設(shè)水平上都有比較大的差距。這些差距主要表現(xiàn)在：1） 發(fā)展速度慢。目前，我們國家自

15、動化倉庫的數(shù)量和生產(chǎn)能力還不能滿足今后我國經(jīng)濟發(fā)展的需求。2） 倉庫形式和設(shè)備的品種、規(guī)格少，還不能滿足各方面的需求。3） 應(yīng)用先進控制技術(shù)和驅(qū)動技術(shù)的不多。例如，在國內(nèi)堆垛機多采用兩速、三速電機拖動，水平速度6080米/分，垂直運行速度1660米/分，貨叉速度410米/分，速度不高，工作效率也不太高，經(jīng)濟效益也不太好。4） 研究開發(fā)和創(chuàng)新能力不強。自動化立體倉庫正處于不斷發(fā)展和完善的階段，大型自動化立體倉庫已經(jīng)不是發(fā)展方向，而規(guī)模小、反應(yīng)速度更快、用途更廣泛的自動化倉庫是未來的發(fā)展方向。它結(jié)合先進的控制技術(shù)，應(yīng)用到分段輸送和按預(yù)定線路輸送方面，保持了高度的柔性和高生產(chǎn)率，滿足了工業(yè)庫存搬運的

16、需要。1.3 本設(shè)計的研究意義和可行性自動化立體倉庫是利用自動化存儲設(shè)備同計算機管理系統(tǒng)的協(xié)作來實現(xiàn)立體倉庫的高層合理化、存取自動化以及操作簡便化。自動化立體倉庫主要由貨架、巷道式堆垛起重機（堆垛機）、入(出)庫工作站臺、調(diào)度控制系統(tǒng)以及管理系統(tǒng)組成。貨架一般為鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體，貨架內(nèi)部空間作為貨位存放位置，堆垛機穿行于貨架之間的巷道中，可由入庫站臺取貨并根據(jù)管理調(diào)度任務(wù)將貨位存儲到指定貨位，或到指定貨位取出貨物并送至出庫站臺。國內(nèi)外其它行業(yè)采用自動化倉庫的情況已經(jīng)充分證明，使用自動化立體倉庫能夠產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。這些效益主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(l)由于使用高層貨架

17、，存儲區(qū)可以大幅度地向空間擴展，充分利用倉庫地面和空間，因此節(jié)省了庫存占地面積，提高了空間利用率；(2) 自動存取自動化立體倉庫使用機械和自動化設(shè)備，運行和處理速度快，提高了作業(yè)效率；(3) 計算機控制與管理計算機能夠準(zhǔn)確無誤地對倉庫的各種信息進行存儲和管理，降低了操作人員的勞動強度，從而提高倉庫的管理水平；(4) 作業(yè)效率明顯提高，能充分保證“先進先出”的合理作業(yè)原則。由于通過計算機管理實現(xiàn)自動作業(yè)，可以方便地實施貨位和帳目的科學(xué)管理，改善庫存結(jié)構(gòu)，避免盲目壓貨，并改善勞動環(huán)境；(5)節(jié)約費用，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國有關(guān)行業(yè)開始重視立體庫的研究，對于促進傳統(tǒng)觀念的轉(zhuǎn)變、提高現(xiàn)代化物流意識，

18、形成新型的商品流通產(chǎn)業(yè)等方面都能產(chǎn)生了強勁的推動作用。此課題的控制系統(tǒng)主要由plc來控制，目前plc生產(chǎn)廠商較多，易于購買，且使用壽命長和低故障率是世人所公認(rèn)的。又因plc控制程序能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化，降低物流系統(tǒng)的故障率，提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。plc不用進行額外布線，可以直接利用已有的配電網(wǎng)絡(luò)作為傳輸線路，從而大大減少了網(wǎng)絡(luò)的投資，降低了成本。2 總體方案設(shè)計 自動化立體倉庫出入庫流程的設(shè)計，是自動化立體倉庫設(shè)計的重點，在自動化立體倉庫設(shè)計初期就應(yīng)當(dāng)滿足基本的出入庫要求作為設(shè)計原則。在自動化立體倉庫的設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)自動化立體倉庫的不同特點，以及其他諸多因素，設(shè)計出入庫流程。2.1 本

19、設(shè)計的內(nèi)容及主要思路本課題設(shè)計的自動化立體倉庫為四行四列小型倉庫。編號從0-15，從下到上為分別第一行到第四行，從左到右分別為第一列到第四列，取貨或存貨時行和列在變化，用i表示行，用j表示列。該自動化立體倉庫主體由四層十六倉位庫體、運動機械、導(dǎo)軌、伺服驅(qū)動及電氣控制等部分組成。立體倉庫總體布局如圖2.1所示。圖 2.1 自動化立體倉庫總體布局圖通過對本課題的分析，堆垛機需要水平運動、垂直運動，而且均要求位置控制和速度控制，所以采用兩個伺服驅(qū)動器分別控制兩個伺服電動機實現(xiàn)；貨叉的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)用普通電動機正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)來控制；貨叉的伸出、縮回和微抬、微降用液壓系統(tǒng)來控制。貨格的長度、高度，以及堆垛機的水平速

20、度、豎直速度、水平加速度、豎直加速度，還有存取貨物的行、列等信息的輸入和顯示都由人機交互系統(tǒng)實現(xiàn)，系統(tǒng)共設(shè)計了兩種工作模式：自動運行模式、手動運行模式。自動運行模式即為工業(yè)生產(chǎn)中的工作模式，當(dāng)輸入行和列取貨時，系統(tǒng)開始判斷該貨格有沒有貨，如果無貨，觸摸屏報警燈亮并顯示重新輸入，如果有貨，開始計算運動參數(shù)，通過讀取伺服電動機自帶的編碼器脈沖與計算參數(shù)比較，進而實現(xiàn)水平運動和垂直運動。當(dāng)?shù)竭_指定貨格時，貨叉開始伸出-微抬-微降-縮回，取出貨物，系統(tǒng)再一次讀取編碼器脈沖，通過計算返回到原位，實現(xiàn)取貨過程。存貨過程和取貨過程方式類似。 手動模式用于維修排障時用，或測試堆垛機的各個動作是否能正常實現(xiàn)。2

21、.2 自動化立體倉庫系統(tǒng)的控制原理該控制系統(tǒng)由三部分組成：人機交互界面、可編程控制器（plc）、伺服驅(qū)動系統(tǒng)；自動化立體倉庫系統(tǒng)的控制主要分為兩部分：堆垛機的水平運動控制和豎直運動控制，其中水平運動和豎直運動為進給運動。堆垛機的控制過程包括如下內(nèi)容：當(dāng)工作人員通過觸摸屏輸入好參數(shù)之后，數(shù)據(jù)通過rs232通訊線送入plc進行處理，堆垛機先水平運動，當(dāng)實際運動位移達到水平計算位移時，堆垛機開始豎直運動，當(dāng)實際運動到計算位移時，運動停止，然后開始進行取貨或存貨。取貨或存貨結(jié)束后，堆垛機先豎直返回，然后水平返回。在實際操作中，堆垛機的運動控制可通過人機界面向plc傳送數(shù)據(jù)，plc對其輸入的數(shù)據(jù)進行處理

22、，然后向各個伺服驅(qū)動器發(fā)出脈沖控制信號讓伺服電機旋轉(zhuǎn)，再通過各電機軸自帶的光電編碼器進行采樣，將位置與速度反饋給伺服驅(qū)動器。該過程中，水平位移和豎直位移均由與伺服電機同軸連接的編碼器與伺服驅(qū)動器實現(xiàn)精確控制，從而使整個系統(tǒng)之間構(gòu)成半閉環(huán)。貨叉的轉(zhuǎn)動是由普通電機的正反轉(zhuǎn)【4】實現(xiàn)的。該系統(tǒng)的控制原理圖如圖2.2所示，伺服電機1控制堆垛機水平進給運動，伺服電機2控制堆垛機豎直進給運動。普通電機控制貨叉的旋轉(zhuǎn)。液壓缸1控制貨叉的伸縮，液壓缸2控制貨叉的升降。具體驅(qū)動型號第三章給出。本控制系統(tǒng)的核心控制器采用歐姆龍plc，相關(guān)參數(shù)由觸摸屏傳送給plc，各伺服系統(tǒng)均由一個伺服驅(qū)動器和一個伺服電機組成，其

23、中水平進給和豎直進給運動都帶有一個減速裝置，且plc向驅(qū)動器發(fā)出脈沖和方向信號，經(jīng)由伺服控制系統(tǒng)控制伺服電機，驅(qū)動齒輪帶動堆垛機運動，把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為堆垛機的往返移動，分別帶動堆垛機水平前進、返回和豎直前進、返回，貨叉的旋轉(zhuǎn)是采用普通電動機正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。圖 2.2 自動化立體倉庫控制系統(tǒng)原理圖minas-a4系列驅(qū)動器有三種基本的控制方式：位置控制模式、速度控制模式、扭矩控制模式。速度控制和扭矩控制模式均采用模擬量進行控制，位置模式則是通過脈沖信號進行控制的，具體采用何種控制方式要按照具體應(yīng)用環(huán)境分析，根據(jù)要求的運動功能來進行選擇。該系統(tǒng)要求堆垛機在運行的過程中根據(jù)行和列計算的位

24、移行走，對位置的控制有較高的要求，因此采用位置模式進行控制比較合理。2.3 堆垛機的伺服控制本課題堆垛機的運動主要有堆垛機的水平和豎直驅(qū)動，這兩個運動均采用交流伺服系統(tǒng)控制，由plc作為核心控制器，根據(jù)要求選擇位置控制模式，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。3 系統(tǒng)的組成及硬件連接設(shè)計本文所述系統(tǒng)由plc、伺服驅(qū)動器及伺服電動機、普通電動機、液壓系統(tǒng)、行程開關(guān)、指示燈、按鈕開關(guān)、撥動開關(guān)、旋轉(zhuǎn)開關(guān)等成熟的工控器件組成，本章主要對組成的硬件系統(tǒng)進行簡要介紹，說明這些器件在系統(tǒng)中的用途，并

25、詳細(xì)介紹硬件連接設(shè)計，以及歐姆龍plc、伺服電動機的具體參數(shù)設(shè)置。3.1 工控器件簡介在工業(yè)自動化領(lǐng)域，plc是大多數(shù)自動化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備，行程開關(guān)可以檢測到系統(tǒng)的當(dāng)前情況，給出相應(yīng)的開關(guān)量，提供給控制器件進行處理。3.1.1 工控計算機ipc(industry personal computer)簡稱工控機，伴隨著pc產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，工控機得到了長足的發(fā)展。工控機多在惡劣的環(huán)境下使用，易維護、散熱、防塵性能好，尺寸限制嚴(yán)格。工控制是利用了個人計算機pci總線和pc/104總線、采用功能板卡擴展控制i/o點來實現(xiàn)計算機控制的一種方便的控制設(shè)備。它具有工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用特性，同時又極大地利用了pc機的

26、軟件環(huán)境，可以方便的選擇各種制造商提供的產(chǎn)品。 3.1.2 歐姆龍plc簡介plc（programmable logic controller）【5】,中文全稱為可編程邏輯控制器，是一種以計算機為基礎(chǔ)的專用控制裝置，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用設(shè)計。它采用可編程的存儲器，存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)、和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式輸入輸出，即可控制一臺生產(chǎn)機械、一條生產(chǎn)線，也可控制一個生產(chǎn)過程。可編程控制器和它的有關(guān)設(shè)備，應(yīng)該按照易于和工業(yè)控制系統(tǒng)連成一體，并易于擴充功能的設(shè)計原則。日本歐姆龍公司是世界著名plc生產(chǎn)商之一，歐姆龍公司的plc小型機與其他日本品牌的小型機一樣非常有特

27、色，某些歐美中大型機能實現(xiàn)的控制功能，用歐姆龍小型機就可以實現(xiàn)。歐姆龍公司的plc產(chǎn)品分為大、中和小型機，大、中型機采用模塊式結(jié)構(gòu)，小型機采用整體式結(jié)構(gòu)。小型機：我國早期使用較多的歐姆龍小型plc主要有cpm1a、cpm2a系列，其性價比高、社會擁有量大，現(xiàn)在已逐漸被功能更為強大的的升級產(chǎn)品cp1h、cp1l系列小型plc取代。中型機：歐姆龍中型plc主要有c200h、c200h、cq1m、cj1m、cj1和cj2系列等， c200h是c200h的升級產(chǎn)品，有品種齊全的通信模塊，cj系列plc結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大，是近幾年來暢銷的機型。大型機：歐姆龍大型plc主要有cv、cvm1、cvm1d、c

28、s1和cs1d系列，cs1是大、中型機的代表，盡管cs1是中型機c200h的后續(xù)機型，但是在大型場合也可勝任，故歸為大型機。cp1h/cp1l、cj1和cs1系列分別是歐姆龍的小、中、大型plc。cp1h/cp1l具有與cj1、cs1幾乎一樣的內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)，故可以實用cj1、cs1一樣的梯形圖編程。利用歐姆龍cp1h系列plc作為該立體化自動倉庫系統(tǒng)的控制器，是考慮到其控制可靠性高、抗干擾能力強、編程簡潔性、與伺服系統(tǒng)的易連接性、對外環(huán)境的要求較低、功能強、適應(yīng)范圍廣，并且價格低廉，系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試和為維修比較方便。3.1.3 伺服控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)按照控制方式分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中

29、閉環(huán)控制系統(tǒng)又可分為全閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)沒有檢測裝置，其驅(qū)動電機一般為步進電機，閉環(huán)控制系統(tǒng)多采用直流或交流伺服電機驅(qū)動，兩種系統(tǒng)都有各自的特點，它們具體區(qū)別見表3.1。綜合比較，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。由于本課題有較高的精度要求，所以在本課題自動化立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中選用交流伺服電機驅(qū)動。 表3.1 步進電機、伺服電機的比較步進電機系統(tǒng)伺服電機系統(tǒng)力矩范圍 中小力矩（一般在20nm以下） 小中大，全范圍 速度范圍 低（一般在2000rpm以下，大力矩電機小于1000rpm） 高（可達5000rpm）,直流伺服電機更可達12萬轉(zhuǎn)/分 控制方式

30、主要是位置控制 多樣化智能化的控制方式，位置/轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩方式 平滑性 低速時有振動（但用細(xì)分型驅(qū)動器則可明顯改善） 好，運行平滑 精度 一般較低，細(xì)分型驅(qū)動時較高 高（具體要看反饋裝置的分辨率） 矩頻特性 高速時，力矩下降快 力矩特性好，特性較硬 反饋方式 大多數(shù)為開環(huán)控制，也可接編碼器，防止失步 閉環(huán)方式，編碼器反饋 編碼器類型 光電型旋轉(zhuǎn)編碼器（增量型/絕對值型），旋轉(zhuǎn)變壓器型 響應(yīng)速度 一般 快 耐振動 好 一般（旋轉(zhuǎn)變壓器型可耐振動） 溫升 運行溫度高 一般 維護性 基本可以免維護 較好 價格 低 高 3.2 硬件設(shè)備選型3.2.1 plc選型堆垛機和出入庫的控制系統(tǒng)采用歐姆龍系列可編

31、程控制器（plc）作為控制核心通過分析控制要求可知，自動化立體倉庫控制系統(tǒng)需要23個輸入，13個輸出，不同廠家，不同系列的plc，其內(nèi)部的軟繼電器（編程元件）的功能和編號各不相同，因此在編程時，必須按照課題要求選擇plc型號【6】，并且熟悉所選用的plc的每條指令涉及編程元件的功能和編號。由于伺服電機是通過高頻率脈沖信號來控制轉(zhuǎn)動的，故要想實現(xiàn)對其控制必須選擇晶體管的plc。由于輸入端口比較多，需要拓展輸入單元，由于cp1h 能夠連接cpm1a 系列的擴展單元，拓展8點輸入即可滿足要求，所以選擇cpm1a-8ed型號。根據(jù)本課題要求和表3.2、表3.3【7、8】所示，選擇cp1h-xa40dt

32、-d型號（晶體管輸出，24輸入、16輸出）的plc和cpm1a-8ed型號（晶體管8輸出，8輸入）。表3.2 cp1h系列plc的輸入、輸出繼電器的數(shù)量類型類型名稱電源電壓型號通用內(nèi)置輸入通用內(nèi)置輸出x型基本型ac100-240vcp1h-x40dr-adc輸入24點繼電器輸出16點dc24vcp1h-x40dt-a晶體管（漏型）輸出16點cp1h-x40dt1-a晶體管（源型）輸出16點xa型帶內(nèi)置模擬輸入輸出端子型ac100-240vcp1h-xa40dr-a繼電器輸出16點dc24vcp1h-xa40dt-d晶體管（漏型）輸出16點cp1h-xa40dt1-d晶體管（源型）輸出16點y型

33、帶脈沖輸入輸出專用端子型dc24vcp1h-y20dt-ddc輸入12點晶體管（漏型）輸出8點表3.3 cpm1a 擴展單元的連接占有通道數(shù)拓展i/o單元單元名稱單元型號消耗電流（ma）占有ch數(shù)dc5vdc24v輸入輸出輸入輸出40點單元cpm1a-40edr80902ch2chcpm1a-40edt160-cpm1a-40edt1160-輸入輸出20點單元cpm1a-20edr103441ch1chcpm1a-2edt130-cpm1a-20edt1130-輸出16點單元cmp1a-16er4290-2ch輸入8點單元cmp1a-8ed18-1ch-輸出8點單元cmp1a-8er2644-

34、1chcmp1a-8et75-cmp1a-8eti75-3.2.2 伺服驅(qū)動器和伺服電機的選型由于伺服驅(qū)動器和伺服電機必須要配合使用，不同的工況條件下，所選擇的伺服驅(qū)動器型號和伺服電機型號都不一樣。為了滿足本課題的要求，選擇驅(qū)動器型號為c型三相220v(mcddt3520)，因為伺服電機1和伺服電機2分別控制堆垛機的水平運動和豎直運動，這兩個運動均需要有減速裝置，所以均選擇型號msmdo42s1*，所選相關(guān)參數(shù)如表3.4所示。表3.4 伺服驅(qū)動器、伺服電機參數(shù)伺服驅(qū)動器適配電機型號類型輸入電源型號電壓額定功率額定轉(zhuǎn)速編碼器規(guī)格mcddt3120c型單相100vmsmd041p1*100v400

35、w3000rpm5線制，2500p/rmsmd041s1*7線制，17位mcddt3520c型單相/三相200vmsmd082p1*200v750w5線制，2500p/rmsmd082s1*7線制，17位msmd042p1*400w5000rpm5線制，2500p/rmsmd042s1*7線制，17位3.3 硬件連接設(shè)計3.3.1 主電路設(shè)計經(jīng)過分析設(shè)計，硬件電路圖包括伺服電動機1、伺服電動機2、伺服驅(qū)動器1、伺服驅(qū)動器2、普通電動機、可編程控制系統(tǒng)（plc）、觸摸屏與外接電源的連接，plc與觸摸屏選用24v外接電源，電機選用220v外接電源。伺服電動機由伺服驅(qū)動器控制與主電源連接。普通電動機

36、控制貨叉正反轉(zhuǎn)，與380v外接電源連接。最終確定主電路連接圖如圖3.1所示。圖 3.1 主電路3.3.2 i/o端子分配自動化立體倉庫控制系統(tǒng)包括：伺服電動機啟動、伺服電動機停止、sr-rdy準(zhǔn)備好；存貨、取貨；貨叉伸出、縮回；貨叉微抬、微降；貨叉左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)裝置有限位開關(guān)，包括左轉(zhuǎn)到位、右轉(zhuǎn)到位；存貨、取貨有左限位、下限位；還有自動、手動兩種工作模式等等輸入，還有高速脈沖輸出和控制液壓系統(tǒng)中貨叉伸縮、微降等等輸出，自動化立體倉庫控制系統(tǒng)具體i/o端子分配如表3.5所示。表3.5 自動化立體倉庫控制采用的輸入/輸出設(shè)備和對應(yīng)的plc端子輸入輸出輸入設(shè)備對應(yīng)端子功能說明輸出設(shè)備對應(yīng)端子功能說

37、明sq10.00伸出限位開關(guān)脈沖輸出0100.00sq20.01縮回限位開關(guān)100.01sq30.02微抬限位開關(guān)脈沖輸出1100.02sq40.03微降限位開關(guān)sq50.04左轉(zhuǎn)限位開關(guān)sq60.05右轉(zhuǎn)限位開關(guān)100.03sq70.06左限位開關(guān)sq80.07下限位開關(guān)fr0.08過載保護sb10.09轉(zhuǎn)位停止ka1繼電器100.04srv1-onsb20.10手動左轉(zhuǎn)ka2繼電器100.05srv2-onsb30.11手動右轉(zhuǎn)km1交流接觸器100.06左轉(zhuǎn)sb41.00手動上升km2交流接觸器100.07右轉(zhuǎn)sb51.01手動下降ya1電磁鐵101.00伸出sb61.02手動左行ya2

38、電磁鐵101.01縮回sb71.03手動右行ya3電磁鐵101.02微抬sb81.04手動伸出ya4電磁鐵101.03微降sb90.05手動縮回hl101.04伺服準(zhǔn)備好指示燈sb100.10手動微抬sb110.11手動微降轉(zhuǎn)換開關(guān)qs1.08手動1.09自動sb121.10伺服啟動sb121.11伺服停止ka5觸點2.00sr1-rdyka6觸點2.01sr2-rdy3.3.3 plc與觸摸屏連接在實際操作過程中，為了觀察和使用方便，在plc外部連接了觸摸屏【9】，在觸摸屏上，可以輸入堆垛機水平和豎直的運行速度，隨意輸入行和列取貨或存貨，還可以在觸摸屏上得知此貨格是否有貨，如果取貨時無貨報警

39、燈閃爍，并提示重新輸入，反之，存貨時此貨格如果有貨，報警燈閃爍，并提示重新輸入。這樣就可以很方便的觀察貨物的出入庫情況，plc和觸摸屏之間通過rs232傳送數(shù)據(jù)，plc與觸摸屏的連接如圖3.2所示。圖 3.2 plc與觸摸屏的連接3.3.4 plc與伺服驅(qū)動器的連接 堆垛機的水平運動和豎直運動都是由伺服電動機驅(qū)動器實現(xiàn)的，伺服驅(qū)動器與plc連接高速脈沖輸出端接口是固定的，本課題需要兩個伺服電動機來控制，即需要兩個伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器1脈沖輸出端接plc的輸出端為100.00,100.01；伺服驅(qū)動器2脈沖輸出端接plc輸出端的100.02,100.03,圖3.3為plc與伺服驅(qū)動器1連接圖，

40、伺服驅(qū)動器2與plc連接與圖3.3類似。圖 3.3 plc與伺服驅(qū)動器1的連接3.4 貨叉的控制3.4.1 貨叉的液壓控制由實際分析可知，當(dāng)堆垛機運動到指定貨格位置時，貨叉需要微抬、微降，伸出、縮回實現(xiàn)貨物的進出，在本課題中，由液壓系統(tǒng)【10、11】實現(xiàn)這些過程。圖3.4為貨叉伸出、縮回液壓系統(tǒng)原理圖，圖3.5為貨叉微抬、微降液壓系統(tǒng)原理圖。 圖 3.4 貨叉伸縮原理圖 圖 3.5 貨叉抬降原理圖1液壓泵；2三位四通電磁換向閥； 1液壓泵；2三位四通電磁換向閥； 3溢流閥；4液壓缸。 3溢流閥；4液壓缸。 圖3.4、圖3.5所示采用行程開關(guān)控制電磁換向閥【12】順序動作回路。在圖3.4中，當(dāng)貨

41、叉伸出按鈕接通時，電磁閥1ya得電，缸4活塞先向右運動，當(dāng)活塞桿上的擋塊壓下行程開關(guān)sq1后，伸出停止，當(dāng)貨叉縮回按鈕接通時，2ya得電，缸4活塞退回，當(dāng)活塞上的擋塊壓下sq2后，縮回停止。在這種回路中，調(diào)整擋塊的位置可調(diào)整液壓缸的行程，通過電控系統(tǒng)可任意改變動作順序，方便靈活，應(yīng)用廣泛。同理，在圖3.5中，當(dāng)微降按鈕接通時，3ya得電，缸4活塞先向右運動，當(dāng)活塞上的擋塊壓下sq4后，微降停止，當(dāng)貨叉微抬按鈕接通時，4ya得電，缸4活塞退回，當(dāng)活塞上的擋塊壓下sq3，微抬停止。3.4.2 貨叉的轉(zhuǎn)動控制立體倉庫需要控制貨叉的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，以便進行取貨和存貨。本課題采用普通電動機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)分別來

42、控制貨叉的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，圖3.6為電機控制貨叉左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)原理圖。當(dāng)左轉(zhuǎn)按鈕接通時，km1線圈得電，其主觸點閉合，繼電器ka3得電，電機正向轉(zhuǎn)動，帶動貨叉左轉(zhuǎn)，同時串接在km2線圈回路中的km1的常閉觸點斷開，保證在km1得電的前提下，km2線圈不可能得電，以避免電動機短路，反之亦然。當(dāng)左轉(zhuǎn)到位時，左轉(zhuǎn)停止，接著執(zhí)行下一步命令，當(dāng)右轉(zhuǎn)按鈕接通時，km2線圈得電，其主觸點閉合，繼電器ka3得電，電機反向轉(zhuǎn)動，帶動貨叉右轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到右限位時停止轉(zhuǎn)動。圖 3.6 貨叉左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)原理圖 4 數(shù)學(xué)建模 貨格分布如圖4.1所示 。圖 4.1 貨格分布示意圖水平位移計算公式見公式4.1： li=l0+js0 （4.1

43、）豎直位移計算公式見公式4.2：（4.2） lj=s02+i-1s0其中 l0堆垛機水平位置到第一個貨格的距離（mm）；i 存貨或取貨輸入的行數(shù)； j 存貨或取貨輸入的列數(shù)； s0貨格的寬度（mm）； s1貨格的高度（mm）。本課題的數(shù)學(xué)建模包括水平運動數(shù)學(xué)建模和豎直運動數(shù)學(xué)建模。水平運動數(shù)學(xué)建模與豎直運動數(shù)學(xué)建模類似，下面詳細(xì)說明水平運動的數(shù)學(xué)建模。水平運動和返回水平運動速度曲線如圖4.2所示，當(dāng)程序調(diào)用水平子程序時，堆垛機開始水平運動，oa為水平加速階段，ab為水平勻速階段，bc為減速階段，bd為低速階段，de為運動停止階段。當(dāng)程序調(diào)用水平返回子程序時，堆垛機開始水平返回，ef為水平加速返

44、回階段，fg為水平返回勻速階段，gh為水平返回減速階段，hj為返回運動停止階段。因為伺服電動機驅(qū)動堆垛機運動需要齒輪齒條實現(xiàn)，所以運算時需要考慮到齒輪的傳動比i，與伺服電動機1連接的齒輪傳動比為i1，系統(tǒng)的控制核心為plc，圖4.2中的加速階段和減速階段通過頻率加減速控制acc指令實現(xiàn)，所以需要將伺服電動機的速度轉(zhuǎn)化為頻率。圖 4.2 水平運動和返回水平運動速度曲線示意圖lob=lj-10-v122aob段長度為減速點位移，計算公式見4.3：（4.3）loh=2lj-10-v122a返回時減速點oh位移計算公式見4.4： （4.4）因為電動機的轉(zhuǎn)速不是固定的，設(shè)伺服電動機1轉(zhuǎn)速為n1，由于有傳

45、動比i1的存在，所以經(jīng)過齒輪后的轉(zhuǎn)速為n1i1,齒輪1直徑為d1 ,齒輪齒數(shù)為z1,齒輪模數(shù)為m1,則可列出齒輪周長公式見4.5、水平速度公式見4.6： c1=d1 （4.5） 式中 c1齒輪1周長（mm）；v1=n1c1i160d1齒輪1直徑（mm）。 （4.6） 式中 v1 水平速度1（mm/s）；n1 伺服電機轉(zhuǎn)速（r/min）。脈沖當(dāng)量是相對于每一脈沖信號的機床運動部件的位移量，又稱作最小設(shè)定單位，現(xiàn)設(shè)伺服電動機1自帶編碼器分辨率為p1,則脈沖當(dāng)量計算公式見4.7: pm1=c1i1p1 （4.7）式中 pm1伺服電動機1脈沖當(dāng)量；c1 齒輪1周長（mm）；i1 齒輪1傳動比；p1伺服

46、電動機編碼器分辨率。水平速度和伺服電動機轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系見公式4.8：n1=60v1i1c1 （4.8）fn1=n1pm1轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為頻率公式見公式(4.9)： （4.9）式中 fn1水平速度v1轉(zhuǎn)化的頻率（hz）。將公式4.7、公式4.8代入公式4.9整理得fn1=i12c1260v1p1 （4.10） fa1=i1c1a1250pm1加速度轉(zhuǎn)化頻率時，對應(yīng)為每4ms的頻率增量，所以加速度轉(zhuǎn)化為頻率公式見4.11：（4.11） 式中 a1水平加速度（mm/s2）。因為水平實時位移等于累計脈沖與脈沖當(dāng)量的乘積，即l=q1pm1 （4.12）式中 q1伺服電動機1累計脈沖個數(shù)。同理，v2轉(zhuǎn)化頻率見公式

47、（4.13）：fn2=i12c1260v2p1 （4.13） 式中 fn2水平速度v2轉(zhuǎn)化的頻率。水平運動過程為開始acc 加速，當(dāng)達到v1轉(zhuǎn)化的頻率后開始勻速，當(dāng)?shù)竭_減速點b時acc減速，減速到v2轉(zhuǎn)化的頻率時，低速勻速運動，當(dāng)達到計算位移時，運動停止，當(dāng)調(diào)用水平返回子程序時， 先acc加速返回，當(dāng)達到v1轉(zhuǎn)化頻率開始勻速，勻速到減速點h時，acc減速，減速到v2轉(zhuǎn)化的頻率時，開始低速運行，勻速到左限位運動停止。 同理，豎直運動數(shù)學(xué)建模與水平運動數(shù)學(xué)建模計算過程相同，這里不再重復(fù)。5 人機交互界面設(shè)計人機交互（英文：human-computer interaction或human-machi

48、ne interaction,簡稱hci或hmi），是一門研究系統(tǒng)與用戶之間的交互關(guān)系的學(xué)問。人機交互界面（human-computer interface或human-machine interface）大量運用在工業(yè)與商業(yè)上，簡單的區(qū)分為“輸入”（input）與“輸出”（output）兩種，指的是由人來進行機械或設(shè)備的操作，如把手、開關(guān)、門、指令（命令）的下達等，而輸出指的是由機械或設(shè)備發(fā)出來的通知，如故障、警告、操作說明提示等，好的人機界面會幫助用戶更簡單、更準(zhǔn)確、更迅速的操作機械，也能使機械發(fā)揮到最大的性能并延長使用壽命，而且目前市面上所指的人機界面則多界狹義的只在軟件人性化的操作接口

49、上。5.1 pc與hmi間的通訊圖5.1為pc與hmi間的通訊【13】連接，利用eb8000的在線模擬功能，pc可以透過以太網(wǎng)絡(luò)擷取hmi上的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)保存在pc上。圖 5.1 pc與hmi間的通訊連接pc也可以利用控制hmi上的系統(tǒng)保留寄存器（lb與lw），直接控制hmi。相對的，hmi也可以直接控制pc的行為表現(xiàn)，例如要求pc儲存hmi或plc上的數(shù)據(jù)。5.2 觸摸屏的界面設(shè)計根據(jù)本課題人機界面要求，可以設(shè)置為主界面、存貨界面、取貨界面、水平參數(shù)界面、豎直參數(shù)界面、水平返回參數(shù)界面、豎直返回參數(shù)界面、手動界面。5.2.1 主界面設(shè)計及地址分配主界面設(shè)置如圖5.2所示 ，設(shè)置水平參數(shù)

50、，設(shè)置豎直參數(shù)，手動設(shè)置、存貨、取貨按鈕都是由功能鍵實現(xiàn)的?！肮δ苕I”元件提供窗口切換、調(diào)用其它窗口、關(guān)閉窗口等功能，也可用來設(shè)計鍵盤的按鍵。按下按鈕時就會轉(zhuǎn)到相應(yīng)界面。在主界面中有16個指示燈，它們都是由位狀態(tài)控制的，來顯示相應(yīng)貨格有無貨，“位狀態(tài)指示燈”元件用來顯示位寄存器的狀態(tài)。狀態(tài)為off，則顯示所使用圖形的狀態(tài)0；狀態(tài)為on，則顯示所使用圖形的狀態(tài)1。修改標(biāo)簽狀態(tài)為0時對應(yīng)無貨，狀態(tài)為1時對應(yīng)有貨。16個指示燈位地址分別對應(yīng)w300.00,w300.01,w300.02,w300.03,w300.04,w300.05,w300.06,w300.07,w300.08,w300.09,w

51、300.10.w300.11, w300.12,w300.13,w300.14, w300.15。圖5.2 主界面5.2.2 水平和豎直參數(shù)界面設(shè)置水平參數(shù)界面設(shè)置如圖5.3所示，設(shè)置豎直參數(shù)和主菜單是由功能鍵控制的，其余的都是由文本框和數(shù)值輸入實現(xiàn)的，“數(shù)值輸入”元件可以用來顯示所指定寄存器內(nèi)的數(shù)值，還可以使用鍵盤輸入數(shù)據(jù)，來修改寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)。例如點擊v1所對應(yīng)的數(shù)值輸入框時，會自動出現(xiàn)鍵盤，此時可以輸入數(shù)據(jù)，其它數(shù)值輸入框格與此相同，圖5.4為輸入后顯示界面，數(shù)值是根據(jù)用戶需求設(shè)置的。當(dāng)按下設(shè)置豎直參數(shù)或返回主菜單按鈕時會轉(zhuǎn)到對應(yīng)界面。各參數(shù)對應(yīng)地址見表5.1所示。豎直界面與水平界面類似，不再重復(fù)，地址分配見表5.2。 圖 5.3 水平界面參數(shù)設(shè)置圖 5.4 水平界面參數(shù)設(shè)置后表5.1 水平界面地址分配名稱地址名稱地址速度v1d300初始距離l0d307速度v2d301齒輪模數(shù)m1d304加速度a1d302齒輪齒數(shù)z1d305編碼器分辨率p1d303傳動比i1d306貨格長度s0d308表5.2 豎直界面地址分配名稱地址名稱地址速度v3d400貨格高度s1d407速度v4d401齒輪模數(shù)m2d404加速度a2d402齒輪齒數(shù)z2d405編碼器分辨率p2d403傳動比i2d4065.2.3 存貨和取貨