王天縱，黃海龍，康建軍

（遼寧工業(yè)大學機械工程與自動化學院，遼寧 錦州121001）

一種圓柱形立體倉庫的設計

王天縱，黃海龍，康建軍

（遼寧工業(yè)大學機械工程與自動化學院，遼寧 錦州121001）

介紹了一種圓柱形立體倉庫的設計過程，圓柱形立體倉庫由高層庫體、旋轉式堆垛機以及控制系統(tǒng)組成。該倉庫的機械執(zhí)行部分由角位移旋轉運動機構、貨架升降運動機構和叉貨架齒輪齒條三層差動直線運動機構組成，三部分運動機構的動力均由步進電動機提供，經(jīng)過減速裝置提高扭矩。該倉庫的控制系統(tǒng)的核心是西門子S7-200 SMART型PLC，通過WINCC工控組態(tài)軟件和觸摸屏相結合的人機接口進行操作。

圓柱形立體倉庫；高層庫體；旋轉式堆垛機；控制系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)技術的飛速發(fā)展以及社會物質的不斷繁榮，平面?zhèn)}庫對于貨物的存放已經(jīng)遠遠不能滿足當前的需求，因此立體倉庫已成為生產(chǎn)和生活中的一個重要的組成部分，利用立體倉庫設備可實現(xiàn)倉庫高層合理化，存取自動化，操作簡便化[1，2]。自動化立體倉庫主要由貨架，巷道式堆垛起重機、入（出）庫工作臺和自動運進（出）及操作控制系統(tǒng)組成[3]。貨架是鋼結構或鋼筋混凝土結構的建筑物或結構體，貨架內是標準尺寸的貨位空間，巷道堆垛起重機穿行于貨架之間的巷道中，完成存、取貨的工作[4]。本文設計了一種圓柱形立體倉庫，主要包括機械部分的設計和電控部分的設計，機械部分的主要機構有：旋轉運動機構、升降運動機構和叉貨運動機構，電控部分主要是基于PLC實現(xiàn)各個運動機構的控制，該立體倉庫具有占地面積小、存貯量大、周轉快等特點，可以應用在工廠、商場、機場、港口等場所。

1 總體設計

本文設計的圓柱形立體倉庫主要由堆垛機和貨架組成，堆垛機包括旋轉運動機構、升降運動機構、叉貨伸縮運動機構，圓柱形立體倉庫的工作原理是：貨架是環(huán)狀高層貨架，用于擺放存取的貨物，分為5層，每層有12個倉位，采用型材搭建，強度大，不易變形，每個倉位可以承重50公斤；旋轉運動機構可以實現(xiàn)360度旋轉運動，以完成不同方位貨架的貨物存??；升降運動機構可以實現(xiàn)從底層到頂層的上下運動，以完成不同層數(shù)貨架的貨物存??；叉貨伸縮運動機構可以實現(xiàn)伸出和縮回運動，以完成定位目標貨架的貨物存取，本文設計的圓柱形立體倉庫的主視圖和俯視圖如圖1所示，圓柱形立體倉庫堆垛機的參數(shù)和圓柱形立體倉庫高層貨架的參數(shù)如表1和表2所示。

圖1 圓柱形立體倉庫的主視圖和俯視圖

表1 圓柱形立體倉庫堆垛機的參數(shù)表

表2 圓柱形立體倉庫高層貨架的參數(shù)表

2 主要機械部分的設計

2.1 旋轉運動機構的設計

旋轉運動機構如圖2所示，機構由旋轉軸支撐板3、機架1、支撐軸承6、軸承螺栓7、減速齒輪主動輪4、減速齒輪從動輪5以及步進電動機等組成。旋轉軸支撐板有18組支撐軸承組支撐起來并能旋轉，支撐軸承組可通過螺栓連接并能預緊，步進電動機通過齒輪組提供動力使旋轉軸支撐板旋轉，機架通過地腳螺栓緊固在地面上[5]。

2.2 升降運動機構的設計

升降運動機構如圖3所示，機構由立柱7、軌道6、軸承支撐組6、叉貨架支撐架8、卷筒1、鋼絲繩3、減速齒輪以及步進電動機等組成。叉貨架支撐架有4組軸承支撐組支撐起來并能在軌道上做升降運動，支撐軸承組可通過螺栓連接并能預緊，步進電動機通過齒輪組提供動力使卷筒旋轉，卷筒卷動鋼絲繩使叉貨架支撐架沿軌道升降。立柱與旋轉軸支撐板通過螺栓連接[6]。

圖3 升降運動機構圖

2.3 叉貨伸縮運動機構的設計

叉貨運動機構如圖4所示，機構由叉貨架支撐架2、下板14、下板齒條4、中板7、中板齒條9、中板齒輪6、上板3、上板齒條5、叉貨軌道1、軸承支撐組13、軸承座8、聯(lián)軸器11、步進電動機12等組成。叉貨軌道通過螺栓連接在中板上，中板與下板也是通過軌道和軸承支撐組相聯(lián)結，帶座軸承通過螺栓與中板相連接，帶座軸承通過軸將中板齒輪與中板連接起來。步進電動機提供動力帶動中板齒條運動，而中板運動帶動中板齒輪，齒輪齒條運動形成上板、中板、下板的三層直線差動行程倍增運動[7]。

圖4 叉貨伸縮運動機構圖

3 電控部分的設計

本文設計的圓柱形立體倉庫的主要工作流程是：在觸摸屏上會顯示每個貨倉的貨物擺放情況，如果有貨物，顯示貨物的名稱，如果沒有貨物，顯示為“空”，操作者根據(jù)觸摸屏上的信息來完成貨物的存取，“存”操作只能把貨物存到空的貨倉，“取”操作只能取有貨物擺放的貨倉。

圓柱形立體倉庫的電控部分主要實現(xiàn)對旋轉步進電機、升降步進電機和叉貨伸縮步進電機的控制，經(jīng)過計算，三個步進電動機所需的最大靜轉矩分別為：86 Nm、45 Nm和4 Nm，所以三個步進電動機的型號分別選擇為 130HCY285AL3S-TK0、130HCY285AL3STK0和86BYG250-98.在每個貨倉位安裝限位開關，檢測貨品是否到位，限位開關的檢測信號傳送給主控制器。

電控系統(tǒng)簡圖如圖5所示，PLC選用西門子S7-200 SMART系列的CPU ST60，數(shù)字量擴展模塊選用西門子的EM DR32，觸摸屏選用西門子HMI的KTP400 Basic PN，觸摸屏的主界面如圖6所示。

圖5 電控系統(tǒng)簡圖

圖6 觸摸屏主界面

4 結論

本文主要介紹一種圓柱形立體倉庫的設計過程。首先介紹了總體設計方案；然后詳細介紹了主要機構的設計，旋轉運動機構采用步進電動機帶動齒輪傳動，使旋轉支撐軸在軸承支撐組上旋轉，升降運動機構采用繩輪機構，步進電動機經(jīng)過減速齒輪帶動卷筒，卷筒將鋼絲繩卷起提升叉貨架做升降運動，叉貨架伸縮運動機構采用齒輪齒條三層貨叉直線差動運動機構實現(xiàn)叉貨運動；最后給出了電氣接線圖和主要控制部件的選型。

[1]趙婧琳，楊蘭英，陳桂蘭，等基于PLC的巷道堆垛式立體車庫實驗平臺控制系統(tǒng)設計[J].工業(yè)控制計算機，2017，（03）:119-121.

[2]石樹正，馬立勇，梁永生.自動化立體倉庫控制系統(tǒng)設計[J].河北建筑工程學院學報，2016，（02）:73-75.

[3]伍春霞，候 海.基于PLC升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)的設計[J].智慧工廠，2017（02）:58-60.

[4]王欣瑞.PLC模塊化設計在立體倉庫中的應用[J].中國新技術新產(chǎn)品，2017，（02）:12-13.

[5]孫志禮，閆玉濤，田萬祿.機械設計[M]．第二版．北京：科學出版社，2 015.

[6]張建民.機電一體化系統(tǒng)設計[M]（第四版）．北京：高等教育出版社，2014.

[7]尹志強.機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007.

The Design of a Cylindrical cubic Warehouse

WANG Tian-zong，HUANG Hai-long，Kang Jian-jun
（School of Mechanical Engineering and Automation，Liaoning University of Technology，Jinzhou Liaoning 121001，China.）

This paper describes the design process of the cylindrical three-dimensional warehouse，which consists of high-level storehouse，rotary stacker and control system.The mechanical execution part of this warehouse is composed of the angular displacement rotary motion mechanism，the shelf lifting motion mechanism and the threelayer differential linear motion mechanism of the gear rack.The power of three parts of the motion mechanism is provided by stepping motor，and the torque is increased through the reduction gear.The core of the control system of this warehouse is the operation of Siemens s7-200 SMART PLC in the combination of WINCC industrial control configuration software and touch screen.

cylindrical cubic warehouse；high-rise library；rotary stacker；control syste

TL503.6

A

1672-545X（2017）08-0228-03

2017-05-11

遼寧省教育廳重大科技平臺科技項目（JP2016019），遼寧工業(yè)大學教學改革研究項目（2016100）

王天縱（1995-），男，河北唐山人，本科，主要研究方向：運動控制及工業(yè)自動化；黃海龍（1982-），男，遼寧錦州人，博士，碩士生導師，主要研究方向：機電一體化機、器視覺與圖像處理。