小型NC立体仓库设计

摘要I规整与秩序（小型 NC 立体仓库设计）摘要小型NC立体仓库设计是面向高校机械及自动化专业的经济型实验装置，其机械系统可实现对9个货位物料的存取，控制系统实现对装置的逻辑控制。根据物料重量及加减速初始条件，计算X、Y、Z三个方向分力及折算转矩，选择直流电机、步进电机和轴承，设计丝杠螺母副、同步带传动、导轨和机体，完成机械系统的设计；根据三台电机的动作逻辑和硬件I/O配置，完成接口电路系统的设计。上位机使用VB的MSComm控件，编写FX2N-PLC通信协议代码，实现上下位机的串行通信,完成显示货位号、寻货、取货、存货、急停、回零等动作的控制。本文设计了小型NC立体仓库的机械系统和基于PLC的下位机控制系统及基于VB控制的上位机监控。本次设计主要设计了机械系统、电路系统、PLC控制系统及软件设系统。机械系统通过计算后采用Proe建模和动画及AutoCAD画工程图；电路系统根据设计要求采用Protel设计了相应的逻辑电路；PLC控制系统根据整个系统要求的逻辑功能构思了相应的状态转移图及相应的梯形图和程序；软件系统采用VB编程软件编程设计了相应的软件程序实现了上位机与下位机PLC触点之间的通信，通过控制界面的运行证明实现了上位机软件界面对下位机PLC的远程控制。关键词：小型NC立体仓库；机械系统设计；PLC；接口电路设计；VB通信AbstractIIRegularity and Order（Design of Small NC Warehouse）ABSTRACTSmall NC Warehouse Design is experiment for colleges machinery and automation, which has nine racks, we can realize control logic of the device. According to the material weight and initial conditions of acceleration, through computing component of forces in X, Y, Z three directions and convert torque, we can compute selection of DC motor 、 Stepper motor and bearings, design of screw-nut pairs, Belt drive guide ways and airframe, According to the action logic of DC motors and hardware configuration, we can complete design of I/O interface circuit. using MSComm and according to FX2N-PLC communication protocol, we can write VB code, which realize serial communication between PC and PLC, which does displaying, seeking goods, getting goods, delivering goods, stopping, setting to zero.The paper designs mechanical system, control system based on PLC and monitoring control system based on VB of instructional warehouse. It also mainly designs the systems of mechanical, circuit, control of PLC, and software. At the part of mechanical system, we calculate the data, then establish the 3D-model and animation by Pro-E software, and draw two-dimensional map by Auto-CAD software. As for circuit, according the needs, we design the logic schematic with Protel. Considering all kinds of real requirements and the logic functions, we similarly device the corresponding state transition diagram and, ladder-diagram and programs for the control system of PLC. In the last part-software, we adopt VB code to achieve the serial port communication between PC and PLC. Thus, we indeed realize the remote control between PC and PLC, through these codes.Keywords: Small NC Warehouse; Mechanical system design; PLC; Interface circuit design; VB Communications目录III目录摘要 .IABSTRACT.II第一章 绪论 .11.1 课题设计背景 .11.2 课题设计的内容 .11.3 课题设计的目的和意义 .1第二章 系统方案确定 .22.1 机械部分方案确定 .22.2 控制部分方案确定 .32.3 系统设计的基本步骤 .3第三章 机械部分设计 .43.1 货叉伸缩机构设计 .43.2 升降机构的机械设计 .93.3 水平行走机构设计 .143.4 机械部分 PRO/e 建模后的虚拟装配图 .19第四章 PLC 接口电路设计 .204.1 控制系统结构设计 .214.2 可编程控制器（PLC）的选型 .224.3 PLC 输入输出分配表 .234.4 PLC 接口图 .24目录IV4.5 PLC 编程 .28第五章 基于 VB 的控制软件设计 .305.1 VB 的概述 .305.2 VB 控制界面设计 .305.3 VB 软件设计 .32结论 .37参考文献 .38致谢 .39附录 A：外文翻译-原文 .40附录 B：外文翻译-译文 .45附录 C: PLC 控制梯形图 .50附录 D: VB 控制程序 .59目录V1第一章 绪论1.1课题设计背景自动化仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。本设计的微型自动化立体仓库模型主要应用于机械及自动化等相关专业的实验教学， 本设计的内容能满足学生了解自动化立体仓库的基本结构、动作原理及控制过程，了解电气控制、PLC 的相关应用及通信实现的基本方法。掌握 PLC 的外围电路设计、软件设计流程等要求，也为自动化立体仓库的具体实施拓展了技术参考途径。1.2课题设计的内容设计 9 个存储位的机械系统。利用 Pro/Engineer 软件进行机械设计及装配和利用CAD 进行工程制图设计基于 PLC 的下位机控制系统。采用 PLC 完成三台步进电机（或直流电机）的动作逻辑和硬件 I/O 配置的接口电路及程序的设计。基于 VB 的上位机监控。上位机使用 VB 的 MSComm 控件，编写 FX2N-PLC 通信协议代码，实现上下位机的串行通信,完成显示货位号、寻货、取货、存货、急停、回零等动作的控制。1.3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。立体仓库的投入使用彻底解决了这一难题。自动化立体仓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；自动化立体仓库采用层积式存放，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，降低了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，促使企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，提高了工作人员的素质和管理人员的水平。此次课题设计旨在通过具体的工程实践，进一步深入了解、掌握和综合应用所学的专业理论知识，进行小型 NC 立体仓库设计的基本技能训练，培养分析问题和解决问题的能力，从而提升自己的机械设计能力。 规整与秩序（小型 NC 立体仓库设计）2第二章 系统方案确定机械部分方案确定现有的立体仓库实例中，从仓库类型分有单元货架仓库、贯通式货架及循环货架仓库。从堆垛机来分有巷道式堆垛机、桥式堆垛机等。本课题设计的是教学型立体仓库，所以体积较小，货叉的行程也较小。结合所学知识可以采用链条传动，同步带传动，齿轮齿条传动，丝杠螺母副传动还可也采用钢索牵引式。如图 2-1、图 2-2 所示为同步带传动和丝杠螺母副传动：图 2-1 同步带传动式 图 2-2 丝杆螺母副传动式采用滚珠丝杆副传动形式结构更为紧凑，在使用丝杠螺母副传动又可以分为滚珠丝杠、滚动导轨式和滑动丝杠、滑动导轨式。采用滚珠丝杠、滚动导轨式传动传动精度高，但造价同时也是很高，传动效率也很低，综合考虑教学型立体仓库采用这种传动方式从经济考虑不是最佳方案。由于此设计是用于教学型立体仓库，考虑到寻找货位的精度 ，再通过效率比较，在满足条件下这里货叉选择同步带传动，电机选用小型直流电机；考虑到自锁，升降机构选择滑动丝杠副传动，电机选用步进电机；水平行走机构选择同步带传动，电机选用步进电机。最后方案采用如图 2-3 所示：3图 2-3 机械设计部分的最终方案2.2控制部分方案确定本课题采用 PLC 控制立体仓库货叉动作，具有很多优点。在硬件方面，由于采用性能优良的开关电源，并且对采用的器件进行严格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此 PLC 具有很强的抗振动冲击性能；无触点的导体电路来完成频繁的开关动作，就不会出现继电器控制系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；输入输出接口采用了光电隔离措施，使外部电路和 PLC 内部电路能有效地进行隔离；PLC 模块式结构，可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能尽量缩短系统的维修时间。根据堆垛机的运行逻辑，可采用 PLC 步进顺控编程方式程序结构采用选择性的取和存分支与汇合方式，计数模式是堆垛机寻找货位主要方法，在 9 个货位中，X 和 Y 方向各布局三个行程开关，货位由 X 和 Y 方向行程开关被触发的次数确定。若选择取货指令时，水平移动电机驱动移动部件触发行程开关达计数器 C0 设定值，制动停止，转成竖直电机驱动移动部件触发行程开关达计数器 C1 设定值，制动停止，转成货叉伸出，定时托起后回缩，移动部件回原点位，将物料放置暂存台。使用 VB 编程可设计立体仓库的上位机控制界面，完成界面控件加载及属性设置后，对各控件编写代码，通过代码来定义控件的动作的功能。控制界面包含货位选择、货位显示和操作控制区域。应用 VB 串行通信的 MSComm 控件，按照 FX2N 通信协议编写通信代码，可实现各控件与 PLC 编程口的串行通信。强制通断 PLC 中定义的输入口。2.3系统设计的基本步骤立体仓库设计过程中主要考虑一下几点：（1）深入了解和分析立体仓库的工艺条件和控制要求；（2）确定机械传动设备，根据精度要求，经济性，效率来确定；（3）根据负载功率和转矩选择合适的电机；（4）根据立体仓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；（5）根据 I/O 点数来选择合适的 PLC 类型；（6）根据 I/O 点，分配 PLC 的输入输出点，编制出输入输出分配表或输出端子的接线图；（7）根据设计要求编出状态转移图，再设计出周密完整的步进顺控梯形图程序； 规整与秩序（小型 NC 立体仓库设计）4（8）根据设计要求用 VB 做控制界面，编出相应的程序，实现远程控制。第三章 机械部分设计货叉伸缩机构设计因为取货和放货采用同步带就能满足要求，且同步带的传动效率高，所以采用同步带传动。3.1.1 工作台设计初定，由,碳素结构钢的密度：。工作台得尺寸为：300L、90W、10H，所以体积为：代入公式计算得：，取，所以；由设计任务知,所以；总体质量。3.1.2 同步带的设计以下是根据文献【1】来计算的：导轨材料初定为钢 Q235，查文献【2】表 7-1 得;滑块材料为青铜，查文献【2】表 17-2 得钢和青铜的摩擦系数 f=0.1，所以。(1)传动比的确定由设计任务可定。(2)主动轮的转速 n、传递功率 P由设计任务可知,则传递功率由公式得：。预选电机转速为:。(3)确定带的设计功率 Pd根据文献【1】查表 3-18 取工作情况系数，由公式:(4)选择带型和节距根据带的设计功率 Pd=0.75W 和主动轮转速 n=50r/min，由文献【1】图 3-14 和表 3-10 中选择同步带、型号为 XL 型节距。(5)确定主带轮齿数 Z 和主带轮节圆直径 d1取12 则小带轮节圆直径:当 n=50r/min (6)确定从带轮齿数和从带轮节圆直径5(7)初选中心距，带的节线长度，带的齿数由机构尺寸确定=260 则带的节线长度：根据文献【1】表 3-13 选取接近的标准节线长度:相应的齿数。(8)计算实际中心距 a实际中心距为：,取 260mm。(9)校验带与带轮的啮合齿数()=6啮合齿数等于 6 满足要求，此处表示取整(10)计算基准额定功率根据文献【1】基准额定功率 P0 为：式中：所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，单位为 KW；带宽为 bs0时的许用工作拉力，单位为 N，如文献【1】P 30表 3-21 所示，查得；带宽为 bs0时的单位长度的质量，单位为 kg/m,如文献【1】P 30表 3-21 所示，查得；同步带的线速度，单位为 m/s。代入数据算得：P0=0.0025KW(11)确定实际所需同步带宽度实际所需同步带宽度为为：式中：选定型号的基准带宽，如文献【1】P30 表 3-21 所示，查得；小带轮啮合齿数系数，如文献【1】P 31表 3-22 所示，查得。代入数据算得 bs3.29。由上式求得最小宽度后，根据文献【1】P21 表 3-11 选择最近的标准带宽 bs 得：(12)带的工作能力验算根据文献【1】P31 公式：式中: 啮合系数，如文献【1】P31 表 3-22 所示，查得；齿数系数， ， ；基准带宽为时的许用工作拉力，单位为 N，如文献【1】P30 表 3-21 所示，查得m 带宽为时的单位长度的质量，单位为 kg/m, 如文献【1】P30 表 3-21 所示, 查得；V同步带的线速度，单位为 m/s，V=3m/s。 规整与秩序（小型 NC 立体仓库设计）6代入数据计算得而满足因此带的工作能力合格。3.1.3 带轮设计以下是根据文献【1】来计算的：(1)带轮的设计因为带轮的直径和带的宽度比较小，因此采用双边挡圈整体式同步带带轮。(2)带轮宽度因为带的宽度为 6.4mm,有挡圈时，带轮的宽度一般比带大。根据文献【1】的标准带轮宽度表 3-15 得带轮宽度为：。(3)带轮的齿数和直径根据文献【1】表 3-16 得带轮直径和齿数分别为：节圆直径；外径为；带轮齿数。(4)带轮的材料带轮的材料一般采用铸铁或钢，高速钢、小功率时可采用塑料或轻合金。本设计选用钢。3.1.4 电机的计算与选型(1)初选电机根据文献【3】初选易顺企业的型号为 TH37JB520 型号的直流电机，其电压为；功率；额定输出扭矩；空载转速为；其外形尺寸为：。(2)传动装置总效率传动总效率： 联轴器的传动效率，查文献【2】表 1-2 得：同步带的传动效率，查文献【1】得：(3)计算加在电机转轴上的总转动惯量带轮的转动惯量由回转体转动惯量公式: 式中：d-回转体直径 B-回转体宽度 -材料比重 g-重力加速度 代入公式得:电机的转动惯量由电机的结构尺寸参数代入上述公式可得：电机转动轴上的总转动惯量由动能守恒可得：式中：-电机的转动惯量-带轮的转动惯量代入公式可得：(4)计算加在电机转轴上的总转矩由功率守恒得：代入数据得：7根据来选择电机可见对于前面选的 TH37JB520 型号的直流电机完全满足要求。3.1.5 联轴器的选择选用广州凌科自动化设备有限公司的 LK6-16-0606 系列的联轴器。3.1.6 导轨的计算(1)选择导轨的结构类型根据文献【4】表 6.2-1 因取货精度不需要太高且滑动导轨简单还比较经济，所以选用滑动导轨。(2)导轨的截面选择根据文献【4】表 6.2-2 和表 6.2-4 结合工作条件选择圆柱形导轨，采用两导轨四滑块的形式。(3)初定导轨直径初定导轨直径为。(4)初定滑块尺寸导轨直径 10mm 即滑块的内径，滑块外径 20mm，滑块长度为 30mm。(5)滑块座的整体尺寸滑块座长度为 100mm，高为 40mm，宽为 40mm，两滑块之间的距离为 30mm,导套中间内径为 12mm。(6)初定导轨的长度由机构尺寸可定导轨长度为 400mm。(7)导轨挠度变形计算根据文献【5】采用极限法计算导轨的挠度变形，因为作用在导轨中间的力产生挠度变形最大，工作台的受力如图 3-1 所示：图 3-1 工作台受力图根据材料力学知识求得：， 负号表示方向向下。考虑最不利的工作条件将、全部作用于一根导轨上计算导轨受力图如图 3-2 所示，且最大的力作用于导轨的中点位置上。图 3-2 导轨受力图产生的变形：产生的变形： 规整与秩序（小型 NC 立体仓库设计）8所以导轨产生的变形为：=。产生的变形远小于导轨工作的允许变形量，所以导轨满足条件。3.1.7 货叉伸缩机构部分整体图升降机构部分整体图如图 3-3 所示：图 3-3 货叉伸缩机构爆炸图3.2升降机构的机械设计因升降机构需要考虑自锁，所以采用丝杠螺母传动。以下是根据文献【2】来计算的。3.2.1 上升机械所承受的重力 G货叉与货物的总重量为 20kg,所以总体质量 G=200N。3.2.2 螺杆和螺母设计根据文献【2】传动形式：采用丝杆传动，螺母移动的方式。螺母为整体式螺母，螺纹为梯形螺纹，牙型角，高传导螺纹，采用单线头。（1）螺杆和螺母的材料螺杆的材料初定为合金钢 40Cr，查文献【2】得:螺母的材料初定为铸造青铜，查文献【2】得：（2）初定螺杆螺母尺寸螺杆中径根据文献【2】的公式：式中：许用比压（） ，查文献【2】表 17-1；螺母高径比系数，整体式螺母取为，取 ；轴向力，在此轴向力 F=G=200N。代入数据得：根据计算的查文献【2】表 9-3 得：9由和查文献【2】表 9-2 得：螺母的高度 H旋合圈数式中：P螺距螺纹的工作高度校核螺母比压验算自锁条件式中： 螺纹牙型角；螺纹升角（度） ；螺纹导程（mm） ；当量摩擦角（度） ；摩擦系数，查文献【2】表 17-2，查得。 代入公式得：， ， ，满足自锁条件。验算螺杆强度式中： 代入参数计算得：， 查文献【2】表 17-3 ，取，因为所以螺杆满足强度要求。（1）螺母计算根据耐磨性计算确定之后，初步拟定螺母尺寸如图 3-4 所示：图 3-4 丝杆螺母结构尺寸 螺纹牙剪切强度式中：材料许用剪切应力,查文献【2】表 17-3 得：； b螺纹牙根部宽度，梯形螺纹代入数据； 代入式中计算得：，所以螺纹剪切强度符合工作条件。螺纹牙弯曲强度式中： 弯曲力臂， ； 规整与秩序（小型 NC 立体仓库设计）10许用弯曲应力，查文献【2】表 17-3 得：；代入公式计算得：，符合要求。螺母抗拉、扭强度核算 式中：螺母材料的许用压力：;，S 指螺母面积，代入数据得：。因为，所以螺母抗拉、扭强度符合要求。（2）螺杆的稳定性计算丝杆采用两端固定，其长度系数由文献【6】表 5-14 得：=0.5，螺杆的安全系数：式中：螺杆稳定性安全系数取为；临界压力（N） ，视柔度为的不同分别确定；是螺杆危险剖面的惯性半径；l螺杆的工作长度， l=900mm；代入公式可得： ,所以螺杆稳定性足够。3.2.3 轴承的选择根据文献【6】螺杆的公称直径，求轴承所受的轴向力和径向力：图 3-5 轴承受力分析查文献【2】表 10-2 初选 7002AC 角接触球轴承， ，,。1 求和径向力可认为全部作用在导轨上，所以, 图 3-6 轴承正装受力分析2 求和根据文献【6】表 13-7 得：由：，所以有， ；所以：由：，所以有， ，11所以：3 验算轴承寿命由于， ，所以按轴承 1 受力大小验算：所以所选轴承满足要求；所选轴承为：7002AC 角接触球轴承， ，,。3.2.4 电机的选择传动总效率 传动总效率为： 式中：滑动丝杠传动效率，查文献【4】式 5-7-3=0.46；轴承的传动效率，查文献【2】表 1-2 得：；联轴器传动效率，查文献【2】表 1-2 得：。代入参数得：。转动惯量根据文献【1】丝杠转动惯量的计算公式：工作台折算到丝杠的转动惯量：所以： 求 根据文献【1】 的计算公式：式中： ，其中 ,取 1s，代入公式计算得：；。所以有 电机选择 根据力矩选择上海昀研自动化科技有限公司生产的 57RB76-156 型号的步进电机， ， 。3.2.5 滑动导轨的计算 以下是根据文献【4】来计算的：选择圆柱形导轨，采用两导轨两滑块的形式。初定导轨尺寸取圆柱导轨直径，导轨长度根据丝杠长度计算，因为丝杆长度为，所以导轨长度也初定为。初定滑块及滑座的尺寸滑块为圆柱形，内径为，外径为长度为；滑座为一长方体长为：；宽为；高为。导轨与丝杆的中心距为。4 导轨的挠度变形计算计算货叉带来的扭矩，受力分析如图 3-7 所示，货叉部分的重力为，力到导轨之间的距离为。 规整与秩序（小型 NC 立体仓库设计）12图 3-7 竖直导轨受力分析所以扭矩，由力学知识可知在导轨中间产生的挠度变形大，所以设力矩产生在中间处。根据公式：， 当时，代入数据得： ，挠度变形符合条件。3.2.6 联轴器的选用 选用广州凌科自动化设备有限公司的 LK6-25-0612 系列的联轴器。3.2.7 升降机构部分整体图升降机构部分整体图如图 3-8 所示：图 3-8 升降机构爆炸图3.3水平行走机构设计因为水平行走采用同步带就能满足要求，且同步带的传动效率高，所以采用同步带传动。3.3.1 行走机构所承受的重力 G升降机构的总体重力为，货叉及货物的重力为，所以水平行走机构所受的总体质量。133.3.2 同步带的设计以下是根据文献【1】来计算的：导轨材料初定为钢 Q235，查文献【2】表 7-1 得;滑块材料为青铜，查文献【2 】表 17-2 得钢和青铜的摩擦系数 f=0.1，所以。传动比的确定由设计任务可定。主动轮的转速 n、传递功率 P由设计任务可知,则传递功率由公式得：。预选电机转速为:。确定带的设计功率 Pd根据文献【1】查表 3-18 取工作情况系数，由公式:选择带型和节距根据带的设计功率和主动轮转速，由文献【1】图 3-14 和表 3-10 中选择同步带、型号为 XL 型节距。确定主带轮齿数 Z 和主带轮节圆直径 d1取18 则小带轮节圆直径:当 n=60r/min 确定从带轮齿数和从带轮节圆直径初选中心距，带的节线长度，带的齿数由机构尺寸确定=1000 则带的节线长度：根据文献【1】表 3-13 选取接近的标准节线长度:计算实际中心距 a实际中心距为：,取 1067mm。校验带与带轮的啮合齿数()=9啮合齿数大于 6 满足要求，此处表示取整。计算基准额定功率根据文献【1】基准额定功率 P0 为：式中：P0所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，单位为 KW；Ta带宽为 bs0时的许用工作拉力，单位为 N，如文献【1】P 30表 3-21 所示，查得；m带宽为 bs0时的单位长度的质量，单位为 kg/m,如文献【1】P 30表 3-21 所示，查得； 规整与秩序（小型 NC 立体仓库设计）14V同步带的线速度，单位为 m/s。代入数据算得：P0=0.040KW确定实际所需同步带宽度实际所需同步带宽度为为：式中：选定型号的基准带宽，如文献【1】P30 表 3-21 所示，查得；小带轮啮合齿数系数，如文献【1】P 31表 3-22 所示，查得。代入数据算得。由上式求得最小宽度后，根据文献【1】P21 表 3-11 选择最近的标准带宽得：带的工作能力验算根据文献【1】P31 公式：式中：啮合系数，如文献【1】P31 表 3-22 所示，查得；齿数系数， ， ；基准带宽为时的许用工作拉力，单位为 N，如文献【1】P30 表 3-21 所示，查得m 带宽为时的单位长度的质量，单位为 kg/m, 如文献【1】P30 表 3-21 所示, 查得；V同步带的线速度，单位为 m/s，V=10m/s。 代入数据计算得而满足因此带的工作能力合格。3.3.3 带轮设计以下是根据文献【1】来计算的：带轮的设计因为带轮的直径和带的宽度比较小，因此采用双边挡圈整体式同步带带轮。带轮宽度因为带的宽度为,有挡圈时，带轮的宽度一般比带大。根据文献【1】的标准带轮宽度表 3-15 得带轮宽度为：。带轮的齿数和直径根据文献【1】表 3-16 得带轮直径和齿数分别为：节圆直径；外径为；带轮齿数。带轮的材料带轮的材料一般采用铸铁或钢，高速钢、小功率时可采用塑料或轻合金。本设计选用钢。3.3.4 电机的计算与选型初选电机根据文献【3】初选易顺企业的型号为 85HB80-554 型号的步进电机。 传动装置总效率传动总效率： 联轴器的传动效率，查文献【2】表 1-2 得：同步带的传动效率，查文献【1】得：计算加在电机转轴上的总转动惯量带轮的转动惯量由回转体转动惯量公式: 15式中：d-回转体直径 B-回转体宽度 -材料比重 g-重力加速度 代入公式得:电机的转动惯量由电机的参数可得：电机转动轴上的总转动惯量由动能守恒可得：式中：-电机的转动惯量-带轮的转动惯量代入公式可得：计算加在电机转轴上的总转矩由功率守恒得：代入数据得：根据来选择电机可见对于前面选的 85HB80-554 型号的步进电机完全满足要求，其转矩为， 。3.3.5 联轴器的选择选用广州凌科自动化设备有限公司的 LK6-16-1010 系列的联轴器。3.3.6 导轨的计算选择导轨的结构类型根据文献【4】表 6.2-1 因精度不需要太高且滑动导轨简单还比较经济，所以选用滑动导轨。导轨的截面选择根据文献【4】表 6.2-2 和表 6.2-4 结合工作条件选择圆柱形导轨，采用两导轨四滑块的形式。初定导轨直径初定导轨直径为。初定滑块尺寸导轨直径 20mm 即滑块的内径，滑块外径 40mm，滑块长度为 20mm。滑块座的整体尺寸滑块座长度为 100mm，高为 40mm，宽为 40mm，两滑块之间的距离为 50mm,滑座中间内径为 30mm。初定导轨的长度由机构尺寸可定导轨长度初定为 1200mm。导轨挠度变形计算计算重力带来的挠度变形，受力图如图 3-9 所示，总重力为,因为作用在导轨中间的时候导轨变形最大，所以现在计算作用在中间的挠度变形，则有,而导轨的实际长度小于 1200mm。 规整与秩序（小型 NC 立体仓库设计）16图 3-9 导轨极限受力分析下面计算作用在中间处一根导轨上的力所产生的挠度，有公式得：其中，当时，所以导轨产生的变形远小于导轨工作的允许变形量，所以导轨满足条件。3.3.7 行走机构部分整体图升降机构部分整体图如图 3-10 所示：图 3-10 行走机构爆炸图3.4机械部分 PRO/e 建模后的虚拟装配图通过 PRO/e 建模后的立体仓库的虚拟装配图如图 3-11 所示,爆炸图如图 3-12 所示，整体装配图如图 3-13 所示，详细的立体仓库 CAD 装配工程图请见见附录 E。17图 3-11 立体仓库虚拟装配图 规整与秩序（小型 NC 立体仓库设计）18图 3-12 立体仓库虚拟装配爆炸图图 3-12 立体仓库整体装配图19第四章 PLC 接口电路设计4.1 控制系统结构设计 规整与秩序（小型 NC 立体仓库设计）20本设计是运用 PLC 控制系统来控制立体仓库运动方式。PLC 控制能快速的对输入信号图 4-1 PLC 控制系统结构图水平使能信号水平方向信号水平脉冲信号竖直使能信号竖直方向信号竖直脉冲信号货叉前伸货叉回缩货叉电机制动ADCBPLC启动急停取货回零放货前限位伸限位缩限位下限位上限位后限位1 号货位2 号货位3 号货位4 号货位5 号货位6 号货位7 号货位9 号货位8 号货位竖直行程开关 2竖直行程开关 1水平行程开关 3水平行程开关 2水平行程开关 1竖直行程开关 3货叉前伸开关货叉原位堆垛机水平原位堆垛机竖直原位21做出反应控制立体仓库，便于检查维修。其控制系统机构如图 4-1 所示：图中各输入点说明如下：（1）启动、急停、回零、取货及放货分别为命令操作选择的输入点。（2）1 号至 9 号的货位输入点为选择货位的输入点。（3）限位输入点分别为 X、Y、Z 方向上极限位置开关的输入点。（4）行程开关输入点和货叉前伸开关输入点用于移动部件寻位、定位时依靠移动部件的触发行程开关，实现信号的开关量输入。（5）原位输入点为堆垛机及货叉回原位的输入点。图中个输出点说明如下：（1）水平信号输出点为水平步进电机控制信号输出点。用于实现水平步进电机的动作。（2）竖直信号输出点为竖直步进电机控制信号的输出点。用于实现水平步进电机的动作。（3）货叉前伸、货叉回缩、货叉电机制动输出点为货叉直流电机控制的输出点。用于实现货叉电机的动作。（4）A、B、C、D 输出点为 LED 显示器四个 BCD 驱动的输入点。用于实现货位号得显示。4.2 可编程控制器（PLC）的选型4.2.1 PLC 的概述可编程控制器英文为 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得输出信息，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，但不等同于普通计算机。普通计算机进行出入信息变换时，太多只考虑信息本身，信息出入的物理过程一般不考虑。而 PLC 则要考虑信息出入的可靠性、实时性以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题，出入信息变换及可靠的物理实现，这都是 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。其功能比继电器控制装置多且强的多。PLC 有丰富的指令系统，有各种各样的 I/O 接口、通讯接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，它具有逻辑处理功能，数据运算功能、准确定时功能、高速计数功能、中断处理功能、程序与数据存储功能、联网通信功能、自检测自诊断功能。可以这么说凡普通小型计算机能实现的功能，PLC 几乎也能做到。像 PLC 这样集丰富功能于一身，这是别的电控器所没有的，更是传统继电控制电路无法比拟的。丰富的功能为 PLC 的广泛应用提供了可能，同时也为自动行业的远程化、 规整与秩序（小型 NC 立体仓库设计）22信息化及智能化创造了条件。4.2.2 PLC 的选型在 PLC 控制系统设计时，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，最后选择有较高性价比的 PLC 和设计相应的控制系统。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，在增加 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，还需根据制造商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行圆整。根据估算方法故本设计的 I/O 点数为输入 31 点，输出 13 点。存储器容量的估算存储器容量是可编程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的估算，通常采用存储器容量的估算来代替。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给了不同公式，但大体上都是按数字量 I/O 点数的 1015 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数据为内存的总字数(16 位为一个字)，另外再按此数据的 25%考虑余量。因此本设计的 PLC 内存容易选择应能存储 5000 条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。控制功能的选择该功能包括运算功能、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。根据本设计所涉设计的自动门控制的需要，主要介绍在线编程方式。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得程序运行，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。而编程语言有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，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。机型的选择从 PLC 的类型考虑，FX2N 系列可编程控制器主机分为 16、24、32、64、80、128 点六档。本设计的立体仓库控制系统有输入信号 31 个，输出信号 13 个。其中外部输入元件包括：启动、急停、回零、取货、放货、行程开关等；输出有三个直流电机的正反转等。按照上述配置，所选 I/O 点不得低于 31 点，结合实际情况，所选 I/O 点为 64 点。因此本设计所选型号为 FX2N-64MR。从经济性考虑，选择 PLC 时，应考虑性价比，考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出比较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。当点数增加到某一值后，相应的存储器容量相应增加，因此点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性价比。本设计的立体仓库属于中小型控制系统，结合经济性的考虑，因此选择整体性 PLC。23最后根据输入输出，选择三菱公司出产的 FX2N-64MR。4.3 PLC 输入输出分配表据 PLC 输入输出的控制要求，得出下列的输入输出的分配表，见表 4-1。表 4-1 PLC 输入输出分配表I/O 点 型号 功能 I/O 点 型号 功能 I/O 点 型号 功能X0 SW-PB 启动 X17SW-SPST后限位 Y0 水平脉冲信号X1 SW-PB 急停 X20SW-SPST上限位 Y1 水平方向信号X2 SW-PB 回零 X21SW-SPST下限位 Y2 水平使能信号 X3 SW-PB 取货 X22SW-SPST伸限位 Y4 竖直脉冲信号X4 SW-PB 放货 X23SW-SPST缩限位 Y5 竖直方向信号X5 SW-PB 1 号货位 X24SW-SPST水平行程开关 1 Y6竖直使能信号X6 SW-PB 2 号货位 X25SW-SPST水平行程开关 2 Y10货叉前伸X7 SW-PB 3 号货位 X26SW-SPST水平行程开关 3 Y11货叉回缩X10 SW-PB 4 号货位 X27SW-SPST竖直行程开关 1 Y12货叉电机制动 X11 SW-PB 5 号货位 X30SW-SPST竖直行程开关 2 Y20 AX12 SW-PB 6 号货位 X31SW-SPST竖直行程开关 3 Y21 BX13 SW-PB 7 号货位 X32SW-SPST货叉前伸开关 Y22 C 规整与秩序（小型 NC 立体仓库设计）24X14 SW-PB 8 号货位 X33SW-SPST货叉原位 Y23 DX15 SW-PB 9 号货位 X34SW-SPST堆垛机水平原位X16SW-SPST前限位 X35SW-SPST堆垛机竖直原位4.4 PLC 接口图微型立体仓库采用 PLC 控制。根据立体仓库的动作要求及 I/O 点数要求，选择三菱FX2N 型 PLC，由此构建微型立体仓库的控制接口图。微型立体仓库 PLC 控制接口电路如图 4-2 所示，详细请见附录 F P