智能倉儲控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1、智能倉儲控制系統(tǒng)設(shè)計方案1 緒論現(xiàn)代倉儲系統(tǒng)集成了先進(jìn)物流設(shè)備、 自動控制系統(tǒng)、 計算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)、 信息識別和信息管理系統(tǒng)等， 其目的是擴(kuò)大倉儲作業(yè)能力， 提高勞動生產(chǎn)率， 減少倉儲作業(yè)差錯， 獲取更大利潤。 其中，倉儲控制系統(tǒng)是現(xiàn)代倉儲系統(tǒng)的重要組成部分，是倉儲高效運(yùn)行的核心。 倉儲系統(tǒng)中的自動分揀系統(tǒng)、 自動入出庫系統(tǒng)等廣泛使用自動控制系統(tǒng)。 隨著物流企業(yè)規(guī)模擴(kuò)大和物流技術(shù)的發(fā)展， 自動化立體倉庫和中小規(guī)模自動化倉儲系統(tǒng)普遍推廣應(yīng)用， 倉儲控制系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度也日益提高，越來越多的使用計算機(jī)控制、 PLC控制，甚至 DCS控制設(shè)備，這就直接導(dǎo)致了倉儲控制系統(tǒng)的開發(fā)、 維護(hù)難度增大。 本

2、文以一個典型倉儲系統(tǒng)為研究對象，以三菱 PLC為核心建立其控制系統(tǒng)，系統(tǒng)地介紹了整個平臺的組成和如何運(yùn)用一個三菱 PLC實現(xiàn)倉儲自動化的工作原理。在此基礎(chǔ)上，以一條模擬流水線系統(tǒng)中的小型自動化倉庫為研究對象， 進(jìn)一步介紹了智能倉儲各部分的工作原理以及設(shè)計出了利用三菱 PLC控制系統(tǒng)完成智能分揀、入庫、出庫的程序設(shè)計。該智能倉儲控制系統(tǒng)給出了一種智能化、經(jīng)濟(jì)型的倉庫自動化設(shè)計方案和采用三菱PLC梯形圖設(shè)計出的最佳程序。2 課題任務(wù)的容和要求1、首先通過有關(guān)書籍對PLC技術(shù)、傳感器技術(shù)進(jìn)行初步學(xué)習(xí)。2、本文要研究的倉儲系統(tǒng)如下圖所示。3、倉儲模擬場地是在普通地面上使用寬 30mm的與地面盡可能有最

3、大顏色反差的膠條作為引導(dǎo)線或標(biāo)志線；機(jī)器人出發(fā)區(qū)為 300mm×300mm的區(qū)域；沿出發(fā)區(qū)有引導(dǎo)線 ab 和 cd 兩段，cd 引導(dǎo)線直達(dá)停止區(qū)，停止區(qū)也是 300mm ×300mm的區(qū)域。中間 bc 段 500mm的距離無引導(dǎo)線。引導(dǎo)線 ab 通過 O 點(diǎn)，O點(diǎn)處有一條長 200mm，寬 30mm的線與引導(dǎo)線正交；在距離 O點(diǎn) 350mm 的圓周上有 A、B、C、D、E、F 六個點(diǎn)。這六個點(diǎn)以引導(dǎo)線為對稱軸，分布在引導(dǎo)線兩側(cè)。 B、O、E 三點(diǎn)在一條直線上， BE垂直于引導(dǎo)線， AOB= BOC= DOE= EOF=45°。 e 點(diǎn)距 c 點(diǎn) 350mm。在引導(dǎo)

4、線 cd 的側(cè)方設(shè)置有 G、H、I 三個收料槽，三個收料槽底部為 65× 65mm的正方形，幫高 15mm。三個收料槽的中心線與 cd 引導(dǎo)線垂直，相較于 e 點(diǎn)。收料槽 G的中心，距離引導(dǎo)線 cd 350mm， G、H、 I 之間相距 150mm。機(jī)器人收取紅、白、黑三種顏色的立方體工件，分別送入指定的收料槽。 （如圖 2.1 ）圖 2.1倉儲系統(tǒng)的基本組成3 倉儲系統(tǒng)及機(jī)器人的工作過程如圖 2.1 ，關(guān)節(jié)型機(jī)器人從出發(fā)區(qū)開始沿引導(dǎo)線或者標(biāo)志線前進(jìn)，當(dāng)碰到O點(diǎn)處的行程開關(guān)（十字引導(dǎo)線處）時便停下，并且記下 O點(diǎn)行程開關(guān)被碰到的次數(shù)。此時貨物被分別放置在 AF 的平臺上，通過部程序關(guān)

5、節(jié)型機(jī)器人拾取物料。當(dāng)機(jī)械臂回到參考點(diǎn)時，關(guān)節(jié)型機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。行至 e 點(diǎn)時，關(guān)節(jié)型機(jī)器人觸動了 e 點(diǎn)的行程開關(guān)，經(jīng)過程序處理，一使 ef 段的傳送帶開始工作，二使關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)械臂動作，將物料放置在傳送帶上。當(dāng)貨物經(jīng)過傳送帶到達(dá) G、H、I 三點(diǎn)時，安裝在這三點(diǎn)的色彩識別傳感器就會分別檢測貨物的顏色，當(dāng)發(fā)現(xiàn)顏色符合色彩識別傳感器部程序的時候，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號給 PLC。一使 ef 傳送帶停止， 二使對應(yīng)的氣缸動作， 推動貨物至相應(yīng)的收料槽。當(dāng)機(jī)械臂回到參考點(diǎn)時， 控制后退電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)， 拾取其他的物料，重復(fù)以上操作。當(dāng)觸及O點(diǎn)行程開關(guān)的次數(shù)達(dá)到六次時，而且機(jī)械臂回到參考點(diǎn)時，機(jī)器人便會向停止

6、區(qū)運(yùn)行繼續(xù)前進(jìn)， 觸及到 d 點(diǎn)行程開關(guān)時延時1-2秒，確保到達(dá)停止區(qū)后便停止運(yùn)行。4 分揀機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)4.1分揀機(jī)構(gòu)工作過程（如圖 4.3 ）在 e 點(diǎn)安裝一個行程開關(guān) (X001) ，當(dāng)檢測到機(jī)器人到達(dá) e 點(diǎn)時，通過 PLC程序提取行程開關(guān)（ X001）的上升沿來控制 ef 段的傳送帶開始工作，并且控制關(guān)節(jié)型機(jī)器人將物料放置在傳送帶上。 分別在 G、H、I 三點(diǎn)安裝紅、白、黑三色顏色傳感器 (X002、X003、X004)，傳送帶將工件運(yùn)送至 G點(diǎn)時，當(dāng) G點(diǎn)顏色傳感器（紅色）檢測到工件為紅色時， G點(diǎn)顏色傳感器（ X002）發(fā)出信號，通過 PLC程序，此時一使傳送帶停止便于物料停止位

7、置和收料槽在一條直線上， 二使 G點(diǎn)的氣缸 (Y002) 動作，從而將紅色工件送入對應(yīng)的收料槽； 若檢測到 G點(diǎn)工件不是紅色，則 G點(diǎn)氣缸不采取任何動作，而是由傳送帶將該工件運(yùn)送至 H 點(diǎn)；當(dāng) H 點(diǎn)顏色傳感器（白色）檢測到工件為白色時， H點(diǎn)顏色傳感器 (X003) 發(fā)出信號，通過 PLC程序，一使傳送帶停止便于物料停止位置和收料槽在一條直線上，二使 H 點(diǎn)的氣缸 (Y003) 動作，從而將白色工件送入對應(yīng)的收料槽；若檢測到H點(diǎn)工件不是白色，則H點(diǎn)氣缸不采取任何動作，而是由傳送帶將該工件運(yùn)送至I點(diǎn)；當(dāng) I 點(diǎn)顏色傳感器（黑色）檢測到工件為黑色時， I 點(diǎn)顏色傳感器 (X004) 發(fā)出信號，通

8、過 PLC程序，一使傳送帶停止便于物料停止位置和收料槽在一條直線上，二使 I 點(diǎn)的氣缸 (Y004) 動作，從而將黑色工件送入對應(yīng)的收料槽。 當(dāng)機(jī)器人的機(jī)械臂回到參考點(diǎn)并且末端執(zhí)行器沒有物料時候，機(jī)器人回頭拾取第二個物料。通過 PLC提取只要有一個顏色傳感器檢測到物料使得傳送帶停止工作。從而完成了一個周期收料過程。當(dāng)機(jī)器人中的六個立方體工件全部運(yùn)送至收料槽后，機(jī)器人開始向停止區(qū)運(yùn)動。4.2分揀機(jī)構(gòu)梯形圖程序X1：e 點(diǎn)處的行程開關(guān)Y1：收料槽皮帶輪執(zhí)行電機(jī)X2：收料槽 G顏色傳感器Y2：收料槽 G處對應(yīng)的電磁閥X3：收料槽 H 顏色傳感器Y3：收料槽 H 處對應(yīng)的電磁閥X4：收料槽 I 顏色傳

9、感器Y4：收料槽 I 處對應(yīng)的電磁閥4.3分揀機(jī)構(gòu)各硬件布置圖圖 4.34.4分揀機(jī)構(gòu)零部件行程開關(guān)參數(shù)：機(jī)械壽命1000 萬次以上，電氣壽命： 30 萬次以上 ( 額定負(fù)載 ) ，電磁接觸器 FC-100(AC200V)負(fù)載： 500 萬次以上，最大通電頻率120 次/ 分鐘顏色傳感器氣缸5 關(guān)節(jié)型機(jī)器人控制系統(tǒng)的實現(xiàn)5.1 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的大致說明首先機(jī)器人我們選擇的是關(guān)節(jié)型機(jī)器人，下圖為機(jī)器人通用的形式：1機(jī)座 2 控制系統(tǒng) 3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)下圖為關(guān)節(jié)型機(jī)器人末端執(zhí)行器的機(jī)械圖：1 手爪 2 傳動機(jī)構(gòu)3 驅(qū)動裝置4 支架 5 物料5.2 實現(xiàn)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的控制過程如下圖所示為智能倉儲中機(jī)器人的

10、整體結(jié)構(gòu)實際效果圖。該機(jī)器人以PLC為核心，接受傳感器傳來的外部信息，進(jìn)行處理，控制機(jī)器人運(yùn)行。引導(dǎo)線檢測模塊在機(jī)器人的運(yùn)行過程中起著引導(dǎo)的作用。 根據(jù)白色和黑色反射系數(shù)不同， 通過以光電傳感器為核心的光電檢測電路將路面兩種顏色進(jìn)行區(qū)分， 轉(zhuǎn)化為不同電平信號，將此電平信號送入 PLC，由 PLC控制轉(zhuǎn)向電機(jī)作相應(yīng)的轉(zhuǎn)向，保證小車沿引導(dǎo)線行駛。而且考慮到小車與路面的相對位置， 采用了反射式光電檢測電路。為了提高檢測精度， 采用了多傳感器信息融合技術(shù)。 設(shè)計中，在車頭均勻布置三個光電傳感器，其中，中間一個安裝在小車正中央。光電檢測轉(zhuǎn)換電路機(jī)器人左右兩端分別布置一個傳感器， 經(jīng)過正確的電路與 PLC

11、相連接。若兩側(cè)某一傳感器檢測到黑線， 表明小車正脫離軌道， 將 3 個檢測點(diǎn)的結(jié)果融合后作為 PLC的輸入，機(jī)器人按照 PLC信息進(jìn)行判斷調(diào)整，實現(xiàn)路徑跟蹤和自動糾偏。若兩側(cè)的兩個傳感器同時檢測到黑線， 表明小車行駛至裝貨位置， 將 3 個監(jiān)測點(diǎn)的結(jié)果融合后作為 PLC的輸入，機(jī)器人按照 PLC信息進(jìn)行判斷，實現(xiàn)運(yùn)動的暫停與繼續(xù)。工件裝卸檢測電路若機(jī)器人經(jīng)過距離 a 點(diǎn) 550mm處的工件裝載點(diǎn)時，通過光電傳感器一來控制機(jī)器人暫停前進(jìn)， 同時給 PLC發(fā)信號啟動關(guān)節(jié)型機(jī)器人實現(xiàn)物料的抓取。 在抓取的過程中，根據(jù)六個物料分布在以機(jī)器人停止點(diǎn)為圓心的圓周上面， 所以根據(jù)已有的數(shù)據(jù)得出機(jī)器人各個關(guān)節(jié)

12、的運(yùn)動矩陣， 從而實現(xiàn)物料的抓取。 末端執(zhí)行器采用氣動真空抽吸和真空吹氣的形式。 當(dāng)末端執(zhí)行器吸有物料的時候， 光電傳感器檢測到有物料， 此時機(jī)械臂返回參考點(diǎn)， 當(dāng)參考點(diǎn)的位置開關(guān)被觸動， 才能使得機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。 送物料的時候同樣的原理， 真空吹氣， 末端執(zhí)行器上面的傳感器檢測到?jīng)]有物料， 而且機(jī)械臂回到參考點(diǎn)才能啟動機(jī)器人進(jìn)行下一個物料的拾取和循環(huán)。此時為了保證裝載有工件的機(jī)器人能平穩(wěn)運(yùn)行， 必須將機(jī)器人手臂的位置（參考點(diǎn)）調(diào)整至與運(yùn)行方向在同一平面。直到從 AF（如圖）中的工件全部裝載完畢。當(dāng) O的行程開關(guān)被觸及的次數(shù)達(dá)到六次時候， PLC會給機(jī)器人發(fā)信號，即送完物料之后， 機(jī)器人直接往

13、停止區(qū)域前進(jìn)， 不再執(zhí)行回頭拾取物料的指令。5.3控制機(jī)器人系統(tǒng)的梯形圖程序X5: 出發(fā)區(qū)域的微動開關(guān)Y5:控制機(jī)器人前進(jìn)的電機(jī)X6: 關(guān)節(jié)型機(jī)器人左側(cè)的光電傳感器Y6:控制機(jī)器人右拐的電機(jī)X7: 關(guān)節(jié)型機(jī)器人右側(cè)的光電傳感器Y7:控制機(jī)器人左拐的電機(jī)X10:O 點(diǎn)處的行程開關(guān)Y10:控制機(jī)器人后退的電機(jī)X11: 末端執(zhí)行器上的光電傳感器X12: 機(jī)械臂上的位置開關(guān)X13:b 點(diǎn)處的行程開關(guān)X14:c 點(diǎn)處的行程開關(guān)X15:d 點(diǎn)處的行程開關(guān)5.4機(jī)器人運(yùn)動矩陣方程式為了便于理解，我們以三自由度的關(guān)節(jié)機(jī)器人為例，然后按照機(jī)座、關(guān)節(jié)及機(jī)械接口坐標(biāo)系的確定方法確定坐標(biāo)系的方向。O0 與 O1 坐標(biāo)

14、系的位置矢量關(guān)系式可用下式表示：X0YZ1T0TTXYZ1T=T XY Z11 T00111 110,111式中0T010坐標(biāo)系經(jīng)過0T1為 O和 O 坐標(biāo)系間的其次坐標(biāo)變換矩陣，表示O1 變換后與 O 坐標(biāo)系重合；1為關(guān)節(jié) 1 的運(yùn)動矩陣，0,1 表示 O 坐標(biāo)系相對 O 坐標(biāo)1TT10系的相對運(yùn)動矩陣。本例中：1000C1S1000 T 10100， T1S1C100式中， c0 為 O0 坐標(biāo)系中沿 Z00010010c 000010001方向平移量，1 為關(guān)節(jié) 1 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動量， C=cos 1，S =sin1 。11用同樣的方法寫出 O 與 O 坐標(biāo)系的矢量關(guān)系如下：21X1 Y1

15、Z1 1T 1T2 T2 X2 Y2 Z2 1T = T1,2 X2Y2Z 21 T1T12T2為關(guān)節(jié) 1 的運(yùn)動矩陣，式中2為 O和 O 坐標(biāo)系間的其次坐標(biāo)變換矩陣，T211,2表示 O 坐標(biāo)系相對O 坐標(biāo)系的相對運(yùn)動矩陣。本例中：1001T 20C 1S0SC1000110C2S2000S2C200c1 ， T20010，式中 190 ， 2為關(guān)10001節(jié) 2 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動量。因此，我們可以得到O2 和 O0 坐標(biāo)系的矢量關(guān)系：X0YZ1TTXYZ1T000,1111TTX2YZ21T0,11,22TX2YZ21T0,22式中，T0,2 為 O2 坐標(biāo)系相對于 O0 坐標(biāo)系的相對運(yùn)動矩陣。

16、用同樣的方法可以寫出 T2,3 、 3Tm ，本例中：CT2,32T3T30S0220 S1 00 C0 022a2C3S3000S3C30000010其中 290 ， 3為關(guān)節(jié) 310001繞 Z3 軸方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動量。C3TmS0033SC003003001c， 3為 O與 O 坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)變換角， 本例中390。33m01由于 O3 坐標(biāo)系與 Om坐標(biāo)系間無運(yùn)動，故只有坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。最后寫出Om與 O0 坐標(biāo)系的矢量關(guān)系式為：X0Y0Z01TT0,m XmYmZm1TT0, m 0001T式中，Xm=Ym=Zm=0，其中 Om坐標(biāo)系相對于 O0 坐標(biāo)系的相對運(yùn)動矩陣T0,m 表達(dá)式如下：T

17、 0 , mT 0 ,1 T1, 2 T2 ,33T m ，也可將此式子矩陣連乘結(jié)果用下式表示：T0,mR0,mP0,mTPo01 ，可以看出運(yùn)動矩陣分別表示了末端0,m 中的0,m何0,m執(zhí)行器在機(jī)座中的位置和姿態(tài)。因此，把相對運(yùn)動矩陣T0,m稱為運(yùn)動功能位姿矩陣，可簡稱機(jī)器人的運(yùn)動矩陣，這是機(jī)器人位姿的另一種描述方式。5.5機(jī)器人各部件的布置圖由于關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)座下面由直流伺服電機(jī)來控制， 直流伺服電機(jī)又是由 PLC 來控制其運(yùn)動和停止。下圖為小車的簡圖：機(jī)器人各關(guān)節(jié)的控制變量如下圖：5.6機(jī)器人機(jī)構(gòu)的零部件行程開關(guān)在機(jī)器人搬運(yùn)物料過程中， 所用的形成開關(guān)和分揀機(jī)構(gòu)的行程開關(guān)一樣，所以參

18、考中的圖和特性說明。直流伺服電機(jī)微動開關(guān)特點(diǎn)：采用熱固性和熱塑料外殼，具有微小觸點(diǎn)間隙，動作快速、高靈敏和微笑行程。配置各種形式的驅(qū)動手柄，廣泛應(yīng)用各家電器、電子設(shè)備、自動化設(shè)備、通訊設(shè)備、汽車電子、儀器儀表等領(lǐng)域。光電傳感器結(jié)論傳統(tǒng)倉儲系統(tǒng)的占地面積大、耗用工時多、出入庫不方便、生產(chǎn)效率低下、支出資金大等等缺點(diǎn)， 在現(xiàn)代生產(chǎn)中已經(jīng)完全不能適應(yīng)。 所以集成了先進(jìn)物流設(shè)備、自動控制系統(tǒng)、 計算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)、 信息識別和信息管理系統(tǒng)的現(xiàn)代倉儲系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。由于在智能倉儲中運(yùn)用了機(jī)器人搬運(yùn)物料使得搬運(yùn)的工時節(jié)省了， 減少了勞動力，可以二十四小時不停地工作，提高了生產(chǎn)效率。在物料存儲過程中，有傳送帶和自動篩選供功能代替了傳統(tǒng)的人工。 不僅減少了工時、 人力資源還大大降低了錯誤率提高生產(chǎn)工作效率。 其中的高層貨架、立體貨架代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平面貨架，不僅節(jié)省了空間資源還提高了效率， 使得出入庫完全自動化， 節(jié)省了大量的時間和勞動力。倉儲自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了通過先進(jìn)物流設(shè)備、計算機(jī)以及 PLC進(jìn)行倉儲自動、遠(yuǎn)程控制的目標(biāo)， 不僅減少了占地面積， 提高了土地使用效率， 同時實現(xiàn)了貨物的分揀、入庫、出庫等一系列復(fù)雜環(huán)節(jié)的智能化與自動化。 倉儲自動化系統(tǒng)在現(xiàn)代社會中的廣泛應(yīng)用， 大大加快了貨物的存儲、 提取速度， 倉庫運(yùn)行效率也大提高了，管理成本明顯