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毕业设计任务书 学生姓名 院系 机电工程学院 专业、班级 指导教师姓名 职称 教授 从事 专业 机械电子工程 是否外聘 是 否 题目名称 柔性 包装机的设计 一、设计目的、意义 柔性 包装机的设计 是专业的自动化搬运码垛设备，替代人工搬运码垛，只需定位抓起点和摆放点，两点之间的轨道全由电脑控制，两点直线运动，定位十分准确。生产上能迅速提高公司的生产效率和产量，同时还能减少人工搬运造成的出错。机器手码垛机可全天候作业，配备机械手可替代不少工人的工作量，由此每年能 节省几十万的人力资源成本，达到减员增效的目的。 柔性 包装机的设计 是目前占地最小、效率最高、适应能力最强的码垛机。 柔性 包装机的设计适应于化工、饮料、食品、啤酒、塑料、空调行业等生产企业 ； 对各种纸箱、袋装、罐装、啤酒箱、瓶装等各种形状的包装成品都适应。 为配合卓越工程师试点工作中的课程改革，结合教学研究任务，本设计针对我院实验室的柔性制造系统中的立体仓库环节进行实验前期准备工作。以 控制核心设计码垛单元的 制系统，并应用组态软件 制作 操作界面。 二、设计内容、技术要求（研究方法） 设计内容： 1选 择和确定总体设计方案； 2 设计电气控制原理框图； 3 进行 选型及 I/O 分配； 4 设计 件系统； 5 制程序的编写及调试； 6 组态 界面的制作。 技术要求： 1 以 为控制核心； 2 所设计的控制系统要能够满足实验要求； 3 组态软件设计的操作界面要友好，易操作。 三、设计完成后应提交的成果 1 开题报告一份，与设计题目相关的英文文献翻译一份； 2 设计说明书一份，不少于 字； 3 技术资料 （ 1）系统框图： 纸一张； （ 2） 制系统的外部接线图： 纸一张 ； （ 3） 制系统梯形图 ： 纸一张； 四、设计 进度安排 20*年 02 月 27 日 年 03 月 04 日 接受任务，市场调查； 20*年 03 月 05 日 年 03 月 18 日 查阅文献、收集资料，撰写并提交开题报告； 20*年 03 月 19 日 年 04 月 01 日 确定控制方案，设计控制系统框图； 20*年 04 月 02 日 年 04 月 15 日 器件选型； 20*年 04 月 16 日 年 04 月 29 日 系统硬件设计；解决问题，修改完善 20*年 04 月 30 日 年 05 月 13 日 程序编制与调试； 20*年 05 月 14 日 年 06 月 03 日 制作组态软件操作界面； 20*年 06 月 04 日 年 06 月 10 日 撰写设计说明书并用计算机绘图； 20*年 06 月 11 日 年 06 月 15 日 完成说明书及图纸的打印，准备答辩。 五、主要参考资料 电气控制与 M中国电力出版社 ,2007 可编程序控制器的系统设计与应用实例 M机械工业出版社 ,2000 自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计 J化 ,2002(9):70 72. 物料搬运自动化 M机械工业出版社 ,1992 基于 J2007(05) 可编程控制器原理 、 应用 、 实验 M机械工业出版社 ,1998:24 241 测试技术基础 M清华大学出版社 ,2003： 180 279 杨宝清主编 M机械工业出版 社 ,2004 吕宁 J2004. 六、备注 指导教师签字： 年 月 日 系主任签字： 年 月 日 外文翻译 专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 班 级 学 号 指 导 教 师 1 食品包装工业发展战略 子华 译 食品包装工业发展战略 20 世纪 90 年代，全球的食品工业总产值达到了 亿美 元，高居于其他工业产值之上。至于食品包装工业总产值同样占包装工业总产值的大约 60以上。这都充分说明了食品加工和食品包装在整个国民经济中是处于相当重要的地位的。 21 世纪，预计各国发展的重点依然是力争妥善解决好人们吃饭（包括军 和 民的各种特殊需要）的大问题上，从而决定了食品工业和包装工业都是永不衰落的朝阳工业。今后，食品工业将成为全国最大的产业部门，这对我国继续扩大包装食品的出口会带来极好的机遇。 仅就食品包装而言，按物流过程的应用情况可分为销售包装和运输包装两大范畴。考虑到前者直接与食品本身以及消费者接触， 对其内外包装的方方面面大都提出了 多种多样的较高要求。加之从总体看，食品销售包装所用的材料、容器、工艺、技术及设备，不论在复杂程度、变化状况或先进水平上都是无与伦比的，更具有广泛性、代表性和带动性。以致食品销售包装能在整个包装工业中起着当之无愧的主导作用，必须优先大力发展。 食品包装技术现状分析 鉴于食品的种类繁多、千差万别、层出不穷，而且多为有机物质易受外界微生物感染以及物理、化学、机械等不良作用而变质损坏，因此大都要求包装具有较强的保护、使用和促销功能，以致食品包装的无菌化、小型化、多样化、简便化、机械化 、自动化便成为时代发展的主流。 不论采用何种方式包装，首先都要从对内包装的各方面要求出发，合理选择包装材料和包装容器。 对液体食品，常用塑料瓶、玻璃瓶、金属罐、复合材料制作的袋、盒、杯等；对半流体食品，常用塑料或玻璃的广口瓶、复合材料制作的袋、盒、杯等；对粉体、散粒体及其与液体混合的食品，常用金属罐、塑料广口瓶、复合材料制作的袋、盒、罐等；对单个或多个集合的块状、片状、条状及类似于球状、半球状等固体食品，常用较大型的塑料盒、金属罐、复合材料制作的袋、盘、盒等。 总之，当前食品销售包装容器，以金属、玻璃制作的 瓶、罐、盒等所占比重较小， 2 且有逐渐下降趋势，多用于礼品包装或特种包装。以薄型纸板制作的盒、盘等由于阻隔性能差，一般大都用于外包装。惟有以塑料薄膜为基础的复合材料制作的袋、盒、杯等足以 能 保护食品、美化外观的独特作用，并且成型多样、容易加工、节省资源、成本不高，使用轻便、适应性强，可谓几乎无所不包（通常含气液料除外），无所不用（扩展到陆海空所有场合），很有发展前途。尤其是内包装袋与外包装盒相结合，更能有力地推动食品小包装的广泛应用。 随着人们日常工作节奏的加快，营养保健食品的丰富，环境保护意识的增强，今后对食品 及其包装也必然会提出许多新的要求。如今引人注目的是，鉴于电冰箱、微波炉的迅速普及，加上其他相关条件逐步成熟，不会很久，可以通过开发速冻食品作为方便食品、快餐食品大量进入家庭和企事业单位（包括服务、旅游之类行业）。与此同时还要因地制宜大力发展真空包装、真空充气包装和无菌包装等新技术、新产品，使之与速冻包装有机结合，共同促进食品包装更上一层楼。这样一来，各种层次的消费者希望以袋盒为主体的食品小包装容器，特别是关于全面理解使用轻便的问题，主要指包装件容易开启、随意摆放、多次可封、用后可收、安全可靠。所以，必须采用相应措施，进一步改善袋型、盒型并实现主体与封口结构的科学化和多样化 。 众所公认，在商业竞争中，物美与价廉始终必须兼顾。 若能切实做到这一点，就不难占领市场，立于不败之地。出路之一在于切实实现合理包装与简化包装的辩证统一。道理很明显，合理也包含简化，但简化不一定合理（如过去被淘汰的饮料裸式薄塑料管包装、饼干天地盖式软纸盒包装等）。事实上，从主流看，现有不少精心设计流行的袋与盒包装就占有这方面的优势，因为经过合理简化了包装形式与结构以及相关工艺与设备，可以大幅度地减少生产销售过程中的各种消耗浪费，并消除诸多不稳 定因素的发生，进而提高整体效益，最终体现现代包装的大方向。 接着需要深入考察的是，怎样选择适宜的包装工艺方法和包装机械类型，以便将某种或多种物料装入已选定的包装材料、包装容器之中，使包装系统的整体功能得以实现最优化。 仍就食品的销售包装而言，现今最常用、最基本的包装工艺方法有两大类，即充填与裹包。充填方法几乎适用于一切物料和各类包装容器。具体讲，对流动性较好的液体、粉体、散粒体，主要依靠自身重力，必要时辅以一定的机械作用便可完成包装过程。而对黏性较强的半流体或体形较大的单件、组合件，则要采用相应的挤压、推 3 入 、拾放等强制性措施。至于裹包方法却与此有所差异，它主要适用于外形规整、有足够硬性挺性、且要求包装得较紧实的单件或组合件，多用柔性的塑料及其复合材料（有的附加轻质托盘、衬板），借助机械作用进行裹包。迄今，裹包形式也是丰富多彩的，然而应以袋型为主流。观察国内外市场受到启示，充填方法和裹包方法虽各具特色，可是前者在全世界被用得更加面广量大，起着主导作用。尽管如此，值得强调指出，再联系前述的有关袋与盒的优势地位，若能将充填与裹包两种方法相辅相成运用起来，可谓如虎添翼，必会增强食品包装机械的整体功能，大体上做到更有成 效的无所不包。 食品包装机械应开发的主导机型 近十余年来，国际包装界十分重视提高包装机械及整个包装系统的通用能力和多功能集成能力，为市场开拓日新月异的多样化商品提供及时灵活应变的生产手段。同时基于合理简化包装和优选包装工艺方法的实际需要，不断探索，明显地加快了自身技术革新的步伐。尤其是与现代自动机床同步发展相呼应，逐步明确。要想建立多样化、通用化、多功能集成化的包装机械新体系，首先必须着重解决组合化和机电一体化的大问题，无疑这是今后的重要发展方向。 组合化的基本指导思想在于，根据包装总要求设计一系列具有独立 功能的模块（泛指部件、组件、装置、设备），应用时通过改变模块的类型、数量、位置来变换系统的工艺过程及整体功能，使之成为带有一定柔性的通用包装机，实现一机多能，以便用较少的投资达到多品种、小批量产品包装的目的。 从整机角度来看，水平布局往往优于垂直布局。前者有利于外延模块，从而增加功能、方便操作、美化外观、稳定机体，主要缺点则是占地面积较多。权衡利弊，今后发展的主流应是水平组合式多功能包装机。 着眼于 现在 和未来，可以确认下述 3 大类型包装机乃是适合食品销售包装的优秀机种，且可堪称之为拥有漫长发展历史和富有强大生 命力的主导机型，即立式袋（盒）成型充填封口机、卧式袋（盒）成型充填封口机、卧式接缝裹包机。 按照成组技术思想进行剖析，这三者之间的共同性和相似性较多，有助于统一开发，另外又各具特殊的差异性，要因地制宜选用。经全面比较，列其主要特征如下： 包装对象 将 3 个机种相配合几乎无所不包（通常含气液料除外），只不过第三种有局限性。 包装材料 均以卷筒式复合薄膜为主，有的场合第二种可内放吸管，第三种 4 可内放托盘等辅件。 包装形式 第二种花样较多，如三边封袋、四边封袋、双联袋、自立袋、砖形盒、屋顶形盒等；第一种居其次 ；第三种偏少，通常以枕形袋为主，有的可制成筒形袋、四边封袋等。 包装尺寸 第一种的袋宽最小达 10 毫米，袋长可在限定范围内无级调整；后两种的袋宽及袋长均可在限定范围内无级调整，其中第三种的袋长能达半米以上。 封口类型 第二种新开发出来的不少，如设置撕裂口或撕裂线的上端平封、加内嵌盒的组合封、放在不同部位的螺旋盖封等等；另外两个机种显得单调。 传送运动 既能实现连续式运动，也能实现步进式运动。 结构组合 全面体现模块式结构，尤其第二种水平布局更便于配置功能性模块（如抽真空、充氮气），加上机电一体化 程度高，使多样性、通用性、多功能集成性大为增强，形成了系列化产品。 据报道，长期以来，这 3 大典型机种在国内外市场上举足轻重，前景喜人，第二种最为突出，方兴未艾。除此以外还要看到，无菌包装技术正以惊人速度在液体饮料和液体副食品等领品也将逐步采用无菌包装。不妨预测，到那时，用塑料复合材料制作的多种袋与盒，依然是支撑它们继续发展的有效包装容器。将来有朝一日，一些黏度较高的食品、颗粒与液体混合的食品，以及固体的食品现今已经开发出来的若干种类无菌包装机，无论立式或卧式的，大体上都是参照上述几种主导机型应运而生、演进而 成的，只是功能更显得完善、技术更显得复杂罢了。相当清楚，无菌包装机与成为食品包装机械中很有代表性的主导机型之一。 5 1990s in 0th .2 of is As is 0%. in is in a 21it is is to of on is a In s To to an to to of be of of of a of an of of in or to of in a in be to of of of to in of of No of of of of of or 6 of of or by In of or To of as is of to to is of Is of to of of to of of of is to a of be as to so As a of on a of as on a of to to be we to of It do it is to to a is is as in to be 7 In a of on a in a to se of of is to of to or in so to of on be of in of in is on be of of of or of up As of it is to up of or So is to of is to be in a it is in of It be is It of of be to of to of to of to 8 of in of To a a of we on of it is it is of is to of of a of By of to as a a so it a of so a of of a is to of of is to of is On of of be on we of is be to a as of of in of an of as of - of a - up a as A ; A be so 10 mm of no 9 of of no be of of 68 of as up or of in of of is - - in of as a of So It is a of a in he is in be of is of be It by of a of to of of or of it is of 1 , . 3rd 1993. 2 . up 998;38(4):5961. 3 of 999/31/EC on of J . 16 999. 4 of to of on of 998. 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 科学生毕业设计 柔性包装机的设计 院 系 名 称： 机电工程学院 专 业 班 级 ： 机械 设计制造及自动化 08 学 生 姓 名 ： 指 导 教 师 ： 职 称 ： 二 六月购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 s 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 摘 要 柔性制造系统（ 集成了自动控制技术、人工智能、计算机语言编程组态监控等现代化技术的生产设备。 目前实践教学作为教学过程中的一个环节，是工科院校培养跨世纪创造性人才必不可少的。为配合卓越工程师试点工作中的课程改革，结合教学研究任务，本设计针对学校实验室的柔性制造系统中的立体仓库环节进行实验前期准备工作。 本设计主要由三层 12 仓位的立体仓库和四自由度码垛机械手两部分组成。其中码垛机械手由机 械传动部分和电气控制两部分组成，电气控制是由西门子 可编程控制器 (步进电机驱动器、开关电源、位置传感器等器件组成。 在设计过程中，不断参阅相关电气设计规范的资料，参照现有的码垛机的工作模式及控制方法，最终完成 控制核心 的 码垛单元的 制系统 设计 ，并应用组态软件制作监控仿真界面。 关键词 ： 柔性制造系统 ；码垛机；立体仓库 ； 态 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I is of as of a is of of is As in in of in is of 2 of of is of a an is 7 a of to LC as LC of 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 录 摘要 I 1章 绪论 1 题背景 5 性包装机的设计 的概述 6 性包装机的设计 在国外的研究现状 6 性包装机的设计 在国内的研究现状 6 性包装机的设计 的发展趋势 7 题的主要研究内容 7 第 2章 柔性 包装机的设计 的总体方案设计 9 性包装机的设计 的总体框图 9 性包装机的设计 的结构组成 10 性包装机的设计 的控 制方案 11 性包装机的设计 的控制功能要求 11 性包装机的设计 的控制方案确定 11 性包装机的设计 的定 位方案确定 12 章小结 14 第 3章 柔性包装机的设计 的硬件设计选型及介绍 15 动机的计算选取 15 性包装机的设计 的已知参数 15 据已知参数对电动机的选型计算 15 进电机驱动器的介绍 16 编程控制器的选型及 I/O 分配 18 编程控制器的选型 18 编程控制器的 I/O 分配 18 轨的形式介绍 19 珠丝杠的介绍 20 章小结 20 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 4章 柔性包装机的设计 的软件设计 21 程软件介绍及使用 21 性包装机的设计 的 序设计 23 性包装机的设计 的工作流程 23 性包装机的设计 的软件设计 25 章小结 42 第 5章 组态王 仿真画面的设计 43 态王监控软件介绍 43 态王监控软件仿真设计 43 立组态软件与 间的通讯连接 44 态画面及监控元素的设计 45 章小结 50 结论 51 参考文献 52 致谢 54 附录 55 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 第 1章 绪 论 题背景 柔性包装机的设计 是自动化仓库的主 要搬运码垛设备，而立体仓库的产生和发展是现代物流体系的要求和信息技术进步的结果，它是在不直接进行人工干预的情况下自动地存储和取出物流的系统，替代了人工搬运，只需定位抓起点和摆放点，两点之间的轨道全由电脑控制，两点直线运动，定位十分准确。自动化立体仓库码垛机是现代工业社会发展的高科技产物，可全天候作业，配备机械手可替代不少工人的工作量，由此每年能节省几十万的人力资源成本，达到减员增效的目的。生产上能迅速提高公司的生产效率和产量，同时还能减少人工搬运造成的出错。对提高生产率、降低成本有着重要意义。 柔性包装机的 设计 是目前占地最小、效率最高、适应能力最强的码垛机。码垛机械手适应于化工、饮料、食品、啤酒、塑料、空调行业等生产企业，对各种纸箱、袋装、罐装、啤酒箱、瓶装等各种形状的包装成品都适应。 目前实践教学作为教学过程中的一个环节，是工科院校培养跨世纪创造性人才必不可少的。为配合卓越工程师试点工作中的课程改革，结合教学研究任务，本设计针购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 对学校实验室的柔性制造系统中的立体仓库环节进行实验前期准备工作。以 控制核心设计码垛单元的 制系统，并应用组态软件制作监控仿真界面。 性包装机的设计 的概述 性包装机的设计 在国外的研究现状 柔性包装机的设计 是随着大型物流配送中心和自动化立体仓库的发展起来的，物流这一概念是在 20 世纪 50 年代首先在美国形成的，立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。 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（立柱），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，这种堆垛机是在地面的导轨上行走，利用货架上部的导轨防止倾倒，或者是在上部导轨上行走，利用地面导轨防止倾倒。在立体仓库码 垛机的研发和使用方面，日本始终走在前列， 1967 年安装了 10 15 米的高层码垛机， 1969 年出现的联机全自动化仓库，特别是 1973 年建成了一座储藏生鲜食物的冷藏库，这是世界上第一座 的极低温仓库，解决条件下码垛机的可靠性和技术方面的问题，取得了引人瞩目的成就。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。 据不完全统计，美国拥有各种类型的自动化立体仓库 20000 多座，日本有 38000多座，德国有 10000 多座，英国有 4000 多座，前苏联有 1500 多座。 性包装机的设计 在国内的研究现 状 我国第一台桥式 柔性包装机的设计 于 1963 年由北京起重运输机械研究所研制，在20 世纪 70 年代初期开始，我国石油化工企业先后从日本、西德和意大利等国家引进了几十台码垛机。其中除了从西德缪勒斯（ 司和意大利 司引进几台外，其余大部分码垛机均是从日本 司和不二公司进口的。到 80 年代初期，我国一些企业和科研单位，在消化、吸收引进技术的基础上，相继设计、研制出几种不同类型的码垛机，并用于聚乙烯、聚丙烯、化肥等粉粒产品包装码垛生产线上，为码垛机的国产化开创了良好的开端。当时主要生产厂 家有宜昌地区机械厂、常州化工机械厂、哈尔滨工业大学机器人研究所和沈阳运输机械厂等单位。从 80 年代初期开始，我国一些科研生产单位即着手设计研制辊道式码垛机。当时主要以仿型为主，即按国外同类型码垛机的型式，并结合国内的制造水平进行设计研究的，为国产码垛机奠定了雏形。到 80 年代中期，我国一些科研、设计和生产单位，开始设计购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 研制气垫式码垛机。这种机型仍以仿型为主。该机型具有结构较紧凑、自动化水平高，运行动作灵活、成垛性能好、外形比较美观等特点。但这种机型与国外同类先进水平相比，仍有一定的差距。 80 年代后期，我国一些科 研单位设计研制出一种机器人全自动码垛机。该机是在辊道式码垛机的基础上，通过高架机械手进行码垛作业的一种机型。其处理能力为 600800 袋 /时。 哈工大机械人研究所于 1988 年研制的包装码垛生产线，从 1992 年 6 月安装在大庆石化总公司投产运行后，经过二年半的生产使用，证明运行情况良好，深得用户好评。该所在此基础上，又以国外最新产品性能为目标，开发生产了一套第二代自动包装码垛生产线，并且于 94 年 10 月安装在齐鲁石化总公司投产运行；还计划再上二套码垛生产线。同年 11 月又在天津联合化学有限公司安装了二套自动化包装码 垛生产线。此后，自动化物流的开发与应用得到了很大发展。据不完全统计，截止到 2006年底，全国自动化立体库的保有量已超过 500 座。 2006 年建设的自动化立体库在 80座以上，主要集中在机械制造、汽车、烟草、食品加工、服装生产、医药生产及流通等行业，与 2005 年相比，整个市场有了很大发展。 性包装机 的发展趋势 纵观世界各国码垛机的发展的现状，对今后的动向，可归纳如下： (1) 重视 “三化 ”，逐步采用国际标准。所谓 “三化 ”，是指码垛机的标准化、系列化和通用化。贯彻 “三化 ”可以缩短设计周期，保证产品制造 质量，便于管理和提高经济效益。世界上许多国家，不仅重视产品的 “三化 ”工作，而且非常注意采用国际标准（ 有的国家甚至废除本国标准而直接采用国际标准，其目的是为了促进商品的国际交流。 (2) 实现产品的机电一体化。机械产品需要更新换代。在当今计算机技术、自控技术和数显技术大发展的年代里，更新换代的重要标志是实现产品的机电一体化。在码垛机上应用计算机技术，可以提高作业性能，增加安全性，以至实现无人自动操作。 (3) 人机工程学的应用。码垛机一般应用在沉重、忙碌、环境比较差的场合。为了减少人员的作业强度，保 证持久旺盛的体力和注意力，应该根据人机工程学的理论，设计导动装置和人员辅助装置，改善振动与噪声的影响，以使最少、最合理的投资，获得最佳的使用效果，使设备发挥最大的效率。 题的主要研究内容 本课题研究的主要内容是教学用仓储机械手码垛机的自动控制及组态软件的监购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 控仿真，主要包括以下几个方面： (1) 深入研究实际工作过程中码垛机的工作情况，理解其工作原理； (2) 根据参数选择电机，确定控制方案。进行控制系统的总体设计； (3) 根据总体方案的设计，设计电器控制的原理框图； (4) 进行 选型，进 行硬件系统的设计并对 I/O 分配； (5) 针对每一部分的硬件设计，进行软件部分设计， 制程序的编写及调试； (6) 应用组态软件制做监控仿真操作界面。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 第 2章 柔性包装机 的总体方案设计 性包装机的设计 的总体框图 上 位 机 ( P C )输入S I M A T I - 2 0 0 C U 2 2 4 X 体框图 图 采用 西门子 为主控制器的 码垛机 总体框图。一台 为上位监控机通过 85 通信端 口与 连，可以对整个系统进行全面的监控管理。 本设计只针对 控制设 计，其输入都有启动按钮、停止按钮、单机联机切换开关、急停等操作面板上的操作开关，还有码垛机的行程限位开关和立体仓库上 12个仓格有无货物的检测开关。 其输出包括 4 个步进电机驱动器的脉冲和方向输出，以及码垛机上气动机械手夹取松开的电磁阀和一些辅助的设备（例如启动停止的指示灯）。 4 个步进电机驱动器分购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 0 别驱动 4 个步进电机，这 4 个步进电机分别用于控制码垛机的 X 轴、 Y 轴、 Z 轴的移动和 1 个机械手的转动。 性包装机 的结构组成 本课题是针对学校实验室的柔性制造系统中的立体仓库环节进行实验前期准备工作而设计的。实验装置 由机械部分、电气部分和操作台组成 ， 模拟了码垛机在一个有 12 仓位 的立体仓库 的工作情况。 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一个气动手爪组成。然后整体放置在桌面上，用螺钉固定在桌面铝合金槽内的螺母中。 码垛机的构成表 其中 I 轴和 除行程不一致外，本身结构形式完全相同，均采用了光轴导轨支撑，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。 是垂直的升降轴，因为相对承载低，故采用光轴支撑，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。 为旋转轴，通过支架与 活动平台连接。结构为蜗轮蜗杆形式。所有直线工作台在此系统中都采用步进电机驱动，通过联轴器与丝杠端连接。 表 性包装机的设计 构成介绍 轴 构成 动作范围 I 步进电机 280轴器 滚珠丝杠 光轴导轨 进电机 300轴器 滚珠丝杠 光轴导轨 进电机 350轴器 滚珠丝杠 光轴导轨 进电机 100 蜗轮蜗杆 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 性包装机 的控制方案 性包装机 的控制功能要求 码垛机是立体仓库货物存取任务的最终执行者，其主要动作包括： (1) 码垛机沿货架（ I 轴方向）的左右运动； (2) 码垛机接近和远离货架（ 方向）的前后运动； (3) 码垛机沿立柱（ 方向）的上下升降运动； (4) 安装在码垛机上机械手的转动（ ）； (5) 安装在码垛机上机械手的加紧和放松。 因此，码垛机单元的自动控制主要应包含以下几方面的内容： (1) 手动控制功能：仅能通过控制面板的按钮进行启动、停止、急停等控制操作； (2) 自动控制功能：当手动按 下启动按钮时，要求码垛机应能完成复位动作以及货物的自动入库任务。码垛机运动的情况下，码垛机要运动到码垛位和抓取位，其中的坐标点必须有一个参考系，并且，在系统断电的时候，为防止系统丢掉原点信息，以及当系统以外停机或发生故障的时候需要系统具有原点复位功能。 (3) 安全保护功能：实时监测各关键器件的使用情况及系统的运行情况，出现故障时及时报警。 性包装机 的控制方案确定 在当今的工业控制领域，有相当多的控制手段和设备，比如：继电器控制、 片机控制、集散控制系统（ 及可编程控制器（ 制等等。 目前，比较有代表性的码垛机控制方式主要有： (1) 基于 控制系统 基于 控制系统，其主要构成是以 制器为核心，运用其强大的 I/成其与 机接口）的通信，其主要优点是编程比较简单，对使用者的要求不高，且其抗干扰能力比较强大，运行非常稳定，主要缺点是不能实现通用化，其灵活程度不高。 (2) 基于 制系统 基于 控制系统是主要由计算机（一般是工控机）完成主要的算法和码垛机器人运动路径规划以及结合运动控制器来控制电机运动，由于基于 ，故可以可使用高级 语言编程，其灵活性比较高，可完成比较复杂的控制功能，其缺点是开发周购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 期比较长，且对开发者要求比较高。 综上所述， 为一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，具有其独特的优点。本设计针对学校实验室的柔性制造系统中的立体仓库环节进行设计的，规模相对于工业中要小，所以选择第一种方案：基于 控制系统。 性包装机 的定位方案确定 柔性包装机 定位控制方法很多，现就几种典型方法介绍如下： (1) 常规的限位开关定位方法 柔性包装机 在运行过程中，要先确定目前的位置，然后才能根据目标信号 决定控制状态。例如：码垛机到某一层需要停下来时，首先在接近这一层时，要先从高速状态减速，到达平层位置时，再停车准备存取货物。因此，我们通常在每一层井道上安装三个限位开关，即上、下平层限位开关和平层限位开关。 如图 示，当码垛机在上升时，首先碰到下平层限位开关，此信号送到 变频器发出减速信号，变频器按照预先设定的减速曲线，控制码垛机开始减速，当停下时，进入货物存取状态。 图 层开关示意图 (2) 认址片的定位方法 采用认址片的定位方法时，准确地认址定位是正确存取货物的关键 。 认址片结构如图 示，认址方法如下：在巷道地基上相对于每列货格安装固定的认址片（挡板），在码垛机底部安装 4 个光电开关（ （ 码垛机一起前后运动，每经过列货格，光电开关通过认址档板发出脉冲信号到 而达到列认址目的。同样，在码垛机立柱上相对于每层安装认址片，在其购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3 升降台安装光电开关（ 升降台一起上下运动，达到层认址的目的。光电开关的脉冲输入信号作为 部认址计数器的计数信号，计数器的当前值作为速度控制的依据。当码垛机到达目标货格即计数器的计数值计到 零时，发出停车信号使其停止运行。 图 址片结构 升降台上的光电开关又用 部的计数器接收光电脉冲，升降台每经过一层，计数器减 1 计数，从而达到层方向认址的目的。码垛机对其定位精度要求是比较高的，一般误差不超过 2则，由于误差的积累，在货叉存取货物时易碰到货架或发生其他事故。但当发出停车信号后，码垛机由于惯性还会滑行一点，这样，光靠计数认址很难达到精确定位的目的。为此我们把认址片结构做成如图 示的形式。用1 号光电开关作为认址计数开关，计数到零时发出停车信号，然后再利用 1 号和 2 号开关作 精确定位。如果 1 号与 2 号开关同时有信号，说明已停准；如果只 2 号开关有信号，说明己超过，点动码垛机回退，再检测比较；如果只 1 号开关有信号，说明还未到中心点，点动码垛机前进，再检测比较。这样达到准确定位的目的。 (3) 采用 冲串输出与步进驱动结合的定位方法 图 冲串输出与步进驱动器结合 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 4 冲串输出与步进驱动结合使用的控制系统，具有可靠性高、可实现精确定位等优点，适合于小功率驱动系统。 西门子 供有开环运动控制的三种方式：脉宽调制（ 内置于 于速度、位置或 占空比控制；脉冲串输出（ 内置于 ，用于速度和位置控制； 控模块 用于速度和位置控制的附加模块。 内置于西门子 如图 西门子 步进电机转动方向控制有四种方式，分别如图 示。 图 输出极性和方向控制方式 由以上的介绍，我们可以看出，安装限位开关或认址片的定位方法，不仅废工废料，而且每个开关或认址片的实际安装距离，均不可避免地存在一定量的误差，使得系 统的安装调试变得复杂，而且定位质量难以保证。一旦系统要求改造，又要重新进行安装工作。而采用 冲串输出与步进驱动器结合的定位方法，通过 发出的脉冲数可以很容易地确定码垛机的当前位置，这种码垛机的位移定位方法具有定位精度高、适应性强的优点，因此，采用此方案对码垛机进行定位。 章小结 本章针对立体仓库中 柔性包装机 的控制系统进行了方案设计。系统主控制器选择了在工业环境中广受欢迎的可编程控制器（ 最后，在综合比较了多种码垛机的定位方法后，并结合本设计的实际要求，选择了定位精度更高，控制方 法更加灵活的定位方案 通过 发出的脉冲数和步进电机驱动器结合定位 的方法 。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 5 第 3章 柔性包装机 的硬件设计选型及介绍 本章将详细分析系统中各个组成硬件的原理与特点，并根据货物存储系统的实际工作环境，选择适合本系统的设备型号以及参数，完成码垛机单元的硬件设计。 动机的计算选取 性包装机 的已知参数 作为整个堆垛机系统的运动速度驱动者，电动机的合适选取十分重要。针对该立体仓库的实际工作情况，设计的堆垛机系统应当满足以下参数要求： 工作台的质量： 401 m 工件质量： 402 m 最高速度： vm/s； 加速时间： t s； 减速时间： 丝杆导程： 5P 阻力： 20f N； 摩擦系数： ； 据已知参数对电动机的选型计算 先求加速度： 1 m a x s 垂直方向轴向力计算： 上升加速时 )()( N 上升匀速时 )( N 上升减速时 )()( N 下降加速时 )()( N 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 6 下降 匀速时 )( N 下降减速时 )()( N 水平运动时 )()( 21217 N 通过计算分析可以清楚地发现，码垛机垂直方向的力较水平方向的力要大，因此只要按照垂直方向的上升加速时的力1可以满足其它运动 对于电动机转矩的要求。 3m a x m 通过表 选 步进电动机 表 进电机型号具体参数 型号 步距角 （ ） 保持转矩（ Nm） 额定电流 （ A） 相电阻 （ ） 相电感（ 转子惯量（ g 8 4 8 31 75 进电机驱动器的介绍 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 7 图 )步进电机驱动器 )步进电机驱动器如图 是一款经济、小巧的等角度恒力矩细分型高性能步进驱动器，驱动电压 用单电源供电。适配电流在 下，外径 42各种型号的二相混合式步进电机。 该驱动器内部采用双极恒流斩波方式，使电机噪音减小，电机运行 更平稳；驱动电源电压的增加使得电机的高速性能和驱动能力大为提高；而步进脉冲停止超过100，线圈电流自动减半，使驱动器的发热可减少 50%，也使得电机的发热减少。用户在脉冲频率不高的时候使用低速高细分，使步进电机运转精度提高，最高可达 200细分，振动减小，噪声降低。 )步进电机驱动器的引脚功能说明如表 表 )步进电机驱动器的引脚功能说明 标记符号 功 能 注 释 + 输入信号光 电 隔离 正端 接 +55V+24于 +5 2=下降 沿有效，每当脉冲由高变低时电机走一步。输入电阻 220，要求：低 电平 0电平 45V，脉冲宽度 2=用于改变电机转向。输入电阻 220，要求：低 电平 0电平 45V， 脉冲宽度 机释放信号 有效（低电平）时关断电机线圈电流，驱动器停止工 作，电机处于自由状态 。 点输出信号 电 机线圈通电位于原点置为有效（ B， 电）；光电隔离输出（高电平）。 - 输出信号公共地 号光电隔离公共地端， 大驱动电流 50高电压 50V。 +V 电源正极 40V 源负极 机接线 +A、 B、 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 8 编程控制器 的选型及 I/编程控制器 的选型 在码垛机码垛过程中，需要完成对砌块的夹紧、升降及水平搬运、旋转等多个动作，动作频繁且过程复杂。并且 ，在码垛工作现场往往环境较为恶劣，所以为了保证生产过程平稳有效地进行，就要求控制系统具有很好的可靠性以及很强的故障诊断能力。目前，市场上的主流控制系统是 的特点是结构小巧、通用性好、运行速度快、可靠性高，非常适合于在高温、振动、粉尘等环境恶劣的工业现场实现各种开关控制，所以选用 为控制系统的核心部件。 目前，市场上存在着种类繁多的大、中、小型 到作为少量的继电器装置的替代品，大到作为分布式系统中的上位机，几乎可以满足工业控制的各种需要。 西门子（ 公司的 品包括 业网络、 机界面、工业软件等。西门子 列 积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。 列 品可分为微型 小规模性能要求的 如 中、高性能要求的 。 根据实际情况，初步计算，共有 26 个输入、 11 个输出，根据控制要求以及所需的端子，因为数目较多，需要对 行 I/O 扩展。在该码垛机设备中选择直流型C/C，以 及一个 16 输入 /16 输出）扩展模块。总共有 30 个输入和 26 个输出，可以满足控制需求。 编程控制器的 I/码垛机自动控制过程，包含了多个环节，生产过程的各个环节之间都是紧密联系，并非独立存在，因此为了保证生产过程的顺利进行，必须确保各环节适时配合和安全转换。 输入信号能够将码垛机的工作状态、操作及转换信息等信号传递给 含了启动、停止、急停、单机联机切换开关等操作的按钮，还有 12 个仓位有无货物的检测开关。 输出信号主要是用来控制码垛机设备的升降、进退、夹紧、旋转等动作。 根据码垛机的 实际情况 ，分析其功能，可将编程控制器的 输入 /输出分配如表 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 9 表 （接触器吸合） 垛机升降轴驱动器脉冲信号 座 X 轴正向限位信号 机状态下启动信号 座 X 轴负向限位信号 警指示灯 座 Y 轴原点信号 垛机升降轴驱动器方向信号 座 Y 轴正向限位信号 垛机旋转轴驱动器脉冲信号 座 Y 轴负向限位信号 垛机旋转轴驱动器方向信号 降轴 Z 正向限位信号 爪电磁阀 降轴 Z 负向限位信号 转轴 4 正向限位信号 转轴 4 负向限位信号 品仓格 1 工件检测开关 品仓格 2 工件检测开关 品仓格 3 工件检测开关 品仓格 4 工件检测开关 品仓格 5 工件检测开关 品仓格 6 工件检测开关 品仓格 7 工件检测开关 品仓格 8 工件检测开关 品仓格 9 工件检测开关 品仓格 10 工件检测开关 品仓格 11 工件检测开关 品仓格 12 工件检测开关 轨的形式介绍 一般负载较重或者带有径向扭矩的时候，都需要选择 导轨支撑的结构形式，导轨也有很多种类，一般和载重、价格、精度有关系，下面列举几种常用的典型滚珠导轨标准结构，说明一下各自特点和区别。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 0 交叉滚柱导轨为水平相对滑动，两根导轨之间放置保持架与滚柱，这种导轨略显粗糙，要求安装精度较高，运动
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