晶英石板堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(開(kāi)題報(bào)告)

1、 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告學(xué)生姓名： 高成 導(dǎo)師姓名、職稱： 肖純 教授 所屬學(xué)院： 自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化1101班 設(shè)計(jì)（論文）題目：晶英石板堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2016年 2月28日 開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求1開(kāi)題報(bào)告應(yīng)根據(jù)教師下發(fā)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)，在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立撰寫(xiě)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始后兩周內(nèi)完成。2開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）填寫(xiě)并打?。ń勾蛴≡谄渌埳虾蠹糍N），完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師審閱。3“設(shè)計(jì)的目的及意義”至少800字，“基本內(nèi)容和技術(shù)方案”至少400字。進(jìn)度安排應(yīng)盡可能詳細(xì)。4指導(dǎo)教師意見(jiàn)：學(xué)生的調(diào)研是否充分

2、？基本內(nèi)容和技術(shù)方案是否已明確？是否已經(jīng)具備開(kāi)始設(shè)計(jì)（論文）的條件？能否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)？是否同意進(jìn)入設(shè)計(jì)（論文）階段？1、 目的及意義（含國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）水泥混凝土制品是以水泥為基材經(jīng)過(guò)深加工制成的工業(yè)產(chǎn)品，屬建筑材料工業(yè)的一部分。由于水泥混凝土制品具有優(yōu)良的物理、力學(xué)性能和耐久性能，能按設(shè)計(jì)要求制成所需的形狀，能耗低、使用壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用少，節(jié)約金屬材料和木材等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。所以，在我國(guó)的城鄉(xiāng)房屋建設(shè)、農(nóng)田水利建設(shè)、能源、交通、通訊等工程建設(shè)領(lǐng)域中得到極為廣泛的應(yīng)用，為我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高發(fā)揮著非常重要的作用。在建筑工業(yè)化、住宅產(chǎn)業(yè)化、墻體材料革新和綠色建筑、低碳生態(tài)等

3、一系列國(guó)家發(fā)展政策的推動(dòng)下，混凝土制品機(jī)械行業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅速，在我國(guó)形成了很大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，巨大市場(chǎng)需求使混凝土制品機(jī)械品種、規(guī)格、整機(jī)性能等均得到快速提升，國(guó)際上知名的混凝土制品生產(chǎn)設(shè)備企業(yè)均進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，如美國(guó)貝賽爾、德國(guó)瑪莎、海斯、日本虎牌、德國(guó)安夫曼、威克曼、希而科等，為我國(guó)混凝土制品機(jī)械發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。行業(yè)內(nèi)骨干企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)性能以及質(zhì)量穩(wěn)定性可以與國(guó)際同行相媲美，但部分混凝土制品機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)山于經(jīng)營(yíng)規(guī)模小，技術(shù)力量薄弱，生產(chǎn)裝備投入不足，導(dǎo)致生產(chǎn)出的機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性差。低質(zhì)量設(shè)備生產(chǎn)出來(lái)的混凝土制品，無(wú)論是從產(chǎn)品外觀上，還是從產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量上，都難以穩(wěn)定地達(dá)到

4、制品標(biāo)準(zhǔn)要求，從而造成砌塊建筑、預(yù)制建筑墻體時(shí)常出現(xiàn)滲、漏、裂等問(wèn)題，再加上砌體建筑、預(yù)制建筑施工技術(shù)水平的參差不齊，給砌塊建筑、預(yù)制建筑聲譽(yù)造成嚴(yán)重不良影響，降低了混凝土制品在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和預(yù)制建筑中的推廣使用。在以“科學(xué)可持續(xù)發(fā)展”、“節(jié)能減排低碳生態(tài)”為主題的新經(jīng)濟(jì)時(shí)代，特別是國(guó)家“十二五”“調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變發(fā)展模式”發(fā)展戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施，混凝土制品機(jī)械行業(yè)的重要地位必將逐步顯現(xiàn)。勞動(dòng)力資源短缺、人工成本增加、混凝土制品生產(chǎn)企業(yè)勞動(dòng)環(huán)境差將為混凝土制品機(jī)械向機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化轉(zhuǎn)型提供原動(dòng)力和廣闊市場(chǎng)空間。為了提高混凝土石板的制作生產(chǎn)效率和讓人從繁重的勞動(dòng)解脫出來(lái)，混凝土石板的制作生

5、產(chǎn)必然要向機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化的方面發(fā)展，這樣才能滿足建筑建材市場(chǎng)日益擴(kuò)大的需求。在這樣的生產(chǎn)量巨大的時(shí)代，混凝土石板的生產(chǎn)存儲(chǔ)是個(gè)迫于解決的問(wèn)題，所以倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化是水泥制品的一個(gè)重要趨勢(shì)。目前水泥生產(chǎn)的自動(dòng)化水平較低，水泥石板存放運(yùn)輸存在較大的難度，所以采用多功能堆垛機(jī)不僅可以解決生產(chǎn)拆卸模具的問(wèn)題，還能在混凝土石板的搬運(yùn)存放起到極大的作用。堆垛機(jī)技術(shù)是伴隨著自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)慢慢發(fā)展起來(lái)的。最近幾年國(guó)內(nèi)的自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)得到了快速發(fā)展，堆垛機(jī)也在行走速度、定位精度和減噪等技術(shù)指標(biāo)上有了很大的改進(jìn)，并在機(jī)械制造、汽車(chē)、紡織、鐵路、煙草等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但是跟國(guó)外比較，我國(guó)堆垛機(jī)存在最低存取貨物高

6、度比較高，高速運(yùn)行時(shí)噪音比較大，而且穩(wěn)定性差等問(wèn)題，所以我國(guó)堆垛機(jī)在綜合性能方面還亟待改善。本課題研究的目的和意義在于，在物流倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模普及應(yīng) 用的大背景下，結(jié)合晶英石板生產(chǎn)的實(shí)際需要，對(duì)堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，研發(fā)出一套有效的切合石板生產(chǎn)實(shí)際的自動(dòng)化控制方案，以滿足工程設(shè)計(jì)的要求。2、設(shè)計(jì)任務(wù)和技術(shù)方案本課題的研究?jī)?nèi)容主要包括以下內(nèi)容：了解堆垛機(jī)生產(chǎn)線相關(guān)工藝，分析系統(tǒng)功能需求并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，包括各類電機(jī)伺服選型、傳感器和極限開(kāi)關(guān)等，并根據(jù)功能需求確定PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)，合理選擇PLC及CPU的型號(hào)、確定HMI型號(hào)；利用AutoCAD軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)電氣控制圖，利

7、用TIA編寫(xiě)系統(tǒng)控制程序并進(jìn)行系統(tǒng)仿真； 研究“一軌雙車(chē)”系統(tǒng)工作效率的優(yōu)化算法，運(yùn)用TIA模塊化編程實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行必要的仿真驗(yàn)證。技術(shù)方案確定如下： 功能分析堆垛機(jī)主要完成的任務(wù)是將已灌滿混凝土（晶英石板原料）的磨具拆開(kāi)，并將模具板和產(chǎn)品板分開(kāi)放置，模具板放置皮帶機(jī)上，產(chǎn)品板放置運(yùn)送小車(chē)上。待拆物由51塊鋼制模具板和50塊晶英石板組成，總量約5噸，拆前需將其豎立起來(lái)。所以需要完成的任務(wù)就是拆前豎立起模具與產(chǎn)品板，利用堆垛機(jī)將產(chǎn)品板與模具板分開(kāi)并分別放置在指定位置。主要包括四個(gè)主要的動(dòng)作過(guò)程，分別是未拆物豎立旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、堆垛機(jī)的上下運(yùn)動(dòng)、物品板的抓拿操作，以及堆垛機(jī)水平行走。為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能必須對(duì)

8、系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。 未拆物豎立旋轉(zhuǎn)裝置在拆拿模具板與產(chǎn)品板之前需要將它們的未拆物豎立起來(lái)，為此利用一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)目的。旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量尤為重要，旋轉(zhuǎn)角度不夠90º無(wú)法將未拆物放穩(wěn)，就不能繼續(xù)之后的抓拿工作；如果電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度超出90º，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可能將受到擠壓而損壞。為了實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的精準(zhǔn)定位，選擇一款合適的工業(yè)用角度傳感器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)角度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以保證工作安全精準(zhǔn)。除此方案外，還可以使用伺服系統(tǒng)來(lái)帶動(dòng)目標(biāo)板旋轉(zhuǎn)。 堆垛機(jī)上下伸縮運(yùn)動(dòng)豎直方向的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)載貨臺(tái)在豎直方向上尋址，確保在預(yù)定貨位對(duì)應(yīng)的高度處停準(zhǔn)。伸縮運(yùn)動(dòng)主要是由一臺(tái)電機(jī)完成，而下

9、降高度的測(cè)量則可選擇使用旋轉(zhuǎn)編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器可以安裝在電機(jī)上測(cè)量電機(jī)旋轉(zhuǎn)周數(shù)，以換算伸縮裝置的下降距離。伸縮運(yùn)動(dòng)中最為重要的是監(jiān)測(cè)抓拿裝置與目標(biāo)板的接觸距離，只有精確的測(cè)量才能讓抓拿裝置與目標(biāo)緊密貼合實(shí)現(xiàn)抓取。但是由于開(kāi)始時(shí)吸盤(pán)與目標(biāo)物的距離未知，所以可以選擇在吸盤(pán)上方增加一組光電開(kāi)關(guān)，當(dāng)吸盤(pán)與目標(biāo)板接觸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)給PLC，PLC再發(fā)出指令讓電機(jī)緩慢停止并開(kāi)始吸合操作。此次設(shè)計(jì)中使用的板材抓取裝置是吸盤(pán)，這是與目標(biāo)板 特性相符合的。目標(biāo)板是由模具板和經(jīng)營(yíng)石板組成的，兩者都是較為光滑的板材且質(zhì)地較為堅(jiān)硬，使用吸盤(pán)能較好地接觸目標(biāo)板材。 物品板的抓拿操作在完成吸盤(pán)的伸縮運(yùn)動(dòng)且接觸到

10、目標(biāo)板后，接下來(lái)的操作就是使用吸盤(pán)緊緊吸合目標(biāo)板，如果要完成這樣的操作需要在吸盤(pán)內(nèi)腔裝設(shè)一組氣壓傳感器，用來(lái)測(cè)量吸盤(pán)在吸合過(guò)程中的內(nèi)腔壓力。只有在合理的設(shè)計(jì)內(nèi)腔真空度大小才能使物品板緊貼吸盤(pán)以不致在運(yùn)送過(guò)程中掉落，兩個(gè)夾持吸盤(pán)會(huì)設(shè)定不同的真空吸力，因?yàn)槟＞吲c產(chǎn)品在重量和材質(zhì)上是不同的。在做好吸合操作后，接下來(lái)便要在物品板到達(dá)指定位置后放置，這個(gè)過(guò)程需要光電接近開(kāi)關(guān)率先判斷放置高度是否合理，在滿足高度的情況下，需要將吸盤(pán)的真空解除即去吸合過(guò)程。需要使用配合吸盤(pán)的特性，PLC給予指令讓吸盤(pán)上的電磁閥逐漸打開(kāi)使吸盤(pán)與物品板分離，這個(gè)過(guò)程需要一定的柔度，不然會(huì)使物品損壞，所以電磁閥開(kāi)度的快慢需要精確的

11、嘗試設(shè)計(jì)。 堆垛機(jī)水平行走這里的堆垛機(jī)是兩臺(tái)，工作在同一條導(dǎo)軌上，屬于一軌雙車(chē)的調(diào)度問(wèn)題。一號(hào)車(chē)先工作取模具，二號(hào)車(chē)在一號(hào)車(chē)的取貨處拿取產(chǎn)品板，這樣重復(fù)操作直至取貨處的板材被取完工作才算結(jié)束。一軌雙車(chē)的示意圖如圖1所示。圖1 “一軌雙車(chē)”示意圖一軌雙車(chē)的最基本要求是不能撞車(chē)，為此需要人為設(shè)計(jì)兩者的互相配合的行車(chē)路線，具體的軌跡需要在現(xiàn)場(chǎng)考察后作出。橋式軌道運(yùn)行還需要小車(chē)的行進(jìn)要有區(qū)間，避免不必要的路程以增加工作效率。處于安全生產(chǎn)的考慮，小車(chē)的水平行進(jìn)方向還要增加極限保護(hù)開(kāi)關(guān)，避免小車(chē)因失控而撞車(chē)。到此四個(gè)主要?jiǎng)幼魅蝿?wù)的方案設(shè)計(jì)基本完成，有些細(xì)節(jié)問(wèn)題需要在工程方案實(shí)施后再作相關(guān)的改進(jìn)。 硬件設(shè)計(jì)

12、根據(jù)系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括各類電機(jī)伺服選型、傳感器和極限開(kāi)關(guān)等，并根據(jù)功能需求確定PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)，合理選擇PLC及CPU的型號(hào)、確定HMI型號(hào)。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。圖2 系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)考慮到了各類硬件之間的作用關(guān)系，并根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)的可行性，可對(duì)相關(guān)硬件進(jìn)行初設(shè)計(jì)。對(duì)于PLC主機(jī)設(shè)計(jì)需要綜合考慮輸入輸出點(diǎn)數(shù)、價(jià)格等因素，而本系統(tǒng)的控制速度要求不高，點(diǎn)數(shù)較少，所以可以考慮使用西門(mén)子S7-200，其CPU可以選擇224或226系列。與其對(duì)應(yīng)的HMI可選西門(mén)子系列，也可以考慮選擇相關(guān)的兼容產(chǎn)品。直流電機(jī)功率、電磁閥選取需要根據(jù)吸盤(pán)的使用功率，也就是由吸取貨物重量決定的。吸盤(pán)的

13、具體參數(shù)需要根據(jù)吸取貨物的重量和面積來(lái)選取，不能太大或太小。系統(tǒng)中最為重要的是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)堆垛機(jī)的順利運(yùn)行，為此可以選取可靠性較高的伺服裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)堆垛機(jī)行駛要求，需要選取伺服電機(jī)參數(shù)，并根據(jù)電機(jī)參數(shù)選取相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)中堆垛機(jī)的定位控制主要依靠極限開(kāi)關(guān)、光電編碼器，各類傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到系統(tǒng)對(duì)象的特點(diǎn)-鐵質(zhì)板與水泥板，傳感器的選取可以電感式、光電式類的傳感器。 軟件設(shè)計(jì)本研究對(duì)堆垛機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)的具體設(shè)的時(shí)候，上位機(jī)能夠完成如下作業(yè)： 輸入作業(yè)指令，分配作業(yè)指令，顯示狀態(tài)；PLC 把主要的控制任務(wù)予以很好地完成。PLC 控制堆垛機(jī)的主要任務(wù)有： 處理作業(yè)命令 根據(jù)傳感器及開(kāi)關(guān)傳回信

14、號(hào)，對(duì)當(dāng)前作業(yè)的具體狀態(tài)以及具體指令予以確定。 處理定位檢測(cè) 對(duì)傳感器和光電開(kāi)關(guān)的具體狀態(tài)予以檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)當(dāng)前載貨臺(tái)以及堆垛機(jī)的具體位置進(jìn)行判斷。 停車(chē)和處理調(diào)速 按照堆垛機(jī)和目標(biāo)地之間的具體距離，將速度信號(hào)輸出，停車(chē)前，切換運(yùn)行速度到低檔，慢慢地和目標(biāo)位置靠近，實(shí)現(xiàn)停車(chē)的準(zhǔn)確，制動(dòng)的迅速。 控制作業(yè)任務(wù)對(duì)應(yīng)的具體順序邏輯 按照指定指令和調(diào)度任務(wù)的具體策略。對(duì)邏輯控制的具體信號(hào)予以確定，將取貨的具體作業(yè)予以很好地完成。如果將堆垛機(jī)的水平運(yùn)動(dòng)視為X軸運(yùn)動(dòng)，堆垛機(jī)伸縮運(yùn)動(dòng)視為Z軸運(yùn)動(dòng)，吸盤(pán)的抓拿叫作抓取操作，系統(tǒng)由手動(dòng)操作和全自動(dòng)控制模式，那么系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示。圖3 （a）主系統(tǒng)流程圖

15、（b）X/Z軸運(yùn)動(dòng)流程圖系統(tǒng)按照如上工作流程將完成設(shè)計(jì)目標(biāo)，無(wú)論系統(tǒng)是正常工作還是出現(xiàn)異常狀態(tài)，PLC都會(huì)快速處理解決問(wèn)題，這都將依賴于系統(tǒng)通訊接口的可靠性。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)通訊線路時(shí)需要做好較好的隔離保護(hù)設(shè)施，一些線路需要經(jīng)常檢修維護(hù)，只有這樣堆垛機(jī)才能按照給定完成任務(wù)。3、進(jìn)度安排第1-4周 根據(jù)指導(dǎo)老師下達(dá)的任務(wù)書(shū)查閱相關(guān)資料，完成開(kāi)題報(bào)告和技術(shù)方案；第4-6周 根據(jù)開(kāi)題時(shí)計(jì)劃的方案，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，選擇傳感器類型；第7-10周 設(shè)計(jì)控制電路，繪制原理圖；第11-12周 完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)硬件仿真測(cè)試；第13-14周 完成程序編寫(xiě)，進(jìn)行仿真和調(diào)試；并且開(kāi)始撰寫(xiě)畢業(yè)論文第15周 完成論文提交

16、稿，參加答辯。4、 參考文獻(xiàn)1 廖常初. PLC梯形圖的順序控制設(shè)計(jì)法與順序功能圖J. 電氣應(yīng)用, 2004(10):51-53.2 王洪猛, 謝建君, 曾云. 基于PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2004, 23(7):25-27.3 周曉光. PLC選型和設(shè)計(jì)的要點(diǎn)J. 電梯工業(yè), 2003(1):26-27.5 曲波. 工業(yè)常用傳感器選型指南M. 清華大學(xué)出版社, 2002.6 范鯤. 基于西門(mén)子變頻器的PLC控制程序設(shè)計(jì)J. 精密制造與自動(dòng)化, 2009(02):39-41.7 李娟, 田立臣. 西門(mén)子S7-1500PLC在螺紋鋼生產(chǎn)線中的應(yīng)用J. 可編程控制器

17、與工廠自動(dòng)化, 2014(6):3-5.8 劉安杰. 西門(mén)子PLC定時(shí)器應(yīng)用原理與編程技巧J. 可編程控制器與工廠自動(dòng)化, 2007(2):51-53.9 任永強(qiáng), 汪超, 洪婉君, 王鵬. 基于遺傳算法的立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)路徑規(guī)劃J. 物流科技, 2015(8):2-5.10 徐白羽, 代存杰, 祁亞運(yùn). “一軌雙車(chē)”在巷道堆垛自動(dòng)化立體車(chē)庫(kù)中的應(yīng)用研究J. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014(12):1-4.11 海外新產(chǎn)品與新技術(shù). 意大利的一種可拆卸混凝土砌塊(磚)模具J. 建筑砌塊與砌塊建筑, 2013(1):1-2.12 奚飛達(dá). 我國(guó)水泥混凝土制品標(biāo)準(zhǔn)化工作現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J.

18、 混凝土世界, 2010,2(8):71-74.13 Peng Shang, Zhiping Cui, Wentao Zang, Shaowen Song, Yuming Guan. Main structural design and motion simulation of stacker reclaimer based on Virtual Prototype Technology A. The 2nd International Conference on Materials Science and Manufacturing（ICMSM2013）C, 2013.14 Anonymous. SuperStacker Solves a Mine's Milling Dilemma J. Engineering and Mining Journal, 2015, Vol.216 (6)