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        單立柱堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2012-08-31 02:31:42龔秋生劉文波
        裝備制造技術(shù) 2012年12期
        關(guān)鍵詞:貨叉載貨行走機(jī)構(gòu)

        龔秋生,劉文波

        (沈陽理工大學(xué),遼寧 沈陽 110168)

        自動(dòng)化立體倉庫,是一個(gè)典型的高技術(shù)密集型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的普通式倉儲(chǔ),成為物流倉儲(chǔ)的主流產(chǎn)品,而堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉庫中最重要的搬運(yùn)設(shè)備,本文主要探討單立柱項(xiàng)道堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

        1 堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        堆垛機(jī)在自動(dòng)化立體倉庫中承擔(dān)著入庫、出庫和盤庫等重要的搬運(yùn)任務(wù),其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有:行走機(jī)構(gòu)、立柱、提升機(jī)構(gòu)、載貨臺(tái)、伸縮貨叉和電氣控制設(shè)備等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖1 堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)圖

        1.1 行走機(jī)構(gòu)

        行走機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、減速器、行走輪、導(dǎo)向輪和上、下橫梁等組成。其工作原理為:行走輪在伺服電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)下,在上、下橫梁兩側(cè)的導(dǎo)向輪的作用下,沿著地軌實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的水平行走。其中,上橫梁的導(dǎo)向輪不僅起到水平導(dǎo)向作用,還起到整體框架的側(cè)面支撐作用,防止堆垛機(jī)傾倒。

        1.2 立柱

        立柱是堆垛機(jī)的主要支撐部分,連接著上橫梁和行走機(jī)構(gòu),同時(shí)立柱上附加安裝有導(dǎo)軌,其對(duì)載貨臺(tái)的升降起到準(zhǔn)確的引導(dǎo)作用。

        1.3 提升機(jī)構(gòu)

        該機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩和滑輪組等組成,能很好提升載貨臺(tái)及貨物,并能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的垂直定位。

        1.4 載貨臺(tái)

        載貨臺(tái)是堆垛機(jī)支撐貨叉和貨物的部分,該部分在鋼絲繩的作用下沿著立柱導(dǎo)軌垂直運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)立體庫層貨格的定位。

        1.5 伸縮貨叉

        伸縮貨叉是堆垛機(jī)自動(dòng)存取貨物的重要部分,該部分主要由貨叉驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鏈輪、驅(qū)動(dòng)鏈條及貨叉本體組成。其主要的工作原理為:由貨叉電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪,鏈條為動(dòng)力輸入軸提供動(dòng)力,經(jīng)過齒輪和齒條的嚙合實(shí)現(xiàn)上叉、中叉和下叉的三級(jí)差動(dòng)傳動(dòng),使貨叉自動(dòng)伸縮,實(shí)現(xiàn)貨物的存取。貨叉本體的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

        圖2 貨叉結(jié)構(gòu)圖

        1.6 安全性措施

        堆垛機(jī)是一種典型的自動(dòng)化產(chǎn)品,在上位機(jī)的控制下對(duì)立體庫中的貨物實(shí)現(xiàn)自動(dòng)存取,其安全性就顯得尤為重要。具體表現(xiàn)如下:

        (1)在提升機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)了機(jī)械防墜落裝置:在提升機(jī)構(gòu)鋼絲繩發(fā)生斷裂時(shí)該機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)把載貨臺(tái)鎖死在立柱上,實(shí)現(xiàn)機(jī)械自鎖,防止載貨臺(tái)及貨叉墜落,造成不必要的人員和財(cái)力損失。

        (2)在導(dǎo)軌的兩端都設(shè)置有減速點(diǎn)和硬件限位,并且在導(dǎo)軌終端安裝有機(jī)械擋塊,防止堆垛機(jī)在水平行走過程中脫軌。另外,在立柱的上端和貨叉的兩端也分別安裝有限位開關(guān),同時(shí)運(yùn)用軟限位,雙重保護(hù)確保堆垛機(jī)在允許的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

        (3)在貨叉上設(shè)置左右驅(qū)動(dòng)開關(guān)來控制貨叉的伸縮方向,同時(shí)還設(shè)有上電保護(hù),在確認(rèn)貨叉已經(jīng)收回的情況下,堆垛機(jī)才會(huì)運(yùn)行,避免貨叉沒有收回而跟貨架產(chǎn)生碰撞。

        2 堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)

        2.1 堆垛機(jī)的控制功能和控制要求

        為了完成立體庫的入庫、出口和盤庫等功用,堆垛機(jī)必須具有手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種控制方式,必須具備水平行走、垂直提升和貨叉的左右伸縮等功能,同時(shí)要求其定位精度為:±3mm,水平行走速度為:10 m/min,垂直提升速度為:10 m/min,貨叉伸縮速度為:21 m/min。

        2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        為了實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的控制功能和控制要求,采用圖3 的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu):

        圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        該控制系統(tǒng)以S7-200 PLC 為控制核心,通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其跟上位機(jī)和觸摸屏的數(shù)據(jù)交流,根據(jù)數(shù)據(jù)指令驅(qū)動(dòng)相應(yīng)機(jī)構(gòu)的控制模塊,實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。在水平行走方向采用伺服控制器+伺服電機(jī)控制方式,在垂直提升和貨叉伸縮方面采用變頻器+異步電動(dòng)機(jī)控制方式。

        2.3 PLC 選型及I/O 口擴(kuò)展

        由于PLC 具有抗干擾能力強(qiáng),可靠性極高、控制功能強(qiáng)和編程、使用、維護(hù)方便等特點(diǎn),選用PLC 作為控制核心,并且S7-200 系列PLC 價(jià)格低廉,結(jié)構(gòu)小巧可靠性高,運(yùn)行速度快,編程指令極豐富,具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)性,性價(jià)比高并能滿足我們控制的要求,所以選擇其作為控制核心,并選擇CPU226 作為主機(jī)控制單元。由于CPU226 本身具有24 輸入/16 輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn),并不能滿足控制要求,所以運(yùn)用S7-200 系列PLC 的數(shù)字量擴(kuò)展功能,分別增加1個(gè)EM221 數(shù)字量輸入擴(kuò)展模板和1個(gè)EM223 數(shù)字量混合輸入輸出擴(kuò)展模板。

        2.4 位置控制

        堆垛機(jī)在空間有3個(gè)自由度,即水平行走、垂直提升和貨叉的伸縮,以實(shí)現(xiàn)立體庫貨物的存、取和搬運(yùn)的功能。本系統(tǒng)選用了三菱伺服控制系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)水平行走機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)的速度控制,通過安裝在堆垛機(jī)底部的U 型認(rèn)址傳感器檢測(cè)貨架上安裝的認(rèn)址片實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)最終的水平位移控制,配以電機(jī)本身的電磁抱閘實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的水平定位。選用MM440 變頻器+三相異步電動(dòng)機(jī)控制方式,運(yùn)用變頻調(diào)速方式控制三相異步電動(dòng)機(jī)的速度,通過安裝在垂直提升機(jī)構(gòu)上的U 型認(rèn)址傳感器檢測(cè)垂直方向的認(rèn)址片實(shí)現(xiàn)層的尋址,附加三相異步電動(dòng)機(jī)本身攜帶的電磁抱閘功能,實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)垂直方向準(zhǔn)確定位。貨叉的伸縮控制跟垂直提升原理很像,只是運(yùn)用接近開關(guān)來確定貨叉是否到達(dá)指定位置。

        3 結(jié)束語

        本文對(duì)單立柱堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方案進(jìn)行了設(shè)計(jì),該堆垛機(jī)經(jīng)安裝調(diào)試后運(yùn)行平穩(wěn)、可靠,滿足了學(xué)校物流實(shí)驗(yàn)中心的要求,并且能為各高校和中小型企業(yè)建設(shè)自動(dòng)化倉庫提供技術(shù)參考。

        [1]李 輝,肖寶興,李宏偉. S7-200PLC 編程原理與工程實(shí)訓(xùn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

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