高架码垛机分层装置控制系统设计（全套含CAD图纸）
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高架码垛机分层装置控制系统设计 摘要 目前国内全自动包装码垛设备主要依靠进口，国产设备生产厂家较少，市场呼吁国产化的全自动包装生产线。我国人工包装的低效率与产量的日益提高之间的矛盾同益突出，因此对包装码垛自动生产线的研究具有重大的经济意义和现实意义。 主要介绍了全自动码垛机生产线工艺流程，设计了以日本欧姆龙的包装码垛机生产线控制系统，重点介绍了控制系统的硬件配置，输入输出点分配和软件设计。 本文首先概述了 产生、发展及应用现状，随后又论述了高架码垛机的应用现状及其发展趋势。 高架码垛机 是一个多部机协同 作业的复杂的机械系统，其机械结构既有共性又有其特性。本文研究了 高架码垛机 装置机械系统设计，进行了机构的选择和分析；给出了传动装置的计算方法；对关键技术进行了分析。阐述了气动系统的设计，给出了基本的气动回路组成及功能。 最后，论文对全文进行总结，并提出了进一步研究的展望。 关键词 码垛机；控制系统；可编程控制器；软件 LC he of is of on is is to of LC of of is a of of of of is on of of a on 录 摘要 . . 第 1 章 绪论 . 1 题研究的背景和意义 . 1 编程控制器的产生、应用现状和发展趋势 . 1 编程控制器的产生 . 1 编程控制器的应用现状 . 2 编程控制器的发展趋势 . 3 架码垛机的发展、应用现状及发展趋势 . 5 架码垛机的发展 . 5 架码垛机的应用现状 . 5 架码垛机的发展趋势 . 7 题研究的主要内容 . 8 层装置设计方案 . 8 述 . 8 层装置的组成 . 9 第 2 章 分层装置机械系统设计 . 10 述 . 10 层装置的工作原理 . 10 层装置的主要机械组成 部件 . 10 层装置的方案设计 . 11 构设计 . 11 动装置设计 . 12 传动 . 13 层装置的气动装置 . 14 动回路设计 . 14 章小结 . 15 第 3 章 分层装置电气控制系统设计 . 16 制系统概述 . 16 分类 . 16 序的表达方式 . 16 工作原理 . 17 要控制元器件 . 18 制回路的组成 . 18 制回路元器件选型 . 19 路器 . 19 频器 . 21 断器 . 23 流接触器 . 24 近开关、光电开关 . 26 制系统设计 . 29 层装置的控制过程 . 29 制系统硬件设计 . 30 章小结 . 30 结论 . 31 致谢 . 32 参考文献 . 33 附录 A . 35 附录 B . 43 - 1 - 附录 A n 0 as LC as as LC is in of a in of on of it s At it a on s IN 960s ,of to is I/O) LC to as of On or or or be a or LC , a LC be to of by of - 2 - 1 LCs of in to to to a of on a (1) he of LC to of to , a to in 1131-3 be A is on to a of in of is to of (2) so of a LC is to of a On in of to of be of a or - 3 - a be by an a in A be or of be so of be to an of of as of be (3) as in of or a A be to of a a or of a be CS LC or as n ff 1 , 6. (4) of of a or a is n - 4 - a 4 V , 2 V DC n, (5) a of as by of on of to 6by or a to of (6) LC LC a to so is LC to 2. LCs of so is LC to An a or a an of to In to a of A so a in in of A to a - 5 - to a 5 LC a of in if , 1131-3 1131-3 to to of in (of a to to as of s a of , up to or to a of be in a of to . a to 3. LCs LC to - 6 - , LC of a be to of or A is s to MIs ( A to as as a to as a a or (1) of in F1 is as of LC in to of as to be by 968 yd a an 84 it a - 7 - to of on is to be of (2) 977 EG 1) of is of of in as LC 2) a of be in a of to . a to 632,768 32,767. by or a to of 3） A of of a to to - 8 - as 4） of s 632,768 32,767. by or a to of （ 3） LC to , LC of a be In as to be by - 9 - 附录 B 可编程控制器的发展前景 作为通用工业控制计算机 ,近 40 年来 ,可编程控制器从无到有 ,其功能从弱到强 ,其应用领域从小到大。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备 ,在世界各地发挥着越来越大的作用。回顾可编程控制器的发展进程 ,概述了可编程控制器的特点及应用领域 ,对未来可编程控制器的发展做了展望。 20 世纪 60 年代 ,由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展 ,人们曾试图用小型计算机来实现工业控制 ,代替传统的继电接触器控制。一方面 ,传统的继电接触器控制采用的是固定接线方式 ,一旦生产过程有所变动 ,就必须重新设计线路连线安装 ,不利于产品的更新换代。另一方面 ,采用小型计算机实现工业制价格昂贵 ,输入、输出电路不匹配 ,编程技术复杂 ,因而没能得到推广和应用。 20 世纪 60 年代末期 ,美国汽车制造工业竞争激烈 ,为了适应生产工艺不断更新的需要 ,在 1968 年美国通用汽车公司(先公开招标 ,对控制系统提出的具体要求基本为 :他的继电控制系统设计周期短 ,更改容易 ,接线简单 ,成本低 ;他能把计算机的功能和继电控制系统结合起来。但编程又比计算机简单易学、操作方便 ;系统通用性强。 1969 年美国数字设备公司 (据上述要求 ,研制出世界上第一台可编程控制器 ,并在 实现了生产的自动控制。其后日本、德国等相继引入 ,可编程控制器迅速发展起来。但这一时期他主要用于顺序控制 ,虽然也采用计算机的设计思想 ,但当时只有进行逻辑运算 ,故称为可编程逻辑控制器。可编程序控制器是以微型计算机为基础的一种数字式电子系统，专为工业环境而设计，通过数字量的输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。 品具有很好的抗电磁、抗噪声的能力，在各种恶劣环境，如有害废气的腐烛、高温、粉尘等也有很高的能力，因而广泛用于多 种工业领域。 特点 属于存储程序控制的可编程序控制器 ,其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的 ,若要对控制功能做必要的修改 ,只需改变软件指令即可 ,使硬件软件化。可编程序控制器的优点与这个“可”字有关 ,从软件来讲 ,他的程序可编 ,也不难编 ;从硬件上讲 ,他的配置可变 ,也易变 ,其主要特点为 : - 10 - (1)编程简单 最大特点之一 ,就是采用易学易懂的梯形图语言 ,他是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型 ,形成一套独具风格的以继电器梯形图为基础的形象编程语言。梯形图符号和定义与常规继电器展开图完全一致 ,电气操作人员使用起来得心应手 ,不存在计算机技术和传统电气控制技术之间的专业“鸿沟”。在了解 要工作原理和他的编程技术之后 ,就可结合实际需要进行应用设计 ,进而将 当指出 :为了更灵活地使用 分发挥他的功能 (尤其是大、中型 应用软件设计人员需要较深入地掌握计算机硬件和软件方面的知识。 (2)使用和维护方便 其主要有如下几点 :硬件配置方便。 硬件都是专门生产厂家按一定标准和规格生产的 ,硬件可按实际需要配置 ,到市场上可方便地买到；安装方便。内部不需要接 线和焊接 ,只要编写程序即可；使用方便。接点的使用不受次数限制 ,内部器件可多到使用户不感到有什么限制。只需考虑输入、输出点个数 ,这可由各种类型的 提供；维护方便。 备有很多监控提示信号 ,能检查出自身的故障 ,并随时显示给操作人员并能动态地监视控制程序的执行情况 ,为现场的调试和维护提供了方便 ,而且接线少 ,维修时只需更换插入式模块 ,维护方便。 (3)运行稳定可靠 专为工业控制设计的 ,在设计和制造过程中采取多层次抗干扰和精选元件措施 ,可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作 ,运行的稳定性和可靠性较高 。保证 可靠性的主要措施有 :良好的综合设计 (综合考虑整体的可靠性 );选用优质元器件 ;采用隔离、滤波、屏蔽等抗干扰技术及采用先进的电源技术、实时监控技术和故障诊断技术等。 以集成电路为基本元件的电子设备 ,内部处理不依赖于接点 ,元件的寿命几乎不用考虑。目前 整机平均无故障工作时间一般可达 2小时 ,甚至更高。 (4)设计施工周期短 使用 成一项控制工程 ,在系统设计完成以后 ,现场施工和 序设计可以同时进行 ,周期短 ,而且程序的调试和修改都很方便。 (5)通用性强 各个 生产厂家都有其各种系列化产品、各种模块供用户选择。用户可根据控制对象的规模和控制要求 ,选择合适的 品 ,组成所需要的控制系统。在进行应用设计时 ,一般不需要用户制作其他任何附加装置 ,从而使设计工作简化。 (6)安装方便 积小、重量轻、结构紧凑 ,便于安装。综上所述 ,可编程序控制器在性能上均优越于电器逻辑控制 ,与微型计算机、单板机相比 ,他也是一种用于工业自动化控制的理想工具 ,因而广泛应用于机械、冶金、化工、汽车、 - 11 - 轻工等行业中。若按应用类型来划分 ,应用领域大致可分为如下几个领域 :开关 量逻辑控制、闭环过程控制、位置控制、监控系统、分布式控制系统等。 国内外现状及发展动向 生后 ,日本、德国、法国等国家相继开发了各自的 到工业界的欢迎。 20 世纪 70 年代末和 80 年代初 成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。据有关资料报导 ,全世界目前约有 产厂180多家 ,1988年全世界 70亿美元 (其中小型机约占 40%),年产量约 150 万台。 售额的增长速度也是惊人的 ,据美国商业调查机关 美国市场 :1972年为 2千万美元 ,1982年增长到 10 年期间增长 30 多倍。按日本 查 ,1985 年日本 销售量为 1981 年的 22 倍 ,销售额达 827 亿日元。目前在世界先进工业国家 他的应用几乎覆盖了所有工业企业。显然 ,应用 术已成为当今世界潮流 ,作为工业自动化的 3 大支柱 (术、机器人、计算机辅助设计和制造 )之一的 术 ,将会跃居主导地位。近 10年来 ,我国的 制、生产、应用也发展很快。特别是在应用方面 ,在引进一些成套设备的同时 ,也配套引进了不少 上海 宝钢第一期工程 ,就采用了 250 台 ,第二期也采用了 108 台。又如天津化纤厂、秦川电站、北京吉普车生产线、西安的彩电和冰箱生产线等都采用了 制。总之 ,我国 应用已获得令人瞩目的经济效益和社会效益。我国在研制、生产自己 品的同时 ,也引进国外的 少公司或替国外的公司推销质量与档次较高的 并负责售后服务 ,或与国外公司合资 ,生产各种档次的 返销国外 ,也向国内销售。可以预见 ,应用将会越来越广泛 ,我国工业自动化程度必将提高到一个新水平。 近年来 ,国外 展的明显特征是 产品的集成度越来越高 ,工作速度越来越快 ,功能越来越强 ,使用越来越方便 ,工作可靠性越来越高。 进行模拟量控制、位置控制。特别是远程通信功能的实现 ,易于实现柔性加工和制造系统 (使得 虎添翼 ,为工业自动化提供了有力的工具 ,加速了机电一体化的进程。国外一些著名大公司每年即可推出一种新产品。如各种紧凑型、微型 仅体积小 ,功能大有提高 ,(其将原来大、中型有的功能移植到小型 ,如模拟量处理、数据通信等 ),而且价格不断下降 ,真正成为继电器的替代物。大中型 是向大容量、增加新 的功能、提高运算速度发展 ,以适应不同控制系统的要求。此外 ,新型 用多种功能的编程语言 (如 高级语言 )和先进的指令系统 ,实现 管理计算机之间的通信网络 ,形成多层分布控制系统 ,或整个工厂的自动化网络。 - 12 - 未来发展趋势 从问世至今， 一直凭借其高可靠性和强抗干扰能力，完善的功能，适用性强的特点，表现出强大的生命力和高速增长态势。但讨论 发展趋势，需要以今后市场为出发点兼顾技术发展趋势。 随着集成电路的不断发展，各种成熟的 涌现， 成本不断下降， 产的硬件 /软件门槛正在降低，国内外会有越来越多的自动化产品公司进入技术含量相对低的小型 域。 对于 未来发展的把握，也正是要基于以上这些事实，否则即使推出了自己认为很好的产品，也会没有自身的特点，淹没于同质化的产品中，在上竞争不过强势对手，在下又被后继者侵蚀既有市场。不同的市场对产品的需求也不尽相同，但总的划分，我们认为小型 展方向为以下三个方面 : （ 1）成本的需求 小型 展将会出现两个极端，低成本和高功能小型 成本特点是在应用上只需要一般的逻辑 控制，再加上一些必要通信口和附加功能就能满足控制需求。这是由小型 应用市场的特点所决定的，这种小型 要是应用于 场 (纺织机械、塑料机械、食品机械、包装机械等领域的低端产品 )，其设备对价格控制有较高要求。该类 硬件上，一般采用单 决的方案，相对低的技术门槛，使这也成为韩国、中国台湾、中国大陆等后继企业主攻的领域。 电子技术的迅猛发展，使 性能大幅度的提升，各种高性能的 使用，使各个厂商中小型 产品功能逐渐趋同，尤其是以国际著名厂商的产品功能 /质量都相近。如果不能提供差异化的产品，品牌影响力趋同，价格就是最主要，也可能是唯一的客户考虑因素了。 如果说，以往一些区域品牌还可以自己的低成本优势，在小型 场占有一定的份额。但当国际著名厂商凭借自身的品牌优势，强大的技术实力，较低的采购成本，配合中国制造的低加工成本，有针对性的在这个领域推出产品时，相信这一领域竞争会更加激烈，区域品牌的生存会更加艰难。诸如 :国际大厂西门子的 57 200姆龙的 是这种产品的杰出代表。 （ 2）功能的需求 新型高功能小型 涵盖部分以往中型 备的功能，多肥 U，配以专用 用将成为其主要的设计方案。 l)网络通信功能 通信功能上， 家在以往的 85 接口的基础上，逐渐增加了各种通讯接口 (如 太网，现场总线 )。现场总线技术及以太网技术的发展，用户对开放性要求也会进一步的提升， - 13 - 从而要求产品上提供完整的通讯网络。这主要是从系统应用的角度出发 层升降1 000000(002156)I:11)02162)I:I:4零袋处理分层动?Q:02197)Q:I:11):I:02202)I:I:I:11)0197上升临界层升降2 I:02211)Q:I:I:11)忆0179分层开到位定时I:02218)I:Q:02235)Q:I:11):I:02240)I:Q:11):Q:02248)Q:02252)1分层机低速000010(002257)层升降3 垛1接触器吸合000011(002260)I:托盘到位降机延时上 升时间托盘到位延 时停托盘到位时间00012(002263)(404)托盘到位时间降机延时上 升时间00013(002265)I:I:I:I:02275)I:I:2选择升降机反顶程序层升降4 02292)I:15)0003升临界后延 时升临界:5升遮光动作 时限0003上升临界后延时15)0004降机反顶时间降机反顶上 00016(002300)20)计数垛层数E)数满垛信号00017(002304)成记忆00018(002306):3 层升降5 控制电源断开信号000019(002312)Q:成记忆00020(002327)I:I:I:0盘离开升降 机00021(002331):I:I:层升降6 I:02342)I:00023(002344)I:I:Q:Q:11)I:02352)I:11)0017压袋定时Q:02359)I:降下降辅助00026(002363)02369)I:降到位1:02372)I:I:降到位1&200029(002375)I:降机下降到 位定时0226下降到位 层升降7 1000030(002378)I:升临界满垛低速下 降时间20)满垛低速下 降时间Q)标志21)#20满垛低速下 降时间00031(002383)0225升降机下降到位定时02390)I:5顶上升保持 时间00033(002400)15)0005顶下降时间降机反顶下 层升降8 00034(002403)0003上升临界后延时000035(002406)I:层到位定时00036(002408)Q:Q:I:层接触器吸 合02427)I:Q:9转位机待机辅助02443)Q:层升降9 升降机下降000039(002458)I:I:Q:02461)Q:02465)6层数为0Q:- - 1 高架码垛机分层装置控制系统设计 摘要 目前国内全自动包装码垛设备主要依靠进口，国产设备生产厂家较少，市场呼吁国产化的全自动包装生产线。我国人工包装的低效率与产量的日益提高之间的矛盾同益突出，因此对包装码垛自动生产线的研究具有重大的经济意义和现实意义。 主要介绍了全自动码垛机生产线工艺流程，设计了以日本欧姆龙的包装码垛机生产线控制系统，重点介绍了控制系统的硬件配置，输入输出点分配和软件设计。 本文首先概述了 产生、发展及应用现状，随后又论述了高架码垛机 的应用现状及其发展趋势。 高架码垛机 是一个多部机协同 作业的复杂的机械系统，其机械结构既有共性又有其特性。本文研究了 高架码垛机 装置机械系统设计，进行了机构的选择和分析；给出了传动装置的计算方法；对关键技术进行了分析。阐述了气动系统的设计，给出了基本的气动回路组成及功能。 最后，论文对全文进行总结，并提出了进一步研究的展望。 关键词 码垛机；控制系统；可编程控制器；软件 - - 2 LC he of is of on is is to of LC of of is a of of of of is on of of a on - 3 目录 摘要 . . 第 1 章 绪论 . 1 题研究的背景和意义 . 1 编程控制器的产生、应用现状和发展趋势 . 1 编程控制器的产生 . 1 编程控制器的应用现状 . 2 编程控制器的发展趋势 . 3 架码垛机的发展、应用现状及发展趋势 . 5 架码垛机的发展 . 5 架码垛机的应用现状 . 5 架码垛机的发展趋势 . 7 题研究的主要内容 . 8 层装置设计方案 . 8 述 . 8 层装置的组成 . 9 第 2 章 分层装置机械系统设计 . 10 述 . 10 层装置的工作原理 . 10 层装置的主要机械组成 部件 . 10 层装置的方案设计 . 11 构设计 . 11 动装置设计 . 12 传动 . 13 层装置的气动装置 . 14 动回路设计 . 14 章小结 . 15 第 3 章 分层装置电气控制系统设计 . 16 制系统概述 . 16 分类 . 16 序的表达方式 . 16 工作原理 . 17 要控制元器件 . 18 - - 4 制回路的组成 . 18 制回路元器件选型 . 19 路器 . 19 频器 . 21 断器 . 23 流接触器 . 24 近开关、光电开关 . 26 制系统设计 . 29 层装置的控制过程 . 29 制系统硬件设计 . 30 章小结 . 30 结论 . 31 致谢 . 32 参考文献 . 33 附录 A . 35 附录 B . 43 - - 1 - 第 1章 绪论 课题研究的背景和意义 所谓码垛就是按照集成单元化的思想，将一件件的物料按照一定的模式堆码成垛，以便实现物料的存储、搬运、装卸运输等物流活动。在现代生产中，人工码垛常常存在。在物料轻便、尺寸变化大、吞吐量小的场合，采用人工码垛方案，常常是经济可取的，特别是在人力资源丰富的 我国，这些应用场合基本上都是采用人工码垛的。然而，在工作量恒定的情况下，长时间地进行人工码垛作业常常会造成弯腰疲劳和重复劳动疲劳，从人机工程学的角度考虑，需要增加一些符合人机工程学方面的设施，例如托盘操纵机、剪式升降台、工业操作机械手等。码垛有人工码垛和自动码垛之分，人工码垛应用在物料轻便、尺寸和形状变化大、吞吐量小的场合，当码垛吞吐量在 10 件 /分钟以上，采用人工码垛方案需要较多工人时，采用自动码垛方案不仅可以加快物流速度，保护工人的健康和安全，而且可以获得整齐一致的物垛，减少物料的损伤，提高叉车的搬运效率 ，增强处理柔性。从 60 年代开始，在工业发达的德国、意大利、日本等国家，已相继研制出半自动、全自动码垛机，后来在结构和机型方面，还不断作了改进和完善。国产码垛机从 80 年代开始研制开发到现在，己经历了 20 多的时间。到目前为止，我国生产的码垛机，机型、品种规格、设备性能和产品质量等各方面，有很大的发展和提高，并在很多方面己逐步接近或达到国外同类型高架码垛机 的技术性能及各项参数，已基本能满足大中型企业产品包装码垛的需要 1。 在新的世纪，随着我国各项事业的蓬勃发展以及知识经济所面临的机遇和挑战，高架码垛机 制系统必将发挥越来越重要的作用，为国民生产产生不可估量的经济效益。防叠包控制器是现代化企业成品仓库的首选机械，广泛应用于粮食、面粉、饲料、麦芽、食盐以及化肥、水泥等行业。 编程控制器的产生、应用现状和发展趋势 编程控制器的产生 1968 年，美国最大的汽车制造商 通用汽车公司 (满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，提出了著名的十条技术指标公开 - 2 - 向社会招标，要寻求一种比继电器更可靠，响应速度更快、功能更强大的通用工业控制器。 1969 年，美国数字设备公司 (据十条要求研制出世界上第一台 可编程控制器 14， 并在 司的汽车生产线上首次应用成功。可编程控制器是以微处理器为核心，把电气传动和逻辑控制、自动测量和调节、数据计算和处理有机地结合起来，具有丰富的软件资源的现代化工业自动化控制器 2。经过 30 多年的发展，现在可编程控制器己经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。在可编程控制器中，充分应用了大规模集成电路技术、微电子技术及通信技术，迅速地从早期的逻辑控制发展到进入位置控制、过程控制等领域。用可编程控制器已经可以构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集、图形工作站等 的综合控制系统汇。该公司为新的控制系统提出 10 项指标： a. 编程方便，可现场修改程序； b. 维修方便，采用插件式结构； c d体积小于继电器控制盘； e数据可直接送入管理计算机； f成本可与继电器控制盘竞争； g输入可为市电； h输出可为市电，容量要求在 2A 以上，可直接驱动接触器等； i扩展时原系统改变最少； j用户存储器大于 4 这 10 项指标实际上就是现在可编程控制器的最基本功能。其核心要求可归结为 4 点： 1 用计算机代替继电器控制盘； 2用程序代替硬 接线； 3输入输出电平可与外部装置直接相联； 4结构易于扩展。 编程控制器的应用现状 可编程控制器是“专为工业环境下应用而设计的”工业控制计算机川，由于其具有很强的抗干扰能力，很高的可靠性，能在恶劣环境下工作的大量的 I/0 接口，因此，伴随着新产品、新技术的不断涌现，始终保持着旺盛的市场生命力。可编程控制器的出现，除了取代传统的继电器控制外，正在逐步占领 场份额。国际市场：当今世界的 产厂家约 200 多家，生产 400 多种 球最大的 5 家 造商，德国 司、美 国 A B 公司、 司、日本的司、 司、三菱公司约占全球市场销售额的 - 3 - 67%。我国对可编程控制器的研制始于 1974 年，目前全国有几十个生产厂家，但产品多为 125 个开关量 I/0 点以下的小型机。我国应用 处于初级阶段，而且局限于钢铁、化工、汽车、机床、煤炭、电站等领域，其他行业的应用尚未普及，中国尚有广阔的应用领域等待开拓。我国 90%的场由国外占领，中、大型 ，几乎 100%是国外产品，以美国 司、 司、西德 本富士 公司为主。我国的饮料包装设备在许多方面采用了 取得了非常好的效果 10。 可编程控制器的发展趋势 随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将 解为开关量控制的时代已经过去， 仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后， 主要朝着以下两个方向发展 :一个是向超小型专用化和低价格方向发展 ;另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展 11。总的趋势如下： (1)可编程控制技术的标准化。在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又相互合作。一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。按照这些标准，各种型号的 品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。但是，这些标准目前只能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面，制 定国际标准是必然趋势。 (2)理速度进一步加快。目前 微型计算机的比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在 80486 一级。将来会全部使用 64 位 R 工 片，实现多 行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。这样行指令的速度将达到纳秒级。 (3)可编程控制技术的智能化。提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠性。 (4)系统的开放性和兼容性。开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。一方 面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂 - 4 - 家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题 ;另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。 (5)通用性和专业化的结合。可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域 都有其自己的特点。怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢 ?硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。常用的专用模块包括 :定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。 (6)可靠性进一步提高。随着 入过程控制的领域，对 靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、 1/0 单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统 各单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。 均无故障时间 )是衡量产品质量的重要指标。纵观各著名厂商，其 品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。 (7)控制系统分散化。根据分散控制、集中管理的原则， 制系统的 1/0 模块将直接安装在控制现场，通过通信电缆或光纤与主 行数据通信。这样使控制更有效，系统更可靠。 (8)控制与管理功能一体化。为了满足现代化大生产的控制与管理的需要， 广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术， 使 统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将 解为开关量控制的时代已经过去， 仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后， 主要朝着以下两个方向发展 :一个是向超小型专用化和低价格方向发展 ;另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。 综上所述，我们不难得出下面几个结论 : 工控机、计算机集散控制系统及 在走着 一条相互融合的道路。 智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。 系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强。 基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。 通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。 - 5 - 高架码垛机的发展、应用现状及发展趋势 高架码垛机的发展 从 60 年代开始，在工业发达的德国、意大利、日本等国家，已相继研制出半自动、全自动码垛机，后来在结构和机型方面，还不断作了改进和完善。国产码垛机从 80 年代开始研制开发到现在，已经历了 20 年左右的时 间。到目前为止，我国生产的码垛机，机型、品种规格、设备性能和产品质量等各方面，有很大的发展和提高，并在很多方面已逐步接近或达到国外同类型码垛机的技术性能及各项参数，已基本上能满足大中型企业产品包装码垛的需要，高架码垛机是机电仪一体化高技术产品，是现代化企业成品仓库的首选机械，广泛应用于化工、粮食、医药及食品等行业。3它可使对包装产品的拣选输送、码垛、整形、金属检测、重量检测等作业全部实现自动化。高架码垛机 采用进口可编程控制器、进口电机变频调速控制器、进口优质光电及位置检测器件构成控制系统的主体，实现整个码垛机的协调控制。系统具有故障诊断及显示功能，并有完善的故障保护及 连锁 停机功能。整个操作系统使用简单，功能完善，便于检修和维护 。 高架码垛机简单的讲，它是包装码垛生产线的一个环节。在我国包装机械的研制始于 1958 年，主要是自用设备，属于革新产品未进入市场，正式包装生产线始于七十年代初，“八五”期间呈全方位发展态势，“九五”期间进入转型期，逐步成为高科技、高效益、现代化、国防化的产业。随着进入 21 世纪，包装机械的产品种类不断增加，技术水平逐年提高，机械工业正在不断发展完善。高架码垛机的应用将大大提高码垛机械工 业的生产效率，使包装码垛机械工业更加完善 4。 高架码垛机的应用现状 是与国外的码垛机相比，还是有很大的差距的，其主要问题是 : (1)零部件加工质量低 国产码垛机机械部分的零部件加工，目前还处于单件生产阶段，一般加工精度和质量与国外同类型产品相比，还有一定的差距。因此投产后维修工作量较多，使用寿命较短，特别是对动作频繁的关键零部件，还缺少专用设备进行批量加工生产的条件。如气垫盘的加工制造，目前仍采用较简易的加工手段和方法，因此投产后有的气垫盘的气密性不够，有漏气现象 ，有的液压机构还有漏油等现象，因此，维修工作量较大 5。 (2)控制系统主要元器件性能还不过关 目前码垛机选用的国产控制系统元器件，与国外先进的元器相比，其性能和使用寿命还有一定的差距。有的定位不准，造成操作失灵 ;因此，在 - 6 - 生产过程中的维修、更换工作量较多。 (3)码垛效率低 国产型钢码垛机的码垛能力，一般保持在 12 捆 /小时左右，尚能保证正常稳定生产的要求 ;如要达到 30 捆 /小时以上的生产能力，还需用作进一步的改进和提高。 纵观国内码垛机的设计、制造和生产使用情况，其发展前景是很光 明的。特别是目前国内已拥有一批专门从事码垛机研究的单位，积累了一定的生产使用经验，为发展、完善和提高码垛机的生产技术水平，打下了良好的基础，因此，发展国产码垛机具有很多有利条件。加之，在当前形势下各级领导对国产化工作的重视，因此，在近期内实现码垛机的国产化，已是大势所趋、人心所向。预计在今后 3 5 年内，全面采用国产化码垛是完全可能的。 当前，发展国产化码垛机的主要有利条件有如下几方面 : (1)国内已有一批专业科技队伍 目前国内一些科研、设计和生产单位，已拥用一批专门从事科研、设计和制造码垛机的技术队伍，他们 通过近 20 年左右的摸索、研制、和生产实践已积累了较丰富的经验，现在已具备设计和研制出符合国情和先进水平的码垛机所必需的条件。 (2)已有一批专业制造单位 目前国内已有小 5 家生产码垛机的主要专业制造厂 (所 )，其中主要生产厂家有宜昌机械厂、常州机械厂、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学机器人研究所等。其技术和装备已具有制造一流水平码垛机的能力和条件。加上有关控制元器件配套厂的共同努力，在最近 3 5 年内，我国将能够生产出接近或达到国际先进水平的码垛机。 (3)国产机型己基本能满足生产需要 目前国内几个厂生产的码垛机 ，无论从机型、规格及各项主要技术性能来看，已初步形成系列产品，可基本满足国内大、中型企业生产的要求，有些机型的结构设计，还比较简单实用、制造质量也较高，从机械性能等到方面看，也能保证安全、正常稳定运转的要求 ;但在型钢自动码垛机方面，除邯钢、通刚外，自动码垛机大多从国外引进，对国外产品有一定依赖性。这与我国冶金行业自动化水平有关，相信通过我们进一步努力，根据生产的需要，进行控制系统的自动化改造和完善，可逐步接近国外的自动码垛机生产水平 7。 (4)已能生产与码垛机配套的控制元器件 从八十年代开始，国内一些仪 表厂已生产出为码垛机配套所需用的控制元器件，并已用于生产运行。目前国产元器件与国外同类型先进水平相比，还有一定的差距，其中主要是使用寿命较短。但相信通过进一步努 - 7 - 力，国产元器件还是有可能逐步接近或达到国外水平的 8。目前国内一些码垛机制造单位，为了提高码垛机的整体技术水平，对一些控制系统的主要元件、敏感元件及气动系统工程主要元件等，采取从国外进口的办法，这也是一种过渡的措施之一。 (5)国产码垛机有明显的价格优势 目前国产码垛机价格都在 54 75 万元套，其中气垫式全自动码垛机约 54 万元每套左右 ;辊道式全自动 码垛机约 75 万元每套左右 ;国产机器人自动码垛机每套价格介于上述两类之间。因此，国产全自动码垛机与国外同类型产品相比，其价格仅为国外同类型新产品价格的 1/2 1/3 左右。因此，选用国产码垛机是比较经济合理的，且可节省大量外汇。 (6)国产码垛机的备品备件容易解决 国产码垛机投产后所需的备品备件，供应渠道畅通，容易解决，且经济实惠。 (7)售后服务周到及时 目前国内生产码垛机的几个主要厂家，对产品的售后服务，都较周到和及时，一般制造厂都有能积极协助用户做好安装调试工作，为用户培训技术操作人员，有的制造单位还有整 套稳定的售后技术队伍，保证生产单位用好管好码垛机生产线。 架码垛机的发展趋势 为了满足各行各业对包装商品的提高生产效率的要求，改善工作环境，降低劳动强度，高架码垛机就必须适应不断发展的包装工业的需求，未来的高架码垛机有以下发展趋势 : 1 机电仪综合技术是高架码垛机的发展主流 自动化程度是衡量包装机械技术水平的重要标志。其内容包括自动控制 (工艺过程、工艺参数、产品质量、运行故障、安全防护等控制 )和自动检测 (包装物、包装容器及材料、包装产品、包装过程等检测 )两个方面。由于大量采用了微电子、远红外、传感器等高新 技术，特别是微型计算机的应用，使上述两个方面的水平迅速提高，从而简化了产品结构，减少了人工操作，提高了包装商品的传输效率 9。 2在促进高速化的同时，注意提高系统效率 高速化是提高包装机生产效率的主要途径，为此，不断提高包装产品的传输速度已成为发展趋势。其主要途径是在提高自动化水平的同时不断改进结构。与此同时，还将更多的注意力投向提高整个包装系统的生产效率上，使高速化向深层次发展，使包装系统更加经济合理。 3大力开发辅助设备，促进连续化生产的发展 除主机外，各种辅助设备也相当重要。为此，全面地系统地开 发各种辅助设备已经引起普遍关注。如用于包转产品的各种整理、转向、传送装置、检测装置、打印装置 - 8 - 等的开发，大大提高了生产效率和自动化程度。 课题研究的主要内容 作为物流自动化领域的一门新兴技术，近年来，码垛技术获得了飞速的发展。一方面，随着企业的集团化，生产能力的规模化，对码垛机的工作能力的要求不断提高，使传统的在线式码垛机向高速化方向发展 ;另一方面，由于企业产品由卖方市场进入了买方市场，企业生产正在向着多品种少批量的方向发展，生产企业不能够承担一条生产线只生产单一产品的代价，往往需要一线多产品的生产线，这就 要求作为后处理设备的码垛机，必须具有处理多种产品的能力，另外，随着大型物资批发配送中心的出现，需要为成千上万的用户按定单配送产品，这就要求码垛机具有混合码垛的能力，所有这些都为高架码垛机的发展提供了机会，继 70 年代末日本将机器人技术用于码垛工艺以来，高架码垛机的研究开发获得了迅速的发展，柔性、处理速度以及码垛重量不断提高，价格不断下降。 本课题主要研究高架码垛机分层装置控制系统设计。 该课题主要包括以下研究内容： 电器、接触器、断路器的原理及使用。 装置的控制系统设计。 架码垛机 分层 装置 进行控制元器件选型。 层装置设计方案 概述 本课题所设计的高架码垛机分层装置控制系统是一个典型的机电一体化系统。机电一体化技术又称机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。机电一体化系统通常由五大要素构成，即动力源、传感器、机械结构、执行元件和电子计算机。高架码垛机生产线是集机、电、仪于一体的高技术产品，它主要应用于化工、粮食、食品及医药等行业中的粉、粒、块状物料 (如塑料、化肥、合成橡胶、粮食等 )的全自动码垛，高架码垛机主要由以下几部分 组成，大斜坡输送机、缓停压平机、转位机、编组机、推袋机、分层机、升降机、托盘输送机、垛盘输送机、托盘仓等组成。其中分层装置是重要组成部分。分层机在升降机的协同下，对料袋进行码垛操作。 本课题所设计的分层装置具有全自动化功能，其主要设计思路来自于对传统工艺分解 ,然后按照相应功能的机构部件进行设计 ,对比 ,选定 , 实现机电一体化操作。 - 9 - 层装置的组成 分层装置是该系统是一个典型的机电一体化系统或称为机电计算机控制系统 (本系统主要采用 制 )，因而本系统设计主要由机械、气动、控制三大部分组成。其机械部分主要是 各传动装置通过各种机构驱动执行装置实现设定的运动轨迹、完成预期的功能。气动部分是由检测传感器、光电开关等组成。控制部分主要由可编程控制器 (本课题采用 交流接触器、低压断路器等组成升降装置的功能。 通过控制电机的正反转，分层板可以实现打开和关闭运动。分层装置是码垛机系统中的一个主要组成部分，位于推袋动作的下一个动作，是第四道工序，通过与升降装置的协同运动，对通过输送机输送过来的料袋进行码垛，然后将码好的托盘通过垛盘输送机运走，送到指定的位置，最后由叉车运走。 - 10 - 第 2章 分层装置机械系统设计 概述 分层板是码垛机组中的重要部机之一，对提高码垛质量和速度起到关键的作用。分层板主要由滑板机构、整形装置和端挡板组成。 分层机分层板的位置通过接近开关进行检测，在分层板下方共有 4 个接近开关，分别是分层机开位、分层机开减速位、分层机关减速位、分层机关位。分层机上的料袋是否到位通过位于侧边整形板后面的分层机满光电开关进行检测。压袋气缸侧面有压袋上位接近开关。 分层装置的工作原理 分层板的工作原理是将推袋小车送来的料袋按按要求送到升降托盘上。当推袋小车把一层的袋子推到分层板上时，侧边整形的光电开关启动，工作并 保持。当升降 如果升降机已经在上升临界位置定位，分层机以预置速度对应的速度正向高速启动，分层板向两侧打开。当分层板到达分层机开减速位置时，分层板变为低速运行。到达打开位置时，分层板停止运动。这时料袋已经落在升降托架上的托盘上，压拍开始动作，对料袋进行压平。压拍动作一定时间后，侧边整形和压拍复位。升降机开始下降，分层机分层板以预置速度对应的速度反向高速启动。当分层板到达分层机关减速位置时，选择预置速度，使分层板变为低速运行。到达关闭位置时，分层板停止运动，完成一个动作循环。 层装置的主要机械组成部件 分 层码垛机的结构如图 2 1所示，它是由滑板机构、整形装置和端挡板组成。 (l)滑板机构由传动系统 (包括减速电机、链轮副、传动轴、传动链轮、张紧链轮、大框架和导轨等 )和左、右滑板组成。大框架由四个定位销固定在高架平台立柱的四根支撑角钢上。轴装式减速电机通过链传动带动左、右滑板沿导轨相向或相背运动，使左右滑板分开或合扰。传动轴和张紧链轮分别装在大框架的两端，在大框架上还装有一组接近开关 3，用于控制左、右滑板的运动及停止位置。大框架对角线方向有一对光电开关1，用于检测和控制升、降机的极限位置 12。 - 11 - (2)整形装 置由支撑平板、整形气缸、整形板、导向辊等组成。支撑平板通过支撑杆连接到大框架上，气缸和整形板均安装在支撑平板上，在左、右滑板上有料袋时，气缸在光电信号控制下带动整形板伸出压紧料袋(整形 )，当料袋落到托盘上后，气缸便带动整形板退回到原始位置。 (3)端挡板由挡板和支架组成。用于限制料袋在分层机上的位置，从而保持良好的垛形 13。 图 2垛机分层结构简图 层装置的方案设计 构设计 在设计机器时，当确定了所需执行构件的数目和运动后，下一步就是选择能够实现各个执行构件所需运动的机构，也就是机构选型问 题 13 。 执行构件的数目就是应当选用的执行机构的个数，而执行构件的运动 - 12 - 就是所选执行机构输出件的运动。执行机构可以是一个基本机构，也可以是一个组合机构。由分析各种机器可知，执行构件的运动形式有下列七种： 1)连续转动； 2)往复移动； 3)往复摆动； 4)单向问歇转动； 5)间歇往复移动； 6)问歇往复摆动： 7)实现给定轨迹。 另一方面，选择机构时还要确定选用何种原动机，因为执行机构的输入运动是从原动机经过传动机构传来的。常用原动机的运动形式有下列三种： 1)连续转动，例如电动机和 内燃机的输出运动； 2)往复移动，例如赢线电动机和固定的活塞式油缸或气缸的输出运动； 3)往复摆动例如双向电动机和摆动的活塞式油缸或气缸的输出运动。 已知执行机构输出运动和输入运动后，便不难决定该执行机构应当选用什么机构。选择机构时，不但要考虑执行构件的运动形式，而且还要考虑它的运动规律或运动轨迹。还要考虑到该机构的动力学特性和制造、安装、维修及成 本等问题。根据所设计机器的特点，进行综合考虑、分析比较，抓主要矛盾，才能选出最佳的机构。 机构是具有确定相对运动的构件组合 14 。在着手设计新机构时，首先应判 断所设计的机构能否运动；如果能够运动，还需判断在什么条件下才能具有确定的相对运动。 设某一平面运动链共包含 q 个构件， 低副和 高副。这 q 个构件中有一个构件 (机架 )被看作固定不动，其余活动构件数为 n=n 个活动构件在未用运动副联接之前共具有 3n 个自由度，当用 低副和 高联接成运动链之后，便 受到 2 约束 (每个低副引入两个约束，每个高副引入一个约束 )。显然，整个运动链相对其中一杆 (机架 )的自由度，办即机构的自由度，应为活动构件自由度总数与运动副引入的约束总数之差，即 HL 23 机构的自由度也即是机构所具有的独立运动的数目。通常机构中的每个原动件具有一个独立运动 (如电动机转子具有一个独立转动，油缸中的活塞具有一个独立的直移运动 )，因此，机构的自由度也就是机构应当具有的 原动件的数目 14。 传动装置设计 传动装置是一种在距离间传递能量并兼实现某些其它作用的装置。这些作用是： 1)能量的分配： 2)转速的改变； 3)运动形式的改变等 15。 机器中所以要采用传动装置的原因是： 1)工作机构所要求的速度、转矩或力，通常与动力机不一致； 2)工作机构常要求改变速度，用调节动力机速度的方法来达到这一目的往往不很经济； 3)动力机的输出轴一般只作等速回转运动，而工作机构
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