一种基于PLC的堆垛机

宋佳妮

吉林电子信息职业技术学院 吉林 132024

0 引言

随着自动化立体仓库技术越来越成熟，自动化立体仓库已广泛应用于烟草、食品、制药、邮政、印刷、电子等领域，并已在航空航天，金融和军事领域得到了新的发展[1]。1960年前后，美国成功研发出堆垛机，最初的堆垛机沿着地面导轨行走，并利用地面导轨水平移动以防止倾斜[2]。现代化立体仓库的出现，使堆垛机成为支持立体仓库发展的特殊起重机。堆垛机的主要工作方式是在高架通道中来回往复运动，将需要存储的物品存储在货仓隔间中，或是从货仓隔间中取出货物并将其运输到目的地。随着计算机控制技术和科学技术的进步，堆垛机的高度也在增加，到目前为止，堆垛机的高度可达40 m以上[3]。

传统的堆放货物方式采用人力和简单的机械设备，不仅易使货物存放不合理，降低空间利用率，还可能会造成工作人员的伤亡。在现代自动化立体仓库系统中，多为机器运作，工作人员较少且多为机器的操作人员和日常维护人员，参与运输堆垛的劳动人员很少。现代自动化立体仓库系统与传统的堆垛方式对比，不仅节省了劳动力，而且充分保证了人员的生命安全，改善了工作人员的工作环境。现代自动化立体仓库机器运作时间长、效率高、事故少，可提高整个生产的劳动生产率，提升了经济效益[4]。另外，堆垛机还大大降低了各存储单元的能耗，符合现代工业发展趋势，符合绿色节能理念。

因此，基于PLC的堆垛机的出现，能在提高工作效率的同时改善工作人员的劳动环境，减少工作人员不必要的伤亡。随着技术的发展，未来更智能的堆垛机完全取代传统堆垛方式将是必然趋势。

1 堆垛机总体设计

堆垛机总体主要由x方向行走机构、y方向提升机构、z方向货叉伸缩机构、控制系统等部分组成，各机械机构之间通过螺栓连接。在堆垛机工作过程中，堆垛机首先通过行走机构按照路线移动至目标地点，通过提升机构带动载货台移动到目标物体高度，最后由货叉伸缩机构完成对货物的存取。提升机构下降一定高度，堆垛机再次通过行走机构移动到下一个目标位置，并通过提升机构调整方位，货叉伸缩机构带动货物到目标位置，松开货物，完成目标的移动[5-7]。

1.1 行走机构

行走机构的形式可分为滚珠蜗杆传动和齿轮齿条传动。滚珠丝杆传动是丝杆与螺母间以滚球为滚动体的螺旋转动副，其优缺点有：1）传输效率高；2）移动稳定，启动时无振动，低速时无爬行现象；3）高精度和高耐久性；4）同步性好，可靠性高；5）水平传动长度较小，不适用于传动长度较长的场合，易发生断裂。

齿轮齿条传动是将齿轮的回转运动转变为齿条的往复直线运动，其优缺点有：1）承载能力大；2）使用寿命长，工作平稳，可靠性高；3）能保证恒定的转动比；4）传动噪声大，磨损大。

在设计过程中，水平移动距离较小，考虑传动精度等，选定为滚珠丝杆传动。

1.2 提升机构

提升机构可选择链传动或滚珠丝杆传动。链传动是通过链条带动主动链轮的运动和动力传递的一种传动方式。其优缺点主要有：1）工作可靠，效率高；2）无弹性滑动和打滑；3）所需张力小，作用在轴上的压力小；4）可在复杂情况小工作；5）成本高，易磨损，传动平稳性差。传动会产生冲击，噪声较大。

在设计过程中，通过权衡对比，水平移动距离较小，考虑传动平稳、噪声等，选定为滚珠丝杆传动.

1.3 货叉伸缩机构

货叉伸缩机构可选择齿轮传动或滚珠丝杆传动。齿轮传动是由齿轮副传递运动和动力的装置。其优缺点主要有：1）传输精度高；2）可实行平行轴、相交轴等空间任意2轴间的传动；3）工作稳定，使用寿命长；4）制造和安装要求较高，成本较大；5）不适用于2个远程轴之间传动；6）对于环境条件要求较严，一般需要安装防尘罩，还需重视润滑。

考虑经济成本、定位精度等问题，选定为滚珠丝杆传动。

1.4 电控部分与安全保护

堆垛机的控制系统采用西门子s7-200的PLC进行对自动控制、手动控制、物料位置判断、存取货物等程序的设计，能够控制完成堆垛机操作需求，满足堆垛机存取货物。

1）联锁保护 堆垛机在x方向行走、y方向升降时，货叉处于短路状态，不能进行存取货物。相反，货叉在z方向伸缩时，堆垛机不能进行行走与升降指令。

2）正位虚实检测控制 堆垛机到达自动化立体仓库的货格时，在存取货物前需先探知自动化立体仓库的货格有无货物，若有货物则将信息传输给计算机，计算机给予指令，以防止双重入库，造成事故。图1为堆垛机总体装配图。

2 关键部件的选择与校核

堆垛机的机架结构可分为双立柱和单立柱2种。双立柱结构的机架由支撑立柱、私服支撑立柱、上顶板和下底板组成一个长方形的框架结构，这种结构可承受较强的冲击，从而堆垛机能够稳定的运行。单立柱结构的机架只有一根支撑立柱和下底板，这种结构可减少堆垛机总体质量，使用钢材较少，对比双立柱，降低了经济成本。但是，当堆垛机运行速度较快或承载货物较重时，刚性较差，可能会发生安全事故。并且，在堆垛机启动和停止时，堆垛机会产生相应的水平振动。

综合以上情况，双立柱结构的机架可保证足够的稳定性。考虑堆垛机的稳定性，故本设计选择结构为双立柱。

2.1 立柱设计与计算

堆垛机的主要受力部件为立柱，载货台在立柱上进行上下运动。由上顶板和下底板对立柱进行固定连接，堆垛机右侧立柱上安装有滚珠丝杆，电动机带动滚珠丝杆进而带动载货台作升降运动。由于立柱体积较大，在满足力学性能要求的前提下应尽量降低质量，按GB/T 6728—2002《结构用冷弯空心型钢尺寸、外形、质量及允许偏差》[8]规定，结构用冷弯矩形空心方通型钢，查文献[9]得出初选尺寸为50 mm×50 mm，壁厚为3.0 mm，截面积为5.408 cm2；按GB/T 700-2006《碳素结构钢》[10]规定，选择Q235碳素结构钢，该材料钢强度适中，承载性较好，具有较好的塑性和韧性，其强度极限为σb＝375 MPa，屈服极限为σs＝215 MPa，立柱高1 492 mm。立柱如图2所示。

图2 立柱三维图

由于立柱与载货台相对静止，所以可将立柱与载货台看作一个整体，货叉完全伸出后，货物对货叉所受的载荷最大，货物对货叉有均布载荷，受力分析如图3所示。

图3 立柱受力图

由图3可得

式中：L为立柱带载货台边缘的距离，L＝6 cm。

由轴力FN产生压应力为

在弯矩作用下，以立柱轴线为中性轴，则最大拉应力等于最大压应力，该轴惯性矩I＝25.374 cm4，则有

由GB/T 700-2006《碳素结构钢》规定可知，S1=1.2，S2＝1，S3＝σb/σs＝1.744，则S＝S1S2S3＝2.09，可得

实际应力远远小于许用应力，在设计堆垛机的三维模型中，4根导向轴均可承受力。在安装立柱过程中，采用两端焊接板料以增加接触面积，增加稳定性，以使立柱能保持平衡。

2.2 提升机构设计与计算

提升机构负责运动到目标位置。提升机构主要由电动机、导向立柱、滚珠丝杆等组成。导向立柱与载货台相连接，丝杆螺母与载货台连接。提升机构的工作原理是：采用滚珠丝杆传动，当电动机带动滚珠丝杆旋转，电动机上安装有同步轮，通过同步带的连接，带动滚珠丝杆上的同步轮进行传动，丝杆螺母再带动载货台上下运动；将旋转运动转换为直线运动，进而载货台能够进行升降运动。

采用同步轮和同步带将电动机与丝杆之间进行连接。电动机和滚珠丝杆上安装有同步轮，两者之间由同步带连接。同步带对比V带、平带具有传动准确，运行时无打滑，传动比恒定，传动平稳，具有缓冲和减震能力、噪声低、传动效率高等特点。同步轮如图4所示。

图4 同步轮示意图

提升机构所需功率为

查询同步轮驱动功率表得知，选择XL系列，根据安装尺寸选择大小为30齿。

载货台上装有货叉伸缩机构、丝杆螺母、导向滑块等。载货台虽非主要受力部件，但也应保证一定的强度，所以选择密度较低、强度较高的铝合金。按GB/T 6892—2000《工业用铝及铝合金热挤压型材》规定，选择7075铝合金以减轻质量和保证强度。载货台尺寸为580 mm×312 mm。载货台如图5所示。

图5 载货台示意图

3 控制系统设计

堆垛机的控制系统是堆垛机实现所有动作的根本，良好的控制系统可使堆垛机稳定地完成每一个动作，实现堆垛机各机构相对平衡，进而稳定的运行。

激光定位单元和保护功能传感器与I/O模块一起构成堆垛机的控制系统，端口与PLC相连，接收堆垛机PLC控制器的指令并执行任务。操作人员只需在堆垛机提供的手动控制按钮端口输入指令，即可实现手动模式。图6为堆垛机工控系统机构框图。

图6 堆垛机工控系统机构框图

可编程控制器(PLC)是一种基于数字计算机的通用工业控制设备，由可编程存储器来存储指令，执行诸如逻辑、序列、定时、计数和算术等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块来控制各种机器或产品；其主要由中央处理器、存储器、电源、输入/输出模块、通信模块、可扩展模块和外部设备组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、储存、显示、记录和控制等要求。在设计中，选用反射型光电传感器，型号为E3FDS30C1。主要是检测货仓中是否有物料，以防止双重入库，避免事故发生。

为了后期软件编程的顺利实施，需要根据功能要求和控制方案对PLC的输入输出进行端口分配。I/O端口的分配需要综合考虑控制系统功能及其实现方式。堆垛机的控制系统输入接口有24个，输出接口为11个，根据所需的输出/输入要求对其PLC控制系统的方式进行接口的接线，主要分布有输出与输入、控制信息以及I/O地址的分配，具体端口分配方案如表1、表2所示。

表1 PLC输入分配图

表2 PLC输出分配图

4 结束语

随着科学技术与社会生产力的进一步发展，生产过程的机械化、自动化趋势将会越来越明显，传统的手工操作、人工搬运等方式将会逐渐被淘汰，取而代之的将是以更加智能便捷的堆垛机为主的现代化生产方式。为实现堆垛机的诸多运动状态（包括堆垛机的水平行走、载货台的升降以及货叉的存取货物），本文对机架的外形结构和机械尺寸进行了分析和研究，分析了立柱的强度校核以及设计过程和要满足的需求。从总体方案入手，根据其工作特点，分析并设计了关键工件的机械结构，并依照模块化的方法对这些关键机械部件逐一进行了计算与校核。另外，还分析了控制系统的工作方案，介绍了PLC及传感器，并选用PLC和传感器型号。分析系统的I/O点位，编制了PLC控制程序。