自动分拣出入库设备及控制系统设计（含全套CAD图纸） .pdf

自动分拣出入库设备及控制系统设计i 摘要 本文介绍了国内分拣装置的发展现状 以及存在问题 同时介绍了可编程控制器的 工作原理 选型依据 设计了一种基于 plc 的全自动分拣机 详细介绍了所选用的 fx2n 80mt plc 根据设计要求对 plc 的输入输出 i o 进行了分配 并且编写系统运 行的梯形图 关键词 分拣装置 光电传感器 plc 自动分拣出入库设备及控制系统设计ii abstract this paper introduces the development of the domestic status quo sorting devices as well as existing problems and introduced a programmable controller at the same time the working principle of selection basis a plc based design of the automatic sorting machines introduced in detail the choice of fx2n 80mt plc according to the design requirements of the input and output of the plc i o for distribution and the preparation of the ladder diagram system operation key words sorting device photoelectricity sensor plc 自动分拣出入库设备及控制系统设计iii 目录 1 绪论 1 1 1本课题设计的背景 1 1 2本课题设计的内容 2 1 3本课题设计的目的和意义 2 2 系统控制方案的确定 4 2 1 自动化分拣出入库的概述 4 2 2 采用 plc 控制分拣出入库的优点 4 2 3 系统设计的基本步骤 5 2 4 系统控制方案 5 3 系统硬件设计 6 3 1 直线滚动导轨副的计算与选型 垂直 6 3 2 直线滚动导轨副的计算与选型 横向 8 3 3 直线滚动导轨副的计算与选型 纵向 10 3 4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 11 3 5 回转齿轮 11 3 6 步进电动机的计算与选型 13 3 7 增量式旋转编码器的选用 16 3 8 步进电动机的驱动电源选用 16 3 9 可编程控制器 plc 的选型 20 3 10 微动开关的选择 27 3 11 plc 输入输出分配表 28 4 系统控制软件设计 29 4 1 plc 梯形图概述 29 4 2 三菱编程软件的特点 30 5 结论 31 参考文献 32 致谢 33 附件 34 自动分拣出入库设备及控制系统设计1 1 绪论 1 1本课题设计的背景 分拣出入库一般是指采用几层 十几层乃至几十层高的货架储存单元货物 用相 应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库 由于这类仓库能充分利用空间储 存货物 故常形象地将其称为 分拣出入库 分拣出入库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果 50 年代 初 美国出现了采用桥式堆垛起重机的分拣出入库 50 年代末 60 年代初出现了司机 操作的巷道式堆垛起重机分拣出入库 1963 年美国率先在高架仓库中采用计算机控制 技术 建立了第一座计算机控制的分拣出入库 此后 自动化分拣出入库在美国和欧 洲得到迅速发展 并形成了专门的学科 60 年代中期 日本开始兴建分拣出入库 并 且发展速度越来越快 成为当今世界上拥有自动化分拣出入库最多的国家之一 我国对分拣出入库及其物料搬运设备的研制开始并不晚 1963 年研制成第一台桥 式堆垛起重机 机械部北京起重运输机械研究所 1973 年开始研制我国第一座由计 算机控制的自动化分拣出入库 高 15 米 机械部起重所负责 该库 1980 年投入运行 到目前为止 我国自动化分拣出入库数量已超过 200 座 分拣出入库由于具有很高的 空间利用率 很强的入出库能力 采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管 理等特点 已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术 越来越受到企业的重视 自动化仓库应用范围很广 几乎遍布所有行业 在我国 自动化仓库应用的行业 主要有机械 冶金 化工 航空航天 电子 医药 食品加工 烟草 印刷 配送中 心 机场 港口等 1969 年美国数字设备公司 dec 研制书世界第一台可编程控制器 并成功地应 用在美国 gm 的生产线上 但当时只能进行逻辑运算 故称为可编程逻辑控制期 简称 plc programmable logic controller 70 年代后期 随着微电子技术和计算机的迅猛发展 使 plc 从开关量的逻辑控 制扩展到数字控制及生产过程控制域 真正成为一种电子计算机工业控制装置 故称 为可编程控制器 简称 pc programmable controller 但由于 pc 容易与个人计算机 programmable computer 相混淆 故人们仍习惯地用 plc 作为可编程器的缩写 1985 年国际电工委员会 iec 对 plc 的定义如下 可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统 是专为在工业环境下的应用而设 计的工业控制器 它采用了可以编程的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺 序控制 定时 计数和算术运算等操作的指令 并通过数字或模拟式的输入和输出 控制各种类型机械的生产过程 plc 是继电器逻辑控制系统发展而来 所以它在数学处理 顺序控制方面具有一 自动分拣出入库设备及控制系统设计2 定优势 继电器在控制系统中主要起两种作用 1 逻辑运算 2 弱电控制强电 plc是集自动控制技术 计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置 已跃居工业自动化三大支柱 plc robot cad cam 的首位 可编程控制器 简称 plc 它在集成电路 计算机技术的基础上发展起来的一中新型工业控制设备 具有 1 可靠性高 抗干扰能力强 2 设计 安装容易 维护工作量少 4 功能强 通用性 好 5 开发周期短 成功率高 6 体积小 重量轻 功耗底等特点 已经广泛应用于自动 化控制的各个领域 并已成为实现工业生产自动化的支柱产品 与继电 接触器系 统相比系统更加可靠 占位空间比继电 接触器控制系统小 价格上能与继电 接触器控制系统竞争 易于在现场变更程序 便于使用 维护 维修 能直接推动电 磁阀 触器与于之相当的执行机构 能向中央执行机构 能向中央数据处理系统直接 传输数据等 因此 进行分拣出入库的 plc 控制系统的设计 可以推动机械手行业的发展 扩 大 plc 在自动控制领域的应用 具有一定的经济和理论研究的价值 1 2本课题设计的内容 课题的主要任务是基于三菱 fx2n 系列 plc 的分拣出入库控制系统的设计 仓位 的主体框架除包括两个仓库外 还配有一个物品入入位 并在这两个仓库 32 个仓位位 的底部均设置有检测开关 若库内有物品 则压制相应的检测开关使之闭合 若无物 品 则相应的检测开关断开 1 3本课题设计的目的和意义 传统条件下的库房管理作业 主要依据人工装卸 特别是对于一些大型物资 不 仅工作效率低 浪费大量的人力 物力 存在较大的安全隐患 同时还占据大量的库 房面积 立体库的投入使用 彻底解决了这一难题 自动化分拣出入库可以产生巨大的社会效益和经济效益 它通过高层货架存储 使存储区大幅度地向高空发展 提高了空间利用率 自动化分拣出入库采用层积式存 放 结合计算机管理 可以很容易实现先入先出 防止货物的自然老化 变质和损坏 通过自动存取系统 加快了运行和处理速度 提高了劳动生产率 降低操作人员的劳动 强度 采用自动化技术后 还能较好地适应黑暗 低温 污染 有毒和易爆等特殊场 合的物品存储需要 计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理 减 少了货物处理和信息处理过程中的差错 同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库 存储能力 便于清点和盘库 合理减少库存 加快资金周转 节约流动资金 从而提 高仓库的管理水平 自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成 实现企业信息管理的自 动化 同时 由于使用自动化仓库 促进企业的科学管理 减少了浪费 保证均衡生 自动分拣出入库设备及控制系统设计3 产 也提高了操作人员素质和管理人员的水平 自动分拣出入库设备及控制系统设计4 2 系统控制方案的确定 2 1 自动化分拣出入库的概述 自动化分拣出入库是指在不直接进行人工处理的情况下 自动地完成物品仓储和 取出的系统 它以高层立体货架为主体 以成套搬运设备为基础 是集自动控制技术 通 信技术 机电技术于一体的高效率 大容量存储机构 自动化分拣出入库的出现 实现 了仓库功能从单纯保管型向综合流通型的转变 用 plc 控制的自动化分拣出入库达到 仓储技术的全面自动化 自动化立体库基本由以下部分组成 货架 用于存储货物的结构 本次设计的货架包括将内部空间分为 4 4 的挡格 堆垛机 用于自动存取货物的设备 按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形 式 按服务方式分为直道 弯道和转移车三种基本形式 库存信息管理系统 亦称中央计算机管理系统 是全自动化立体库系统的核心 目 前典型的自动化立体库系统均采用大型的数据库系统 如 oracle sybase 等 构 筑典型的客户机 服务器体系 可以与其他系统 如 erp 系统等 联网或集成 2 2 采用 plc 控制分拣出入库的优点 1 低成本利用电力线上网 最大的优点就是成本低 由于利用电力线上网 直 接使用现有电力网就可以实现通信 而不需要另外铺设电话线 光电缆等 大大地减 少了在基础网络上的投资 2 范围广无所不在的电力线网络也是这种技术的优势 电力线是最基础的网络 它的规模之大 是其他任何网络无法比拟的 因为家家都有电力线 由此 运营商就 可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一个家庭 因此 这一技术一旦进入商业化阶 段 将会促进电信市场的变革 并给互联网普及带来极大的发展空间 3 高 速利用电力线上网能够提供高速传输 德国最大的电力设备生产商 rwe 承诺 运用他们的电力线上网技术 其速度要比 isdn 拔号上网快 30 多倍 比 adsl 更快 足以支持现有网络上的各种应用 更高速率的 plc 产品正在研制之中 4 便 捷不管在家里的哪个角落 只要连接到房间内的任何电源插座上 就可立 即拥有 plc 带来的高速网络享受 5 永远在线plc 属于 即插即用 不用烦琐的拨号过程 接入电源就等于接入 网络 6 结构灵活通过 plc 技术实现 internet 接入 可以灵活扩展接入端口数量 使 资源保持较高的利用率 目前还未有效解决电力线信号通过变压器的技术 因此 电 力线通信设备都是集中在 220v 线路变压器的用户端 自动分拣出入库设备及控制系统设计5 2 3 系统设计的基本步骤 分拣出入库系统设计与调试的主要步骤 在分拣出入库控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点 深入了解和分析分拣出入库的工艺条件和控制要求 设计堆垛机的总体结构 3 确定 i o 设备 根据分拣出入库控制系统的功能要求 确定系统所需的用户输 入 输出设备 4 根据 i o 点数选择合适的 plc 类型 5 分配 i o 点 分配 plc 的输入输出点 编制出输入输出分配表或者输入输出端 子的接线图 6 设计分拣出入库系统的梯形图程序 根据工作要求设计出周密完整的梯形图程 序 这是整个分拣出入库系统设计的核心工作 2 4 系统控制方案 根据对分拣出入库的具体要求 本课题所设计的分拣出入库具有以下功能 1 堆垛机 机械手 要有三个自由度 即 前进 后退 上 下 左 右 2 堆垛机的运动由步进电机驱动 3 堆垛机前进 或后退 运动和上 或下 运动可同时进行 4 堆垛机前进 后退和上 下运动时必须有超限位保护 5 每个仓位必须有检测装置 微动开关 当操作有误时发出错误报警信号 6 当按完仓位号后 没按入或取前 可以按取消键进行取消该操作 7 整个电气控制系统必须设置急停按钮 以防发生意外 自动分拣出入库设备及控制系统设计6 3 系统硬件设计 3 1 直线滚动导轨副的计算与选型 垂直 3 1 1 块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素 本例中的 x y 工作台为垂 直布置 采用双导轨 四滑块的支承形式 考虑最不利的情况 即垂直于台面的工作 载荷全部由一个滑块承担 则单滑块所受的最大垂直方向载荷为 fmax g 2 3 1 其中 移动部件重量 g 1000n 代入式 3 1 得最大工作载荷 500n 查表 3 41 根据工作载荷 0 5kn 初选直线滚动导轨副的型号为 kl 系列的 jsa lg15 型 其额定动载荷 a c7 94kn 额定静载荷 0a c9 5kn 根据任务书设计规定 行程 800 考虑工作行程应留有一定余量 查表 3 35 按标 准系列 选取导轨的长度为 940mm 3 1 2 距离额定寿命 l 的计算 上述所取的 kl 系列 jsa lg15 系列导轨副的滚道硬度为 60hrc 工作温度不超 过100 c 每根导轨上配有两只滑块 精度为 4 级 工作速度较低 载荷不大 查表 3 36 表 3 40 分别取硬度系数 fh 1 0 温度系数 ft 1 00 接触系数 fc 0 81 精度 系数 f r 0 9 载荷系数 fw 1 5 代入式 3 33 得距离寿命 l km f c f ffff a w rcth 2 2298450 3 max 3 2 远大于期望值 故距离额定寿命满足要求 3 1 3滚珠丝杠螺母副的计算与选型 如前所述 工作台受到进给方向的载荷 与丝杠轴线平行 fx 1000n 受到已知移 动部件总重量 g 1000n 按矩形导轨进行计算 查表 3 29 取颠覆力矩影响系数 k 1 4 滚动导轨上的摩擦系数 0 005 求得滚珠丝杠副的最大工作载荷 fm kfx fz fy g 1 4 1000n 1400n 3 3 自动分拣出入库设备及控制系统设计7 3 1 4 最大动工作载荷 fq 的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v 200mm min 初选丝杠导程 ph 5mm 则此时丝杠转速 n v ph 40r min 取滚珠丝杠的使用寿命 t 15000h 代入 得丝杠寿命系数 l0 36 单 位为 106r 查表 3 30 取载荷系数 fw 1 2 滚道硬度为 60hrc 时 取硬度系数 fh 1 0 代入式 3 23 求得最大动载荷 nfffl mhw 23 5547 3 0 3 4 3 1 5 初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程 查表 3 31 选择济宁博特精密丝杠 制造有限公司生产的 g 系列 2005 3 型滚珠丝杠副 为内循环固定反向器单螺母式 其公称直径为 20mm 导程为 5mm 循环滚珠为 3 圈 1 系列 精度等级取 5 级 额定 动载荷为 9309n 大于 fq 满足要求 3 1 6 传动效率 的计算 将公称直径 d0 20mm 导程 ph 5mm 代入得丝杠螺旋升角 4 33 将摩擦角 10 代入 tan tan 3 5 得传动效率 96 4 3 1 7 刚度的验算 滚珠丝杠副的支承采用 双推 简支 的方式 丝杠的两端各采用 对推力角接触 球轴承 面对面组配 左 右支承的中心距约为a 900mm 钢的弹性模量e 2 1 105mpa 查 表 3 31 得 滚 珠 直 径 dw 3 175mm 丝 杠 底 径 d2 16 2mm 丝 杠 截 面 积 s 2 2 d 4 206 12m 2 m 算得丝杠在工作载荷 fm 作用下产生的拉 压变形量 1 1557500 2 1 10206 12 m f aes 0 0291mm 3 6 根据公式 0 3 w zdd 3 7 求得单圈滚珠数 z 20 该型号丝杠为单螺母 滚珠的圈数 列数为 3 1 代入公 式z z 圈数 列数 得滚珠总数量z 60 丝杠预紧时 取轴向预紧力 自动分拣出入库设备及控制系统设计8 yjm ff 3 466 67n 则由式 3 27 求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 0 0024 mm 因为丝杠有预紧力 且为轴向负载的 1 3 所以实际变形量可以减少一半 取 2 0 0012mm 将以上算出的 1 和 2 代入 12 总 求得丝杠总变形量 对应跨度 500mm 总 0 0313mm 31 3m 本例中 丝杠的有效行程为 840mm 由表 3 27 知 5 级精度滚珠丝杠有效行程在 800 1000mm 时 行程偏差允许达到 40m 可见丝杠刚度足够 3 1 8 压杆稳定性校核 根据公式 3 28 计算失稳时的临界载荷 fk 查表 取支承系数 k f 2 由丝杠底 径 d2 16 2mm 求得截面惯性矩 4 2 64id 3380 88 4 mm 3 8 压杆稳定安全系数 k 取 2 5 丝杠垂直安装 滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取 最大值 900mm 代入式 3 28 得临界载荷 fk 6920 76n 故丝杠不会失稳 综上所述 初选的滚珠丝杠副满足使用要求 3 2 直线滚动导轨副的计算与选型 横向 3 2 1 导轨上移动部件的重量估算 按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算 包括工件 夹具 工作台 上层电 动机 减速箱 滚珠丝杠副 导轨座等 估计重量约为 3000n 3 2 2 块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素 本例中的 x y 工作台为垂 直布置 采用双导轨 四滑块的支承形式 考虑最不利的情况 即垂直于台面的工作 载荷全部由一个滑块承担 则单滑块所受的最大垂直方向载荷为 fmax g 4 其中 移动部件重量 g 3000n 得最大工作载荷 750n 自动分拣出入库设备及控制系统设计9 查表 3 41 根据工作载荷 0 75kn 初选直线滚动导轨副的型号为 kl 系列的 jsa lg15 型 其额定动载荷 a c7 94kn 额定静载荷 0a c9 5kn 根据任务书设计规定 行程 600 考虑工作行程应留有一定余量 查表 3 35 按标 准系列 选取导轨的长度为 640mm 3 2 3 距离额定寿命 l 的计算 上述所取的 kl 系列 jsa lg15 系列导轨副的滚道硬度为 60hrc 工作温度不超 过100 c 每根导轨上配有两只滑块 精度为 4 级 工作速度较低 载荷不大 查表 3 36 表 3 40 分别取硬度系数 fh 1 0 温度系数 ft 1 00 接触系数 fc 0 81 精度 系数 f r 0 9 载荷系数 fw 1 5 代入式 3 33 得距离寿命 l km f c f ffff a w rcth 1 681050 3 max 远大于期望值 故距离额定寿命满足要求 3 2 4 最大工作载荷 fm 的计算 如前页所述 工作台受到进给方向的载荷 与丝杠轴线平行 fx 0n 受到已知移 动部件总重量 g 3000n 按矩形导轨进行计算 查表 3 29 取颠覆力矩影响系数 k 1 4 滚动导轨上的摩擦系数 0 005 求得滚珠丝杠副的最大工作载荷 fm kfx fz fy g 0 005 3000n 15n 3 9 3 2 5 最大动工作载荷 fq 的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v 200mm min 初选丝杠导程 ph 5mm 则此时丝杠转速 n v ph 40r min 取滚珠丝杠的使用寿命 t 15000h 代入 l0 60nt 106 得丝杠寿命系数 l0 36 单位 为 106r 查表 3 30 取载荷系数 fw 1 2 滚道硬度为 60hrc 时 取硬度系数 fh 1 0 代入式 3 23 求得最大动载荷 nfffl mhw 43 59 3 0 3 10 自动分拣出入库设备及控制系统设计10 3 3 直线滚动导轨副的计算与选型 纵向 3 3 1 初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程 查表 3 31 选择济宁博特精密丝杠 制造有限公司生产的 g 系列 2005 3 型滚珠丝杠副 为内循环固定反向器单螺母式 其公称直径为 20mm 导程为 5mm 循环滚珠为 3 圈 1 系列 精度等级取 5 级 额定 动载荷为 9309n 大于 fq 满足要求 3 3 2 传动效率 的计算 将公称直径 d0 20mm 导程 ph 5mm 代入得丝杠螺旋升角 4 33 将摩擦角 10 代入 tan tan 得传动效率 96 4 3 3 3 刚度的验算 滚珠丝杠副的支承采用 单推 单推 的方式 丝杠的两端各采用 对推力角接触 球轴承 面对面组配 左 右支承的中心距约为a 700mm 钢的弹性模量e 2 1 105mpa 查 表 3 31 得 滚 珠 直 径 dw 3 175mm 丝 杠 底 径 d2 16 2mm 丝 杠 截 面 积 s 2 2 d 4 206 12m 2 m 算 得 丝 杠 在 工 作 载 荷fm作 用 下 产 生 的 拉 压 变 形 量 1 1557500 2 1 10206 12 m f aes 2 426 10 4mm 根据公式 0 3 w zdd 求得单圈滚珠数 z 20 该型号丝杠为单螺母 滚珠 的圈数 列数为 3 1 代入公式z z 圈数 列数 得滚珠总数量z 60 丝杠预紧 时 取轴向预紧力 yjm ff 3 3n 则由式 3 27 求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形 量 2 0 0024 2 59 10 5mm 因为丝杠有预紧力 且为轴向负载的 1 3 所以实际变形量可以减少一半 取 2 1 29 10 5mm 将以上算出的 1 和 2 代入 12 总 求得丝杠总变形量 对应跨度 700mm 总 2 56 10 4mm 0 256m 本例中 丝杠的有效行程为 660mm 由表 3 27 知 5 级精度滚珠丝杠有效行程在 800 1000mm 时 行程偏差允许达到 36m 可见丝杠刚度足够 自动分拣出入库设备及控制系统设计11 3 3 3 压杆稳定性校核 根据公式计算失稳时的临界载荷 fk 查表 3 34 取支承系数 k f 1 由丝杠底径 d2 16 2mm 求得截面惯性矩 4 2 64id 3380 88 4 mm 压杆稳定安全系数 k 取 3 丝 杠卧式水平安装 滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取最大值 700mm 代入公式得临 界载荷 fk 4766 8n 故丝杠不会失稳 综上所述 初选的滚珠丝杠副满足使用要求 3 4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 根据公式 3 28 计算失稳时的临界载荷 fk 查表 3 34 取支承系数 k f 1 由 丝杠底径 d2 16 2mm 求得截面惯性矩 4 2 64id 3380 88 4 mm 压杆稳定安全系数 k 取 3 丝杠卧式水平安装 滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取最大值 1500mm 代入 式 3 28 得临界载荷 fk 1038 1n 故丝杠不会失稳 综上所述 初选的滚珠丝杠副满足使用要求 3 5 回转齿轮 3 4 1 齿轮得材料及热处理方法 小齿轮选用 40cr 调质处理 齿面硬度为 260hbs 大齿轮选用 45 钢 调质处理 齿面硬度 220hbs hbs1 hbs2 260 220 40 查得 flim1 240mpa flim2 240mpa sf 1 3 故 f1 f f s 1lim 7 0 3 1 2407 0 129mpa 3 11 f2 f f s 2lim 7 0 3 1 1957 0 195mpa 粗选 8 级精度 取小齿轮齿数 z1 20 大齿轮 z2 17 2 673 45 441 取小齿轮齿数 z1 17 则大 齿轮 z2 17 2 673 45 441 取 z2 46 实际传 动比 i 17 46 2 706 3 4 2 齿轮疲劳强度设计 查表 取载荷系数 k 1 1 推荐齿宽系数 r 0 25 0 3 取 r 0 3 自动分拣出入库设备及控制系统设计12 小齿轮上的转矩 t1 1 3 109550 n p 333 856 5 109550 3 1 7297 105n mm 3 12 1 计算分度圆锥角 1 arctan 2 1 z z arctan 46 17 69 72 3 13 2 90 1 90 69 72 20 28 2 计算当量齿数 zv1 1 1 cos z 28 20cos 17 18 12 3 14 zv2 2 2 cos z 72 69cos 46 132 71 3 计算模数 查的 yf1 3 02 yf2 2 16 因为 1 1 f f y 129 02 3 0 023 2 2 f f y 195 16 2 0 011 1 1 f f y 2 2 f f y 故将 1 1 f f y 代入计算 mm 1 5 01 4 2 1 2 13 fr rf zu ykt 129173 01673 2 3 15 01 7297 11 14 22 3 3 43 3 15 4 计算大端模数 m r m m 5 01 3 05 01 43 3 4 04 查表取 m 4 5 5 计算分度圆直径 d1 mz1 4 5 17 76 50mm d2 mz2 4 5 46 207 00mm 6 计算外锥距 自动分拣出入库设备及控制系统设计13 r 1 2 2 1 uz m 1673 217 2 5 4 2 109 16mm 3 16 6 计算齿宽 b rr 0 3 109 16 32 75mm 取 b1 b2 35mm 3 4 3 验算轮齿弯曲疲劳强度 f1 1 2 11 2 zbm ykt f 175 435 02 3107297 11 12 2 5 95 38mpa 3 17 f1 129mpa f1 f1 故安全 3 6 步进电动机的计算与选型 3 6 1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 jeq 已知 滚珠丝杠的公称直径 d0 20mm 总长 l 1360mm 导程 ph 5mm 材料密 度 7 85 10 3g 2 cm 移动部件总重力 g 800n 如表 4 1 所示 算得各个零部件的转动惯量如下 滚珠丝杠的转动惯量 2 2 s l r j 1 67kg cm2 拖板 1 90kg cm2 初选步进电动机的型号为110ybg2602 为两相混合式 由常州宝马集团公司生产 二相八拍驱动时的步距角为 0 75 从表 4 5 查得该型号的电动机转子的转动惯量 jm 15 kg cm2 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为 18 57 kg cm2 3 18 3 6 2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 teq 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算 1 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 1eq t由式 4 8 可知 1eq t包括 三部分 一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 maxa t 一部分是 移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 f t 还有一部分是滚珠丝杠预紧后折 自动分拣出入库设备及控制系统设计14 算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 0 t 因为滚珠丝杠副传动效率很高 根据公式可知 0 t 相对于 maxa t 和 f t 很小 可以忽略不计 则有 1eq t maxa t f t 3 19 根据式 4 9 考虑传动链的总效率 计算空载起动时折算到电动机转轴上最 大加速转矩 maxa t 2 1 60 eqm a j n t 3 20 其中 max 360 m v n 1041 6r min 3 21 式中 max v 空载最快移动速度 任务书指定为 2000mm min 步进电动机步距角 预选电动机为 0 75 脉冲当量 本例 0 004mm 脉冲 设步进电机由静止加速至 m n所需时间0 4 a ts 传动链总效率 则由式求 得 0 258n m 由式 4 10 知 移动部件运动时 折算到电动机转轴上的摩 擦转矩为 0 015 n m 3 22 式中 导轨的摩擦因素 滚动导轨取 0 005 z f 垂直方向的铣削力 空载时取 0 传动链效率 取 0 8 最后由式 6 13 求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 1eq t maxa t f t 0 273n m 3 23 2 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 2eq t 由式 4 13 可知 2eq t包括三部分 一部分是折算到电动机转轴上的最大工作 负载转矩 t t 一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 f t 还有一部 分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 0 t 0 t相对于 f t和 t t很小 可以忽略不计 则有 自动分拣出入库设备及控制系统设计15 2eq t t t f t 3 24 其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 t t由公式计算 有 1 032 n m 3 25 再由式计算垂直方向 移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 0 015 n m 3 26 最后 求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 2eq t t t f t 1 046 3 27 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为 1 046 3 28 3 6 3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大 当输入电压降低时 其输 出转矩会下降 可能造成丢步 甚至堵转 因此 根据 eq t来选择步进电动机的最大静 转矩时 需要考虑安全系数 取 k 4 则步进电动机的最大静转矩应满足 4 1 046 4 188 3 29 初选步进电动机的型号为 110byg2602 由表 4 5 查得该型号电动机的最大静转 矩 maxj t 20n m 可见 满足要求 4 6 4 步进电动机的性能校核 1 最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度 max v 2000mm min 求出其对应运行频率 fmaxf 2000 60 0 008 4166 67hz 查得 在此频率下 电动机的输出转矩 max t 20n m 大于快速空载起动时的负载转矩 1eq t 0 127n m 满足要求 2 最快空载移动时电动机运行频率校核与快速空载移动速度 max v 2000mm min 对应的电动机运行频率为 fmax 4166 67hz 查表 4 5 可知 110byg2602 电动机的空载 运行频率可达 20000 z h 可见没有超出上限 3 起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量 电动 自动分拣出入库设备及控制系统设计16 机转子的转动惯量 jm 15 电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 1800 qz fh 查表 4 5 由式 4 17 可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为 3 30 说明 要想保证步进电动机起动时不失步 任何时候的起动频率都必须小于 实际上 在采用软件升降频时 起动频率选得更低 通常只有 100 z h 综上所述 本次设计中工作台的进给传动系统选用 90byg2602 步进电动机 完 全满足设计要求 3 7 增量式旋转编码器的选用 本设计所选步进电动机采用半闭环控制 可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋 转编码器 用以检测电动机的转角与转速 增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动 机的步距角 0 0 75 匹配 可知电动机转动一转时 需要控制系统发出360 480 个步进脉冲 考虑到增量式旋转编码器输出的 a b 相信号 可以送到四倍频电路进行 电子四细分 因此 编码器的分辨力可选 120 线 这样控制系统每发一个步进脉冲 电动机转过一个步距角 编码器对应输出一个脉冲信号 此次设计选用的编码器型号为 zlk a 120 05vo 10 h 盘状空心型 孔径 10mm 与电动机尾部出轴相匹配 电源电压 5v 每秒输出 120 个 a b 脉冲 信号为电压输出 3 8 步进电动机的驱动电源选用 3 8 1 主要特点 1 220v 交流供电 2 恒流斩波控制 3 提供 3a 4a 6a 7a 四种标准电流 4 节能的半电流锁定模式 5 输入信号 ttl 兼容 6 光电隔离信号输入 7 过流 过压保护 自动分拣出入库设备及控制系统设计17 3 8 2 电气特性ti 25 项目指标 电源电压ac220v 10 50hz 1 hz 输出电流3a 4a 6a 7a 可选 步进脉冲频率0 1 10k hz 逻辑信号电流5 10ma 绝缘电阻500m 3 8 3 使用环境及参数 冷 却 方 式强制风冷 使 用 环境 温 度 10 50 湿 度 40 90 ph 外 形 尺 寸117x290 x130mm 重量约kg 3 8 4电流选择 1 订货时向制造厂声明 出厂设定值为 6a 2 用户临时需要更改电流时 请照如下所示 在断电情况下 打开机壳 按下表所示拨动红色拨码开关 再通电即按设定情况工 作 开关位置 电流12 offoff3a offon4a onoff6a onon7a 注意 改变设定后 需重新通电 设定方有效 3 8 5 控制信号 1 方向控制 方向控制 外部输入信号 cw 电平变化可改变电机运转方向 自动分拣出入库设备及控制系统设计18 注 电机的初始运行方向与电机的接线有关 互换任意两相可以改变初始运行的 方向 2 步进脉冲输入信号 步进脉冲输入信号 cp 最大通过频率为 10khz 脉冲的低电平时间应大于 500ns 3 使能信号 使能信号 en en 端外加低电平时 电机响应 cp 端输入脉冲运行 cp 端没有信号时 电机处于 半流锁定状态 en 端悬空时 驱动器切断电机各相的电流使电机轴处于自由状态 此时步进脉冲 cp 将不被响应 4 输出信号 输出信号 a1 a2 b1 b2 接二相混合式步进电动机的出线 5 信号结构 信号结构 6 信号要求信号要求 bd28nc 驱动器采用单脉冲控制方式 cp cw en 信号通过光耦隔 离 采用共阳极接法 为确保内置光耦能可靠导通 要求信号提供至少 5ma 的电流 驱动器内部已串入光耦的限流电阻 1k 对应 5v 电平 当输入电压较高时 可根据需要外串电阻进行限流 例如输入电平为 24v 时 应在每个控制信号上串联 2k 左右电阻 自动分拣出入库设备及控制系统设计19 该驱动电源与控制器的接线方式如图 8 1 所示 图图 3 13 1 此步进电机驱动器的电气技术数据为 表表 3 3 1 1 步进电机驱动器的电气技术数据步进电机驱动器的电气技术数据 驱动器型号相数类别细分数最大相电流工作电源 bd28nc二相或四相混合式二相八拍4a110 220vac 自动分拣出入库设备及控制系统设计20 3 9 可编程控制器 plc 的选型 3 9 1plc 概述 可编程控制器 英文称 programmable controller 简称 plc 本课题中用 plc 作 为它的简称 plc 是用于工业现场的电控制器 它源于继电器控制技术 但基于电子 计算机 它通过运行存储在其内存中的程序 把经输入电路的物理过程得到的输入信 息 变换为所要求的输出信息 进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制 plc 基于电子计算机 但并不等同于普通计算机 普通计算机进行入出信息变换 时 大多只考虑信息本身 信息入出的物理过程一般不考虑的 而 plc 则要考虑信息 入出的可靠性 实时性 以及信息的实际使用 特别要考虑怎么适应于工业环境 如 便于安装 便于维修及抗干扰等问题 入出信息变换及可靠的物理实现 可以说是 plc 实现控制的两个基本要点 plc 可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息 其功 能要比继电控制装置多的多 强的多 plc 有丰富的指令系统 有各种各样的 i o 接口 通信接口 有大容量的内存 有可靠的自身监控系统 因而具有以下基本的功能 1 逻辑处理功能 2 数据运算功能 3 准确定时功能 4 高速计数功能 5 中断处理 可以实现各种内外中断 功能 6 程序与数据存储功能 7 联网通信功能 8 自检测 自诊断功能 可以说 凡普通小型计算机能实现的功能 plc 几乎也都可以做到 像 plc 这样 集丰富功能于一身 是别的电控器所没有的 更是传统的继电控制 电路所无法比拟的 丰富的功能为 plc 的广泛应用提供了可能 同时 也为自动门行 业的远程化 信息化及智能化创造了条件 3 9 2plc 的选型 在 plc 系统设计时 首先应确定控制方案 下一步工作就是 plc 工程设计选型 工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据 因此 工程设计选型和估算时 应详细分析工艺过程的特点 控制要求 明确控制任务和范围确定所需的操作和动作 然后根据控制要求 估算输入输出点数 所需存储器容量 确定 plc 的功能 外部设 备特性等 最后选择有较高性能价格比的 plc 和设计相应的控制系统 自动分拣出入库设备及控制系统设计21 3 9 3 输入输出 i o 点数的估算 i o 点数估算时应考虑适当的余量 通常根据统计的输入输出点数 再增加 10 20 的可扩展 余量后 作为输入输出点数估算数据 实际订货时 还需根据制造厂 商 plc 的产品特点 对输入输出点数进行圆整 根据估算的方法故本课题的 i o 点数 为输入 55 点 输出 12 点 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小 程序容量是存储 器中用户应用项目使用的存储单元的大小 因此程序容量小于存储器容量 设计阶段 由于用户应用程序还未编制 因此 程序容量在设计阶段是未知的 需在程序调试之 后才知道 为了设计选型时能对程序容量有一定估算 通常采用存储器容量的估算来 替代 存储器内存容量的估算没有固定的公式 许多文献资料中给出了不同公式 大体 上都是按数字量 i o 点数的 10 15 倍 加上模拟 i o 点数的 100 倍 以此数为内存的 总字数 16 位为一个字 另外再按此数的 25 考虑余量 因此本课题的 plc 内存容 量选择应能存储 5000 条梯形图 这样才能在以后的改造过程中有足够的空间 3 9 5 控制功能的选择 该选择包括运算功能 控制功能 通信功能 编程功能 诊断功能和处理速度等 特性的选择 根据本课题所设计的自动门控制的需要 主要介绍以下几种功能的选择 1 控制功能 plc 主要用于顺序逻辑控制 因此 大多数场合常采用单回路或多回路控制器解 决模拟量的控制 有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能 提高plc 的处理速度和节省存储器容量 2 编程功能 离线编程方式 plc 和编程器公用一个 cpu 编程器在编程模式时 cpu 只为编 程器提供服务 不对现场设备进行控制 完成编程后 编程器切换到运行模式 cpu 对现场设备进行控制 不能进行编程 离线编程方式可降低系统成本 但使用和调试 不方便 在线编程方式 cpu 和编程器有各自的 cpu 主机 cpu 负责现场控制 并 在一个扫描周期内与编程器进行数据交换 编程器把在线编制的程序或数据发送到主 机 下一扫描周期 主机就根据新收到的程序运行 这种方式成本较高 但系统调试 和操作方便 在大中型 plc 中常采用 五种标准化编程语言 顺序功能图 sfc 梯形图 ld 功能模块图 fbd 三种图形化语言和语句表 il 结构文本 st 两种文本语言 选用的编程语言应 遵守其标准 iec6113123 同时 还应支持多种语言编程形式 如 c basic 等 以 满足特殊控制场合的控制要求 自动分拣出入库设备及控制系统设计22 3 诊断功能 plc 的诊断功能包括硬件和软件的诊断 硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件 的故障位置 软件诊断分内诊断和外诊断 通过软件对 plc 内部的性能和功能进行诊 断是内诊断 通过软件对 plc 的 cpu 与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断 是外诊断 plc 的诊断功能的强弱 直接影响对操作和维护人员技术能力的要求 并影响平 均维修时间 3 9 6 机型的选择 1 plc 的类型 fx2 系列可编程控制器主机分为 16 24 32 64 80 128 点六档 还有各种输 入和输出扩展单元 这样在增加 i o 点数时 不必改变机型 可以通过扩展模块实现 降低了经济投入 本课题设计的分拣出入库控制系统有输入信号 40 个 输出信号 21 个 其中 外部输入元件包括 检测元件 按钮 取 送 急停 限位开关 超限位 保护等等 输出有三个步进电机的正反向 动作指示 错误显示等等 按照上述配置 所选 i o 点不得低于 70 点 结合实际情况 所选 i o 点为 80 点 因此我所选型号为 fx2n 80mt 3 9 7 fx 特殊功能模块选择 1 因为本系统中有 4 台步进电机 而 fx2n 系列的脉冲脉冲输出指令只能对其 y0000 和 y0001 进行操作 所以另加 4 个脉冲输出模块 根据三菱 fx 特殊功能模块手 册选择了 fx2n 1pg 的输出模块参数如下 自动分拣出入库设备及控制系统设计23 表表 3 23 2 fx2n 1pgpmffx2n 1pgpmf 一览一览 与步进电机相连时接线参考如下 自动分拣出入库设备及控制系统设计24 图图 3 23 2 接线参考接线参考 2 根据分拣类型需另加模拟量 i o 模块 根据 fx 特殊功能模块手册选择了 fx2n 4ad 模块 fx 4adfx 4ad 概述概述 fx 4ad 模拟量输入模块是 fx 系列专用的模拟量输入模块 该模块有 4 个输入通 道 ch 通过输入端子变换 可以任意选择电压或电流输入状态 电压输入时 输 入信号范围为 dc 10 10v 输入阻抗为 200k 分辨率为 5mv 电流输入时 输 入信号范围为 dc 20 20ma 输入阻抗为 250 分辨率为 20 a fx 4ad 将接收的模拟信号转换成 12 位二进制的数字量 并以补码的形式存于 16 位数据寄存器中 数值范围是 2048 2047 它的传输速率为 15ms k 综合精度为量 程的 1 fx 4ad 的工作电源为 dc24v 模拟量与 数字量之间采用光电隔离技术 但各通道 之间没有隔离 fx 4ad 消耗 plc 主单元或有源扩展单元 5v 电源槽 30ma 的电流 fx 4ad 占用基本单元的 8 个映像表 即在软件上占 8 个 i o 点数 在计算 plc 的 i o 时可以 将这 8 个点作为 plc 的输入点来计算 2 2 fx 4adfx 4ad 的接线的接线 fx 4ad 的接线如图所示 图中模拟 输人信号采用双绞屏蔽电缆与 fx 4ad 连接 自动分拣出入库设备及控制系统设计25 电缆应远离电源线或其它可能产生电气干扰的导线 如果输入有电压波动 或在外部 接线中有电气干扰 可以接一 个 0 1 f 0 47 f 25v 的电容 如果是电流输入 应将端子 v 和 i 连接 fx2n 4ad 接地端与 plc 主单元接地端连接 如果存在过多 的 电气干扰 再将外壳地端 fg 和 fx 4ad 接地端连接 图图 3 33 3 fx 4adfx 4ad 的接线的接线 3 3 fx