立体仓库与码垛机设计

1课程设计任务书一、课程设计目的机电系统设计方向专业课程设计是机械电子工程专业的学生在完成机电系统设计等专业课程的学习之后，进行综合性设计训练的实践性教学环节。目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查、复习和提高，并运用所学理论，通过调研，设计一个机电控制方面的系统，受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力。具体为以下几个方面：1. 能够正确运用机电系统设计等课程的基本理论和相关知识，掌握机电系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电系统设计的初步能力。2. 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的设计计算、选型和结构设计方法和步骤。3. 通过控制系统方案设计，掌握机电系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想。4. 通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、使用资料的方法和能力。5. 通过回顾查阅课程理论知识、运用所学的基础课,专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案, 分析具体问题、进行工程设计的能力。二、课程设计内容课程设计题目：码垛机机电系统设计。主要设计内容：柔性制造系统简介，介绍系统整体功能、系统组成、功能单元组成、总控平台与各分站功能 单元、系统接口定义等；码垛机简介，介绍码垛机发展、码垛机总体结构与功能分析等；码垛机结构设计，包括码垛机起升机构、传送结构、载货台设计、关键构件结构校核等；出入库平移台设计，包括平移台结构设计、导轨设计、平移台驱动方式与执行部件选择等；码垛机与立体仓库的配合工作，包括立体仓库简要结构设计与分析、导轨设计等；码垛机电气控制部分设计，包括控制方式，执行部件选取与运动学分析、电气原理图等；其他设计内容，如系统保养与维护，系统改进等。根据各子题目设计内容不同，每个设计小组 67 名学生进行设计。允许学生自己拟定题目和实施要点，经指导老师同意后实施。由组长细分小组成员需承担的任务。2三、进度安排1. 熟悉任务，查阅资料； 1 天2. 确定方案； 2 天3. 详细设计（机械部分选型及设计计算、控制部分硬件原理图及软件流程图）；5 天4. 整理设计说明书，答辩。 2 天四、基本要求1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；2. 认真阅读课程设计任务书，明确题目及具体要求；3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；5. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；6. 控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；7. 机械系统设计计算，控制系统电气原理，图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰。8. 设计说明书手写和打印均可。课程设计第一天由各设计小组组长根据指导教师给的电子任务书拟定出适合本小组的课程设计任务书，并统一打印后分发各组员。机械电子系2011.08.20第一章 柔性制造系统简介1.1 FMS系统整体功能3在成组技术的基础上，以多台(种) 数控机床或数组柔性制造单元为核心，通过自动化物流系统将其联接，统一由主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种变批量和混流方式生产的自动化制造系统。1.2系统组成1.2.1加工设备加工设备主要采用加工中心和数控车床，前者用于加工箱体类和板类零件，后者则用于加工轴类和盘类零件。中、大批量少品种生产中所用的FMS，常采用可更换主轴箱的加工中心，以获得更高的生产效率。1.2.2储存和搬运储存和搬运系统搬运的的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等；储存物料的方法有平面布置的托盘库，也有储存量较大的桁道式立体仓库。毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的特定区域内，然后由自动搬运系统根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。固定轨道式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排列设备的FMS，自动引导台车搬送物料的顺序则与设备排列位置无关，具有较大灵活性。工业机器人可在有限的范围内为14台机床输送和装卸工件，对于较大的工件常利用托盘自动交换装置(简称APC)来传送，也可采用在轨道上行走的机器人，同时完成工件的传送和装卸。磨损了的刀具可以逐个从刀库中取出更换，也可由备用的子刀库取代装满待换刀具的刀库。车床卡盘的卡爪、特种夹具和专用加工中心的主轴箱也可以自动更换。切屑运送和处理系统是保证 FMS连续正常工作的必要条件，一般根据切屑的形状、排除量和处理要求来选择经济的结构方案。1.2.3信息控制FMS信息控制系统的结构组成形式很多，但一般多采用群控方式的递阶系统。第一级为各个工艺设备的计算机数控装置(CNC)，实现各的口工过程的控制；第二级为群控计算机，负责把来自第三级计算机的生产计划和数控指令等信息，分配给第一级中有关设备的数控装置，同时把它们的运转状况信息上报给上级计算机；第三级是FMS的主计算机(控制计算机) ，其功能是制订生产作业计划，实施FMS运行状态的管理，及各种数据的管理；第四级是全厂的管理计算机。 性能完善的软件是实现FMS功能的基础，除支持计算机工作的系统软件外，数量更多的是根据使用要求和用户经验所发展的专门应用软件，大体上包括控制软件(控制机床、物料储运系统、检验装置和监视系统)、计划管理软件 (调度管理、质量管理、库存管理、工装管理等 )和数据管理软件(仿真、检索和各种数据库)等。 为保证FMS的连续自动运转，须对刀具和切削过程进行监视，可能采用的方法有：测量机床主轴电机输出的电流功率，或主轴的扭矩；利用传感器拾取刀具破裂的信号；利用接触测头直接测量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的变化；累积计算刀具的切削时间以进行刀具寿命管理。此外，还可利用接触测头来测量机床热变形和工件安装误差，并据此对其进行补偿。41.3功能单元组成码垛机与立体仓库，传送带，视觉检测，串联机器人，并联机器人，装配，自控制台，1.4总控平台与各分站功能单元整个系统包括：码垛机与立体仓库从站单元、CCD图象检测从站单元、并联加工中心从站单元、串联搬运从站单元、传送带控制从站单元、条码扫描从站单元、条码扫描从站单元、以及主控服务器单元。其中并联加工中心单元和串联搬运单元采用PC104嵌入式控制器控制，CCD图象检测单元（2个）和条码扫描单元采用PB-OEM4-PCI从站卡控制，码垛机与立体仓库单元采用PLC控制，传送带控制单元和机械手单元采用PLC控制。主站单元通过PROFIBUS总线控制其他从站单元，如图1-1所示。 5系统特点：系统采用以PROFIBUS、串口通讯，大量使用嵌入式和PLC控制设计，用户可以从中选择相关内容满足不同层次的教学实验需要。模块化结构，灵活、紧凑，完全满足实验的要求；控制系统采用Windows系列操作系统，二次开发方便、快捷，适于教学实验。系统结构采用工业DCS控制方式、具有高可靠性、开放性、易维护性、协调性等特点。1.5系统接口定义因为现场总线是应用在工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享） 。据此功能，现场总线能够很好地完成自动化立体仓库的接口定义及连接。6第二章 码垛机简介1.1 码垛机概述码垛机是立体仓库系统的重要组成部分，它是整个系统的执行部件，存货时将货物从出入货台准确的存放到货位里，取货时将货物从货位中取回到出入货台。无论何种类型的码垛机，一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。尽管各厂家各有独创，结构形式有些差异，但可以说大同小异，所有的码垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成。体现码垛机动态性能优劣的指标主要有：运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、认址精度等。随着科学技术的不断进步，立体仓库的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断提高。1.2 码垛机的发展初期的立体仓库使用的码垛机以桥式起重机为基础，这种码垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架，利用门架的上下和旋转来搬运货物。1960 年左右在美国出现了巷道式码垛机，随后巷道式码垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式码垛机。1967 年日本安装了高度 1015 米的高层码垛机，1969 年出现了联机全自动化仓库，我国是在上世纪 70年代初期开始研究采用巷道式码垛机的立体仓库。目前的码垛机技术取得了重大的发展，控制技术、定位精度、运行速度都得到了很大程度的提高。巷道式码垛机的起升速度已经可以达到 90m/min，运行速度达到 240m/min，在有的立体仓库中采用上、下两层分别用巷道码垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力。按现行机械行业标准，有轨巷道式码垛机分类方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。无论何种类型的码垛机一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。7第三章 码垛机的结构设计3.1码垛机的总体机构码垛机是由三个直线电控工作台以及一个旋转工作台外加货叉组成。然后整体放置在底座上，用地脚螺栓固定在地面。其中轴采用了链传动，直线导轨支撑结构形式。外面采用柔性风琴防护罩进行保护。轴除行程不一致外，本身结构形式完全不同，采用了直线导轨支撑，滚珠丝杠传动的结构。这种结构的特点是承载能力高，安装方便。轴因为相对承载低，故此采用光轴直线导轨支撑，滚珠丝杠传动的结构。三个轴互成直角组合搭建而成。也就是典型的直角坐标机器人。工业上经常用到这种结构。轴为旋转轴，通过支架与轴活动平台连接。结构为蜗轮蜗杆形式。所有直线工作台在系统中可采用伺服电机或者步进电机驱动，通过联轴器与丝杠端连接。在大型柔性制造及物流系统中，这种码垛机结构应该是相对较复杂的，不仅因为它本身结构复杂，还因为包括知识面比较多，有电机控制、寻零复位操作、点位控制、精度测量等重要问题。包装码垛生产线机械结构复杂， 零部件较多。其传动形式多为链传动和带传动，其执行元件多为气缸，本章简化了机械本体的设计，方便实现后续的自动化控制。83.2 升降机结构设计升降机是实现分层码垛的关键部机之一，其结构如图所示。主要由升降平台、传动机构和配重体组成。升降平台主要由托盘支架，一对导向滚轮、一对限位滚轮等构件组成。托盘支架是由纵梁、横梁组成的一个四方形的平面框架，导向滚轮、限位滚轮用滚轮支架装在框架四角处。滚轮与高架平台主机架的四根立柱上的导轨相配合，保证了升降平台运动的平稳与灵活。平台通过四个调节螺杆与四根单排传动链条相连，传动链条通过主传动轴上的链轮与配重体相连。传动机构是升降平台3实现升降运动的动力源。主要由轴装式减速电机4、传动轴5、链轮链条及托板组成。减速电机的正、反旋转，使升降平台上、下运动。配重体由钢板焊接而成，其重量是根据升降机承载的最大负荷确定的。这样可以减少电机的驱动力和掣动力，并增加平台运行的平稳性。93.3 载货台设计1、尾座板2、深沟球轴承3、隔套24、直线导轨5、丝杠螺母副6、滑块7、连接块8、隔套19、深沟球轴承10、圆螺母11、轴承压盖12、轴承座13、联轴器14、底座15、电机座板16、驱动电机17、硬限位18、开关支架底板19、机械限位开关20、开光撞片21、底板122、连接板23、零位开关24、底板2如图为二轴工作台整体效果图，驱动电机通过联轴器与丝杠连接，丝杠两端轴承支撑，属于固定- 支撑安装方式，即一端固定住，一端浮动支撑。因两端固定要求的加工精度及安装精度很高。丝杠螺母与连接块螺钉连接在一起，两个直线导轨螺钉安装在底板上，然后直线导轨上滑块与连接块一起与连接板也就是活动平台螺钉连接。工作台设有两个机械限位开关以及一个零位开关，两端还有机械硬限位挡块。机械限位开关作用是限制工作台左右行程范围。为了避免操作失误或者过冲，结构上必须设置硬限位，避免造成设备损坏和危险。在工作台设计过程中，一直需要贯穿考虑的问题还有走线问题，因为电机、各类开关、气管等为了整体美观及线路安全，一般工业或者教学都用托链保护。需要考虑安装方式不和其他运动及各轴干涉，以及运动过程中内部无挤压等现象，防止气管堵住及电10线损坏。3.4 托盘仓的设计托盘仓是存储托盘和向托