柔性制造系統(tǒng)碼垛機(jī)單元的設(shè)計(jì)與仿真（全套）2012本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
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- 摘 要
柔性制造系統(tǒng)（FMS）是集成了自動(dòng)控制技術(shù)、人工智能、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程組態(tài)監(jiān)控等現(xiàn)代化技術(shù)的生產(chǎn)設(shè)備。
目前實(shí)踐教學(xué)作為教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)環(huán)節(jié)，是工科院校培養(yǎng)跨世紀(jì)創(chuàng)造性人才必不可少的。為配合卓越工程師試點(diǎn)工作中的課程改革，結(jié)合教學(xué)研究任務(wù)，本設(shè)計(jì)針對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉(cāng)庫(kù)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作。
本設(shè)計(jì)主要由三層12倉(cāng)位的立體倉(cāng)庫(kù)和四自由度碼垛機(jī)械手兩部分組成。其中碼垛機(jī)械手由機(jī)械傳動(dòng)部分和電氣控制兩部分組成，電氣控制是由西門(mén)子S7-200 CPU224XP型可編程控制器(PLC)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、開(kāi)關(guān)電源、位置傳感器等器件組成。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不斷參閱相關(guān)電氣設(shè)計(jì)規(guī)范的資料，參照現(xiàn)有的碼垛機(jī)的工作模式及控制方法，最終完成PLC為控制核心的碼垛單元的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并應(yīng)用組態(tài)軟件制作監(jiān)控仿真界面。
關(guān)鍵詞：柔性制造系統(tǒng)；碼垛機(jī)；立體倉(cāng)庫(kù)；PLC；組態(tài)
ABSTRACT
A Flexible manufacturing systems (FMS) is the production equipment, which integrates the automatic control technology, artificial intelligence, computer programming language configuration and monitoring modern technology.
The current practice of teaching as teaching process of a part is the training of cross century creative talents in Colleges of engineering is essential. As with outstanding engineer pilot work in the curriculum reform, combined with teaching and research tasks, the design for the school laboratory in the flexible manufacturing system of stereoscopic warehouse links in experimental preparations.
This system is mainly composed of three layers of 12 positions of the warehouse and four degrees of freedom palletizing manipulator. The palletizing manipulator is composed of a mechanical drive and an electric control. The electrical control is formed by Siemens S7-200 CPU224XP programmable logic controller (PLC), stepper motor drive power modules, switching power supply, sensors and other devices.
During the design process, the author refers a lot of the materials concerning the electrical design specification, refer to the existing palletizer work mode and control method, finally completed the PLC as control core Palletizing unit PLC control system design, and the application of configuration software production control simulation interface.
Key words: Flexible manufacturing systems; Palletizer; Stereoscopic warehouse; PLC; Configuration
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 碼垛機(jī)的概述 1
1.2.1 碼垛機(jī)在國(guó)外的研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 碼垛機(jī)在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 2
1.2.3 碼垛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 3
1.3 課題的主要研究?jī)?nèi)容 3
第2章 碼垛機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1 碼垛機(jī)的總體框圖 4
2.2 碼垛機(jī)的結(jié)構(gòu)組成 5
2.3 碼垛機(jī)的控制方案 6
2.3.1 碼垛機(jī)的控制功能要求 6
2.3.2 碼垛機(jī)的控制方案確定 6
2.3.3 碼垛機(jī)的定位方案確定 7
2.4 本章小結(jié) 9
第3章 碼垛機(jī)的硬件設(shè)計(jì)選型及介紹 10
3.1 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算選取 10
3.1.1 碼垛機(jī)的已知參數(shù) 10
3.1.2 根據(jù)已知參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)的選型計(jì)算 10
3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的介紹 11
3.3 可編程控制器的選型及I/O分配 13
3.3.1 可編程控制器的選型 13
3.3.2 可編程控制器的I/O分配 13
3.4 導(dǎo)軌的形式介紹 14
3.5 滾珠絲杠的介紹 15
3.6 本章小結(jié) 15
第4章 碼垛機(jī)的軟件設(shè)計(jì) 16
4.1 編程軟件介紹及使用 16
4.2 碼垛機(jī)的PLC程序設(shè)計(jì) 18
4.2.1 碼垛機(jī)的工作流程 18
4.2.2 碼垛機(jī)的軟件設(shè)計(jì) 20
4.3 本章小結(jié) 37
第5章 組態(tài)王仿真畫(huà)面的設(shè)計(jì) 38
5.1 組態(tài)王監(jiān)控軟件介紹 38
5.2 組態(tài)王監(jiān)控軟件仿真設(shè)計(jì) 38
5.2.1 建立組態(tài)軟件與PLC之間的通訊連接 39
5.2.2 組態(tài)畫(huà)面及監(jiān)控元素的設(shè)計(jì) 40
5.3 本章小結(jié) 45
結(jié)論 46
參考文獻(xiàn) 47
致謝 49
附錄 50
第1章 緒 論
1.1 課題背景
碼垛機(jī)是自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的主要搬運(yùn)碼垛設(shè)備，而立體倉(cāng)庫(kù)的產(chǎn)生和發(fā)展是現(xiàn)代物流體系的要求和信息技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果，它是在不直接進(jìn)行人工干預(yù)的情況下自動(dòng)地存儲(chǔ)和取出物流的系統(tǒng)，替代了人工搬運(yùn)碼垛，只需定位抓起點(diǎn)和擺放點(diǎn)，兩點(diǎn)之間的軌道全由電腦控制，兩點(diǎn)直線運(yùn)動(dòng)，定位十分準(zhǔn)確。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)碼垛機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)發(fā)展的高科技產(chǎn)物，可全天候作業(yè)，配備機(jī)械手可替代不少工人的工作量，由此每年能節(jié)省幾十萬(wàn)的人力資源成本，達(dá)到減員增效的目的。生產(chǎn)上能迅速提高公司的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，同時(shí)還能減少人工搬運(yùn)造成的出錯(cuò)。對(duì)提高生產(chǎn)率、降低成本有著重要意義。
機(jī)械手碼垛機(jī)是目前占地最小、效率最高、適應(yīng)能力最強(qiáng)的碼垛機(jī)。碼垛機(jī)械手適應(yīng)于化工、飲料、食品、啤酒、塑料、空調(diào)行業(yè)等生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)各種紙箱、袋裝、罐裝、啤酒箱、瓶裝等各種形狀的包裝成品都適應(yīng)。
目前實(shí)踐教學(xué)作為教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)環(huán)節(jié)，是工科院校培養(yǎng)跨世紀(jì)創(chuàng)造性人才必不可少的。為配合卓越工程師試點(diǎn)工作中的課程改革，結(jié)合教學(xué)研究任務(wù)，本設(shè)計(jì)針對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉(cāng)庫(kù)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作。以PLC為控制核心設(shè)計(jì)碼垛單元的PLC控制系統(tǒng)，并應(yīng)用組態(tài)軟件制作監(jiān)控仿真界面。
1.2 碼垛機(jī)的概述
1.2.1 碼垛機(jī)在國(guó)外的研究現(xiàn)狀
碼垛機(jī)是隨著大型物流配送中心和自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展起來(lái)的，物流這一概念是在20世紀(jì)50年代首先在美國(guó)形成的，立體倉(cāng)庫(kù)的產(chǎn)生和發(fā)展是現(xiàn)代物流體系發(fā)展的要求和信息技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。
初期的立體倉(cāng)庫(kù)使用的碼垛機(jī)以橋式起重機(jī)為基礎(chǔ)，這種碼垛機(jī)是從起重機(jī)的大梁上懸掛一個(gè)門(mén)架（立柱），利用門(mén)架的上下和旋轉(zhuǎn)來(lái)搬運(yùn)貨物。1960年左右在美國(guó)出現(xiàn)了巷道式碼垛機(jī)，這種堆垛機(jī)是在地面的導(dǎo)軌上行走，利用貨架上部的導(dǎo)軌防止傾倒，或者是在上部導(dǎo)軌上行走，利用地面導(dǎo)軌防止傾倒。在立體倉(cāng)庫(kù)碼垛機(jī)的研發(fā)和使用方面，日本始終走在前列，1967年安裝了10～15米的高層碼垛機(jī)，1969年出現(xiàn)的聯(lián)機(jī)全自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)，特別是1973年建成了一座儲(chǔ)藏生鮮食物的冷藏庫(kù)，這是世界上第一座-40℃的極低溫倉(cāng)庫(kù)，解決條件下碼垛機(jī)的可靠性和技術(shù)方面的問(wèn)題，取得了引人矚目的成就。巷道式碼垛機(jī)逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式碼垛機(jī)。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國(guó)擁有各種類(lèi)型的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)20000多座，日本有38000多座，德國(guó)有10000多座，英國(guó)有4000多座，前蘇聯(lián)有1500多座。
1.2.2 碼垛機(jī)在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀
我國(guó)第一臺(tái)橋式堆垛起重機(jī)于1963年由北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所研制，在20世紀(jì)70年代初期開(kāi)始，我國(guó)石油化工企業(yè)先后從日本、西德和意大利等國(guó)家引進(jìn)了幾十臺(tái)碼垛機(jī)。其中除了從西德繆勒斯（MOLLERS）公司和意大利OCME公司引進(jìn)幾臺(tái)外，其余大部分碼垛機(jī)均是從日本OKURA公司和不二公司進(jìn)口的。到80年代初期，我國(guó)一些企業(yè)和科研單位，在消化、吸收引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，相繼設(shè)計(jì)、研制出幾種不同類(lèi)型的碼垛機(jī)，并用于聚乙烯、聚丙烯、化肥等粉粒產(chǎn)品包裝碼垛生產(chǎn)線上，為碼垛機(jī)的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)創(chuàng)了良好的開(kāi)端。當(dāng)時(shí)主要生產(chǎn)廠家有宜昌地區(qū)機(jī)械廠、常州化工機(jī)械廠、哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所和沈陽(yáng)運(yùn)輸機(jī)械廠等單位。從80年代初期開(kāi)始，我國(guó)一些科研生產(chǎn)單位即著手設(shè)計(jì)研制輥道式碼垛機(jī)。當(dāng)時(shí)主要以仿型為主，即按國(guó)外同類(lèi)型碼垛機(jī)的型式，并結(jié)合國(guó)內(nèi)的制造水平進(jìn)行設(shè)計(jì)研究的，為國(guó)產(chǎn)碼垛機(jī)奠定了雛形。到80年代中期，我國(guó)一些科研、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)單位，開(kāi)始設(shè)計(jì)研制氣墊式碼垛機(jī)。這種機(jī)型仍以仿型為主。該機(jī)型具有結(jié)構(gòu)較緊湊、自動(dòng)化水平高，運(yùn)行動(dòng)作靈活、成垛性能好、外形比較美觀等特點(diǎn)。但這種機(jī)型與國(guó)外同類(lèi)先進(jìn)水平相比，仍有一定的差距。80年代后期，我國(guó)一些科研單位設(shè)計(jì)研制出一種機(jī)器人全自動(dòng)碼垛機(jī)。該機(jī)是在輥道式碼垛機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)高架機(jī)械手進(jìn)行碼垛作業(yè)的一種機(jī)型。其處理能力為600~800袋/時(shí)。
哈工大機(jī)械人研究所于1988年研制的包裝碼垛生產(chǎn)線，從1992年6月安裝在大慶石化總公司投產(chǎn)運(yùn)行后，經(jīng)過(guò)二年半的生產(chǎn)使用，證明運(yùn)行情況良好，深得用戶好評(píng)。該所在此基礎(chǔ)上，又以國(guó)外最新產(chǎn)品性能為目標(biāo)，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了一套第二代自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線，并且于94年10月安裝在齊魯石化總公司投產(chǎn)運(yùn)行；還計(jì)劃再上二套碼垛生產(chǎn)線。同年11月又在天津聯(lián)合化學(xué)有限公司安裝了二套自動(dòng)化包裝碼垛生產(chǎn)線。此后，自動(dòng)化物流的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用得到了很大發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2006年底，全國(guó)自動(dòng)化立體庫(kù)的保有量已超過(guò)500座。2006年建設(shè)的自動(dòng)化立體庫(kù)在80座以上，主要集中在機(jī)械制造、汽車(chē)、煙草、食品加工、服裝生產(chǎn)、醫(yī)藥生產(chǎn)及流通等行業(yè)，與2005年相比，整個(gè)市場(chǎng)有了很大發(fā)展。
1.2.3 碼垛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
縱觀世界各國(guó)碼垛機(jī)的發(fā)展的現(xiàn)狀，對(duì)今后的動(dòng)向，可歸納如下：
(1) 重視“三化”，逐步采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。所謂“三化”，是指碼垛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。貫徹“三化”可以縮短設(shè)計(jì)周期，保證產(chǎn)品制造質(zhì)量，便于管理和提高經(jīng)濟(jì)效益。世界上許多國(guó)家，不僅重視產(chǎn)品的“三化”工作，而且非常注意采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）。有的國(guó)家甚至廢除本國(guó)標(biāo)準(zhǔn)而直接采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其目的是為了促進(jìn)商品的國(guó)際交流。...
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