自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計[含CAD圖紙+文檔]

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畢業(yè)設計任務書課 題 自動分揀出入庫裝置及控制系統(tǒng)設計 專 業(yè) 機械電子工程 年 級 姓 名 學 號 學 院（系）院長（簽字） 指 導 教 師 （簽字） 20 年 月 日注：本任務書由上海電機學院教務處印制。任務書反面：課題來源企業(yè)課題課題的目的、意義自動分揀是存儲物件最有效的方式，對取物和存物控制可以實現(xiàn)自動控制，本課題主要對這種控制進行研究，以解決有效的解決方案，使學生掌握分揀和出入庫裝置的構造及其控制方式。要求設計任務及主要技術參數(shù)輸入電壓：200~240V外形尺寸：800，200，800 兩排環(huán)境：-5~40 度，濕度《70%最大快進速度 2m/min；定位精度±1mm。要求：文獻翻譯 20000 印刷符號。完成工作平臺總裝配圖一張，若干部件圖和零件圖，采用單片機控制原理圖一張，設計圖紙總量不少于 2 張 A0。設計計算說明書一本。課題主要內(nèi)容及進度2010.11-2010.12 收集資料、調(diào)研、翻譯外文技術資料，完成開題報告。2010.12-2011.1 研讀資料，擬定設計方案。2011.1-2011.3 完成設計草圖，作必要的設計計算。2011.3-2011.4 最終完成總裝配圖，以及部件圖和零件圖設計。2011.4-2011.5 完成控制系統(tǒng)設計，撰寫設計計算說明書。2011.6 答辯準備及答辯。以上各項由指導教師填寫（請用鋼筆填寫）自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計摘 要本文介紹了國內(nèi)分揀裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，以及存在問題，同時介紹了可編程控制器的工作原理，選型依據(jù)。設計了一種基于 PLC 的全自動分揀機，詳細介紹了所選用的FX2N-80MT PLC，根據(jù)設計要求對 PLC 的輸入輸出 I/O 進行了分配，并且編寫系統(tǒng)運行的梯形圖。關鍵詞：分揀裝置，光電傳感器，PLC自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 IABSTRACTThis 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自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 II目 錄1 緒論 .11.1 本課題設計的背景11.2 本課題設計的內(nèi)容21.3 本課題設計的目的和意義22 系統(tǒng)控制方案的確定 .42.1 自動化分揀出入庫的概述42.2 采用 PLC 控制分揀出入庫的優(yōu)點 42.3 系統(tǒng)設計的基本步驟52.4 系統(tǒng)控制方案53 系統(tǒng)硬件設計 .63.1 直線滾動導軌副的計算與選型（垂直）63.2 直線滾動導軌副的計算與選型（橫向）83.3 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向）103.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型113.5 回轉齒輪113.6 步進電動機的計算與選型133.7 增量式旋轉編碼器的選用.163.8 步進電動機的驅動電源選用.163.9 可編程控制器(PLC)的選型203.10 微動開關的選擇.273.11 PLC 輸入輸出分配表 284 系統(tǒng)控制軟件設計 .294.1 PLC 梯形圖概述 294.2 三菱編程軟件的特點305 結論 .31參 考 文 獻 .32致 謝 33附件 .34自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 0自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 1了解詳細圖紙 可加扣 1304139763自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 21 緒論1.1 本課題設計的背景分揀出入庫一般是指采用幾層、十幾層乃至幾十層高的貨架儲存單元貨物，用相應的物料搬運設備進行貨物入庫和出庫作業(yè)的倉庫。由于這類倉庫能充分利用空間儲存貨物，故常形象地將其稱為“分揀出入庫” 。 分揀出入庫的產(chǎn)生和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)之后生產(chǎn)和技術發(fā)展的結果。50 年代初，美國出現(xiàn)了采用橋式堆垛起重機的分揀出入庫；50 年代末 60 年代初出現(xiàn)了司機操作的巷道式堆垛起重機分揀出入庫；1963 年美國率先在高架倉庫中采用計算機控制技術，建立了第一座計算機控制的分揀出入庫。此后，自動化分揀出入庫在美國和歐洲得到迅速發(fā)展，并形成了專門的學科。60 年代中期，日本開始興建分揀出入庫，并且發(fā)展速度越來越快，成為當今世界上擁有自動化分揀出入庫最多的國家之一。 我國對分揀出入庫及其物料搬運設備的研制開始并不晚，1963 年研制成第一臺橋式堆垛起重機（機械部北京起重運輸機械研究所） ，1973 年開始研制我國第一座由計算機控制的自動化分揀出入庫（高 15 米，機械部起重所負責） ，該庫 1980 年投入運行。到目前為止，我國自動化分揀出入庫數(shù)量已超過 200 座。分揀出入庫由于具有很高的空間利用率、很強的入出庫能力、采用計算機進行控制管理而利于企業(yè)實施現(xiàn)代化管理等特點，已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲技術，越來越受到企業(yè)的重視。自動化倉庫應用范圍很廣，幾乎遍布所有行業(yè)。在我國，自動化倉庫應用的行業(yè)主要有機械、冶金、化工、航空航天、電子、醫(yī)藥、食品加工、煙草、印刷、配送中心、機場、港口等。 1969 年美國數(shù)字設備公司（DEC）研制書世界第一臺可編程控制器，并成功地應用在美國（GM）的生產(chǎn)線上。但當時只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制期，簡稱 PLC（programmable logic controller） 。70 年代后期，隨著微電子技術和計算機的迅猛發(fā)展，使 PLC 從開關量的邏輯控制擴展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過程控制域，真正成為一種電子計算機工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱 PC（ programmable controller）.但由于 PC 容易與個人計算機（programmable computer）相混淆，故人們?nèi)粤晳T地用 PLC 作為可編程器的縮寫。1985 年國際電工委員會（IEC）對 PLC 的定義如下：可編程控制器是一種進行數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應用而設計的工業(yè)控制器，它采用了可以編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程。自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 3PLC 是繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，所以它在數(shù)學處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢。繼電器在控制系統(tǒng)中主要起兩種作用：（1）邏輯運算（2）弱電控制強電。PLC 是集自動控制技術，計算機技術和通訊技術于一體的一種新型工業(yè)控制裝置，已躍居工業(yè)自動化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。可編程控制器，簡稱 PLC。它在集成電路、計算機技術的基礎上發(fā)展起來的一中新型工業(yè)控制設備。 具有 1.可靠性高、抗干擾能力強 2.設計、安裝容易，維護工作量少 4.功能強、通用性好 5.開發(fā)周期短，成功率高 6.體積小，重量輕、功耗底等特點。已經(jīng)廣泛應用于自動化控制的各個領域，并已成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱產(chǎn)品。與繼電——接觸器系統(tǒng)相比系統(tǒng)更加可靠；占位空間比繼電——接觸器控制系統(tǒng)??；價格上能與繼電——接觸器控制系統(tǒng)競爭；易于在現(xiàn)場變更程序；便于使用、維護、維修；能直接推動電磁閥、觸器與于之相當?shù)膱?zhí)行機構；能向中央執(zhí)行機構；能向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。因此，進行分揀出入庫的 PLC 控制系統(tǒng)的設計，可以推動機械手行業(yè)的發(fā)展，擴大 PLC 在自動控制領域的應用，具有一定的經(jīng)濟和理論研究的價值。1.2 本課題設計的內(nèi)容課題的主要任務是基于三菱 FX2N 系列 PLC 的分揀出入庫控制系統(tǒng)的設計。倉位的主體框架除包括兩個倉庫外，還配有一個物品入入位，并在這兩個倉庫 32 個倉位位的底部均設置有檢測開關，若庫內(nèi)有物品，則壓制相應的檢測開關使之閉合，若無物品，則相應的檢測開關斷開。1.3 本課題設計的目的和意義傳統(tǒng)條件下的庫房管理作業(yè)，主要依據(jù)人工裝卸，特別是對于一些大型物資，不僅工作效率低，浪費大量的人力、物力，存在較大的安全隱患，同時還占據(jù)大量的庫房面積。立體庫的投入使用，徹底解決了這一難題.自動化分揀出入庫可以產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。它通過高層貨架存儲，使存儲區(qū)大幅度地向高空發(fā)展，提高了空間利用率；自動化分揀出入庫采用層積式存放，結合計算機管理，可以很容易實現(xiàn)先入先出，防止貨物的自然老化、變質和損壞；通過自動存取系統(tǒng),加快了運行和處理速度，提高了勞動生產(chǎn)率，降低操作人員的勞動強度；采用自動化技術后，還能較好地適應黑暗、低溫、污染、有毒和易爆等特殊場合的物品存儲需要；計算機控制能夠始終準確無誤地對各種信息進行存儲和管理，減少了貨物處理和信息處理過程中的差錯；同時借助于計算機管理還能有效地利用倉庫存儲能力，便于清點和盤庫，合理減少庫存，加快資金周轉，節(jié)約流動資金，從而提高倉庫的管理水平。自動化倉庫的信息系統(tǒng)可以與企業(yè)的生產(chǎn)信息系統(tǒng)集成，實現(xiàn)企業(yè)信息管理的自自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 4動化。同時，由于使用自動化倉庫，促進企業(yè)的科學管理，減少了浪費，保證均衡生產(chǎn)，也提高了操作人員素質和管理人員的水平。自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 52 系統(tǒng)控制方案的確定2.1 自動化分揀出入庫的概述自動化分揀出入庫是指在不直接進行人工處理的情況下, 自動地完成物品倉儲和取出的系統(tǒng), 它以高層立體貨架為主體, 以成套搬運設備為基礎, 是集自動控制技術、通信技術、機電技術于一體的高效率、大容量存儲機構。自動化分揀出入庫的出現(xiàn), 實現(xiàn)了倉庫功能從單純保管型向綜合流通型的轉變。用 PLC 控制的自動化分揀出入庫達到倉儲技術的全面自動化。自動化立體庫基本由以下部分組成: 貨架:用于存儲貨物的結構。本次設計的貨架包括將內(nèi)部空間分為 4*4 的擋格堆垛機:用于自動存取貨物的設備。按結構形式分為單立柱和雙立柱兩種基本形式；按服務方式分為直道、彎道和轉移車三種基本形式。 庫存信息管理系統(tǒng):亦稱中央計算機管理系統(tǒng)。是全自動化立體庫系統(tǒng)的核心。目前典型的自動化立體庫系統(tǒng)均采用大型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（如 ORACLE，SYBASE 等）構筑典型的客戶機/服務器體系，可以與其他系統(tǒng)（如 ERP 系統(tǒng)等）聯(lián)網(wǎng)或集成。2.2 采用 PLC 控制分揀出入庫的優(yōu)點1、低成本 利用電力線上網(wǎng)，最大的優(yōu)點就是成本低。由于利用電力線上網(wǎng)，直接使用現(xiàn)有電力網(wǎng)就可以實現(xiàn)通信，而不需要另外鋪設電話線、光電纜等，大大地減少了在基礎網(wǎng)絡上的投資。2、范圍廣 無所不在的電力線網(wǎng)絡也是這種技術的優(yōu)勢。電力線是最基礎的網(wǎng)絡，它的規(guī)模之大，是其他任何網(wǎng)絡無法比擬的。因為家家都有電力線，由此，運營商就可以輕松地把這種網(wǎng)絡接入服務滲透到每一個家庭.因此，這一技術一旦進入商業(yè)化階段，將會促進電信市場的變革，并給互聯(lián)網(wǎng)普及帶來極大的發(fā)展空間。 3、高 速 利用電力線上網(wǎng)能夠提供高速傳輸。德國最大的電力設備生產(chǎn)商 RWE承諾，運用他們的電力線上網(wǎng)技術，其速度要比 ISDN 拔號上網(wǎng)快 30 多倍, 比 ADSL更快！足以支持現(xiàn)有網(wǎng)絡上的各種應用。更高速率的 PLC 產(chǎn)品正在研制之中。 4、便 捷 不管在家里的哪個角落,只要連接到房間內(nèi)的任何電源插座上，就可立即擁有 PLC 帶來的高速網(wǎng)絡享受!5、永遠在線 PLC 屬于 “即插即用“，不用煩瑣的撥號過程，接入電源就等于接入網(wǎng)絡！6、結構靈活 通過 PLC 技術實現(xiàn) Internet 接入，可以靈活擴展接入端口數(shù)量，使資源保持較高的利用率。目前還未有效解決電力線信號通過變壓器的技術，因此，電力線通信設備都是集中在 220V 線路變壓器的用戶端。自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 62.3 系統(tǒng)設計的基本步驟分揀出入庫系統(tǒng)設計與調(diào)試的主要步驟：在分揀出入庫控制系統(tǒng)的設計過程中主要要考慮以下幾點：深入了解和分析分揀出入庫的工藝條件和控制要求。設計堆垛機的總體結構3.確定 I/O 設備。根據(jù)分揀出入庫控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設備。4.根據(jù) I/O 點數(shù)選擇合適的 PLC 類型。5.分配 I/O 點，分配 PLC 的輸入輸出點，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。6.設計分揀出入庫系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設計出周密完整的梯形圖程序，這是整個分揀出入庫系統(tǒng)設計的核心工作。2.4 系統(tǒng)控制方案根據(jù)對分揀出入庫的具體要求，本課題所設計的分揀出入庫具有以下功能：1、堆垛機（機械手）要有三個自由度，即：前進、后退；上、下；左、右；2、堆垛機的運動由步進電機驅動；3、堆垛機前進（或后退）運動和上（或下）運動可同時進行；4、堆垛機前進、后退和上、下運動時必須有超限位保護；5、每個倉位必須有檢測裝置（微動開關） ，當操作有誤時發(fā)出錯誤報警信號；；6、當按完倉位號后，沒按入或取前，可以按取消鍵進行取消該操作。7、整個電氣控制系統(tǒng)必須設置急停按鈕，以防發(fā)生意外。自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 73 系統(tǒng)硬件設計3.1 直線滾動導軌副的計算與選型（垂直）3.1.1 塊承受工作載荷 的計算及導軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的 X-Y 工作臺為垂直布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：Fmax=G/2 (3-1)其中，移動部件重量 G=1000N，代入式（3-1 ） ，得最大工作載荷 =500N。查表 3-41，根據(jù)工作載荷 =0.5kN，初選直線滾動導軌副的型號為 KL 系列的JSA-LG15 型，其額定動載荷 aC7.94kN?，額定靜載荷 0aC9.5kN?。根據(jù)任務書設計規(guī)定，行程 800 考慮工作行程應留有一定余量，查表 3-35，按標準系列，選取導軌的長度為 940mm。3.1.2 距離額定壽命 L 的計算上述所取的 KL 系列 JSA-LG15 系列導軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過 10?C，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為 4 級，工作速度較低，載荷不大。查表 3-36~表 3-40，分別取硬度系數(shù) f =1.0，溫度系數(shù) f =1.00，接觸系數(shù) f =0.81，精度系HTc數(shù) f =0.9，載荷系數(shù) f =1.5，代入式（3-33） ，得距離壽命：RwL=(3-2)KmFCfarcth 2.98450)(3mx???遠大于期望值，故距離額定壽命滿足要求。3.1.3 滾珠絲杠螺母副的計算與選型如前所述，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）F x=1000N,受到已知移動部件總重量 G=1000N，按矩形導軌進行計算，查表 3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.4，滾動導軌上的摩擦系數(shù) =0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：?Fm=KFx+ (Fz+Fy+G)=1.4 1000N=1400N (3-3)??自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 83.1.4 最大動工作載荷 FQ 的計算設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度 v=200mm/min，初選絲杠導程Ph=5mm,則此時絲杠轉速 n=v/Ph=40r/min。取滾珠絲杠的使用壽命 T=15000h,代入 ,得絲杠壽命系數(shù) L0=36（單位為：10 6r） 。查表 3-30，取載荷系數(shù) fw=1.2,滾道硬度為 60HRC 時，取硬度系數(shù) fH=1.0,代入式（3-23 ） ，求得最大動載荷：= (3-4)NFfLmHw23.54730?3.1.5 初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表 3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 G 系列 2005-3 型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為 20mm，導程為 5mm，循環(huán)滾珠為 3 圈*1 系列，精度等級取 5 級，額定動載荷為 9309N，大于 FQ，滿足要求。3.1.6 傳動效率 η 的計算將公稱直徑 d0=20mm,導程 Ph=5mm,代入 得絲杠螺旋升角λ=4° 33′。將摩擦角 ψ =10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ) (3-5),得傳動效率 η=96.4%。3.1.7 剛度的驗算滾珠絲杠副的支承采用“雙推-簡支”的方式。絲杠的兩端各采用-對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為 a=900mm；鋼的彈性模量E=2.1х10 5Mpa;查表 3-31，得滾珠直徑 Dw=3.175mm，絲杠底徑 d2=16.2mm,絲杠截面積 S= 2d?/4=206.12m 2m。 算得絲杠在工作載荷 Fm 作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量 51/()[1570(.1206.)]mFaES????=0.0291mm.。 (3-6)根據(jù)公式 0(/)3WZdD??(3-7)求得單圈滾珠數(shù) Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù) ?列數(shù)為 3 1，代入公自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 9式 Z??Z?圈數(shù) 列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 Z?=60。絲杠預緊時，取軸向預緊力YJmF/3=466.67N。則由式（3-27） ，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量20.4??mm。因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的 1/3，所以實際變形量可以減少一半，取2=0.0012mm。將以上算出的 1?和 2代入 12???總 ，求得絲杠總變形量（對應跨度 500mm）?總=0.0313mm=31.3 m?本例中，絲杠的有效行程為 840mm，由表 3-27 知，5 級精度滾珠絲杠有效行程在800-1000mm 時，行程偏差允許達到 40 m?，可見絲杠剛度足夠。3.1.8 壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷 FK。查表，取支承系數(shù) kf=2；由絲杠底徑 d2=16.2mm 求得截面慣性矩4/6I???3380.88 4m (3-8)壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 取 2.5（絲杠垂直安裝） ；滾動螺母至軸向固定處的距離 a 取最大值 900mm。代入式（3-28） ，得臨界載荷 FK=6920.76N，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。3.2 直線滾動導軌副的計算與選型（橫向）3.2.1 導軌上移動部件的重量估算按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、導軌座等,估計重量約為 3000N.3.2.2 塊承受工作載荷 的計算及導軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的 X-Y 工作臺為垂直布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：Fmax=G/4 自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 10其中，移動部件重量 G=3000N，得最大工作載荷 =750N。查表 3-41，根據(jù)工作載荷 =0.75kN，初選直線滾動導軌副的型號為 KL 系列的JSA-LG15 型，其額定動載荷 aC7.94kN?，額定靜載荷 0aC9.5kN?。根據(jù)任務書設計規(guī)定，行程 600 考慮工作行程應留有一定余量，查表 3-35，按標準系列，選取導軌的長度為 640mm。3.2.3 距離額定壽命 L 的計算上述所取的 KL 系列 JSA-LG15 系列導軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過 10?C，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為 4 級，工作速度較低，載荷不大。查表 3-36~表 3-40，分別取硬度系數(shù) f =1.0，溫度系數(shù) f =1.00，接觸系數(shù) f =0.81，精度系HTc數(shù) f =0.9，載荷系數(shù) f =1.5，代入式（3-33） ，得距離壽命：RwL=KmFCfawrcth 1.6805)(3mx???遠大于期望值，故距離額定壽命滿足要求。3.2.4 最大工作載荷 Fm 的計算如前頁所述，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）F x=0N,受到已知移動部件總重量 G=3000N，按矩形導軌進行計算，查表 3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.4，滾動導軌上的摩擦系數(shù) =0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：?Fm=KFx+ (Fz+Fy+G)=0.005 3000N=15N (3-9)??3.2.5 最大動工作載荷 FQ 的計算設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度 v=200mm/min，初選絲杠導程Ph=5mm,則此時絲杠轉速 n=v/Ph=40r/min。取滾珠絲杠的使用壽命 T=15000h,代入 L0=60nT/106,得絲杠壽命系數(shù) L0=36（單位為：10 6r） 。查表 3-30，取載荷系數(shù) fw=1.2,滾道硬度為 60HRC 時，取硬度系數(shù) fH=1.0,代入式（3-23 ） ，求得最大動載荷：= (3-10)NFfLmHw43.5930?自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 113.3 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向）3.3.1 初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表 3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 G 系列 2005-3 型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為 20mm，導程為 5mm，循環(huán)滾珠為 3 圈*1 系列，精度等級取 5 級，額定動載荷為 9309N，大于 FQ，滿足要求。3. 3.2 傳動效率 η 的計算將公稱直徑 d0=20mm,導程 Ph=5mm,代入 得絲杠螺旋升角λ=4° 33′。將摩擦角 ψ =10′，代入 η=tan λ/tan(λ+ ψ),得傳動效率 η=96.4%。3.3.3 剛度的驗算滾珠絲杠副的支承采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用-對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為 a=700mm；鋼的彈性模量E=2.1х10 5Mpa;查表 3-31，得滾珠直徑 Dw=3.175mm，絲杠底徑 d2=16.2mm,絲杠截面積 S= 2d?/4=206.12m 2m。算得絲杠在工作載荷 Fm 作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量 51/()[1570/(2.106.2)]mFaES????=2.426 10-4mm.。根據(jù)公式 0(/)3WZdD???，求得單圈滾珠數(shù) Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù) ?列數(shù)為 3 1，代入公式 Z??Z?圈數(shù) 列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 Z?=60。絲杠預緊時，取軸向預緊力 YJmF/3=3N。則由式（3-27） ，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 20.4??2.59 10-5mm。因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的 1/3，所以實際變形量可以減少一半，取2=1.29 10-5mm。?將以上算出的 1?和 2代入 12???總 ，求得絲杠總變形量（對應跨度 700mm）?總=2.56 10-4mm=0.256 m?本例中，絲杠的有效行程為 660mm，由表 3-27 知，5 級精度滾珠絲杠有效行程在800-1000mm 時，行程偏差允許達到 36?，可見絲杠剛度足夠。自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 123.3.3 壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式計算失穩(wěn)時的臨界載荷 FK。查表 3-34，取支承系數(shù) kf=1；由絲杠底徑d2=16.2mm 求得截面慣性矩 42/6Id???3380.88 4m；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 取 3（絲杠臥式水平安裝） ；滾動螺母至軸向固定處的距離 a 取最大值 700mm。代入公式得臨界載荷 FK=4766.8N，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。3.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型根據(jù)公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷 FK。查表 3-34，取支承系數(shù) kf=1；由絲杠底徑 d2=16.2mm 求得截面慣性矩42/6Id???3380.88 4m；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K取 3（絲杠臥式水平安裝） ；滾動螺母至軸向固定處的距離 a 取最大值 1500mm。代入式（3-28 ） ，得臨界載荷 FK=1038.1N，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。3.5 回轉齒輪3.4.1 齒輪得材料及熱處理方法小齒輪選用 40Cr，調(diào)質處理，齒面硬度為 260HBS。大齒輪選用 45 鋼，調(diào)質處理，齒面硬度 220HBS，HBS 1-HBS2=260-220=40。查得 σFlim1=240Mpa, σFlim2=240Mpa,SF=1.3故[σ F1]= = =129Mpa （3-11）FS1lim7.0?3.407?[σF2]= = =195MpaF2li95粗選 8 級精度取小齒輪齒數(shù) Z1=20, 大齒輪 Z2=17×2.673=45.441。取小齒輪齒數(shù) Z1=17，則大齒輪 Z2=17×2.673=45.441，取 Z2=46，實際傳動比 i = =2.706。7463.4.2 齒輪疲勞強度設計查表，取載荷系數(shù) K=1.1，推薦齒寬系數(shù) Ψ R=0.25—0.3,取 Ψ R=0.3。自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 13小齒輪上的轉矩T1= = =1.7297×105N·mm （3-12）13095nP?3856.09?（1）計算分度圓錐角δ 1=arctan = arctan =69.72° （3-13）21Z467δ 2=90°-δ 1=90°-69.72°=20.28°（2）計算當量齒數(shù)Zv1= = =18.12 （3-14）1cos??28.07Zv2= = =132.712?7.694（3）計算模數(shù)查的 YF1=3.02, YF2=2.16因為 = =0.023， = =0.011][1F?290.][2F?1956.＞ ，故將 代入計算。][1F]2][1Fmm≥ = =3.43 （3-15）][)5.0(421213FRFZuYKT????12973.0167.).5(2943 ????（4）計算大端模數(shù)m = = =4.04R5.01?3.04?查表取 m=4.5（5）計算分度圓直徑d1=mZ1=4.5×17=76.50mmd2=mZ2=4.5×46=207.00mm(6)計算外錐距自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 14R= = =109.16mm （3-16）12?uZm1673.25.4??(6)計算齒寬b=Ψ RR=0.3×109.16=32.75mm取 b1=b2=35mm3.4.3 驗算輪齒彎曲疲勞強度σF1= = =95.38Mpa （3-17）12ZbmYKTF175.4302.329.??[σF1]=129Mpa, σF1＜[σ F1]，故安全。3.6 步進電動機的計算與選型3.6.1 計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量 Jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑 d0=20mm，總長 l=1360mm，導程 Ph=5mm，材料密度?=7.85?10-3g/ 2cm;移動部件總重力 G=800N；如表 4-1 所示，算得各個零部件的轉動慣量如下： 滾珠絲杠的轉動慣量2SLRJ???=1.67kg·cm2;拖板 =1.90kg·cm2。初選步進電動機的型號為 110YBG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，二相八拍驅動時的步距角為 0.75°，從表（4-5）查得該型號的電動機轉子的轉動慣量Jm=15 kg·cm2。則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為：18.57 kg·cm2 （3-18）3.6.2 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩 Teq 分快速空載和承受最大負載兩種情況進行計算。1) 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩 1eqT由式（4-8）可知， 1eqT包括三部分; 一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩 max；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩 f；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 15到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩 0T。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)公式可知，0T相對于 max和 fT很小，可以忽略不計。則有：1eq= + f （3-19）根據(jù)式（4-9 ） ，考慮傳動鏈的總效率 ?，計算空載起動時折算到電動機轉軸上最大加速轉矩： maxT= 2160eqmaJnt??? (3-20)其中： max360v???=1041.6r/min (3-21)式中 —空載最快移動速度，任務書指定為 2000mm/min；maxV—步進電動機步距角，預選電動機為 0.75 ；??—脈沖當量，本例 =0.004mm/脈沖。??設步進電機由靜止加速至 mn所需時間 0.4ats?，傳動鏈總效率 。則由式求得：0.258 N?m由式（4- 10）知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： 0.015 N?m （3-22）式中 ——導軌的摩擦因素，滾動導軌取 0.005——垂直方向的銑削力，空載時取 0zF——傳動鏈效率，取 0.8?最后由式（6-13）求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩：1eqT= max+ f=0.273N?m (3-23) 2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩 2eqT由式（4-13 ）可知， 2eqT包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩 tT；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩 f；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩 0T， 相對于 fT和 t很小，可以忽略不計。則有： 自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 162eqT= t+ f （3-24）其中折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩 tT由公式計算。有：1.032 N?m （3-25） 再由式計算垂直方向，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩： 0.015 N?m （3-26）最后，求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩： 2eqT= t+ f=1.046 （3-27）最后求得在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為：1.046 （3-28）3.6.3 步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機的驅動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù) eqT來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。取 K=4, 則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： 4×1.046=4.188 （3-29）初選步進電動機的型號為 110BYG2602，由表 4-5 查得該型號電動機的最大靜轉矩maxjT=20N?m?？梢?，滿足要求。 4.6.4 步進電動機的性能校核1）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度 maxv=2000mm/min，求出其對應運行頻率 fmaxf=[2000/(60×0.008)]=4166.67Hz。查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩maxT=20N?m，大于快速空載起動時的負載轉矩 1eqT=0.127N?m，滿足要求。2）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度 axv=2000mm/min對應的電動機運行頻率為 fmax=4166.67Hz 。查表 4-5 可知 110BYG2602 電動機的空載運行頻率可達 20000 zH，可見沒有超出上限。 3）起動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總轉動慣量 ，電動機自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 17轉子的轉動慣量 Jm=15 ，電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率180qzfH?（查表 4-5） 。由式（4-17）可知步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：（3-30）說明：要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有 100 zH。綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用 90BYG2602 步進電動機，完全滿足設計要求。3.7 增量式旋轉編碼器的選用 本設計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角 0.75?? 匹配，可知電動機轉動一轉時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/48個步進脈沖?？紤]到增量式旋轉編碼器輸出的 A、B 相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分，因此，編碼器的分辨力可選 120 線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電動機轉過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。此次設計選用的編碼器型號為：ZLK-A-120-05VO-10-H 盤狀空心型，孔徑 10mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每秒輸出 120 個 A/B 脈沖，信號為電壓輸出。3.8 步進電動機的驅動電源選用3.8.1 主要特點：1. 220V 交流供電2. 恒流斬波控制3. 提供 3A/4A/6A/7A 四種標準電流4. 節(jié)能的半電流鎖定模式5. 輸入信號 TTL 兼容6. 光電隔離信號輸入7. 過流、過壓保護自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 183.8.2 電氣特性 Ti=25℃項 目 指 標電源電壓 AC220V±10%，50Hz±1 Hz輸出電流 3A/4A/6A/7A 可選步進脈沖頻率 0～10K Hz邏輯信號電流 5～10mA絕緣電阻 500MΩ3.8.3 使用環(huán)境及參數(shù)冷 卻 方 式 強制風冷溫 度—10℃～+50℃ 使用環(huán)境濕 度40～90%PH外 形 尺 寸 117x290x130mm重 量 約 Kg3.8.4 電流選擇1.訂貨時向制造廠聲明；出廠設定值為 6A。2.用戶臨時需要更改電流時，請照如下所示：在斷電情況下，打開機殼，按下表所示撥動紅色撥碼開關，再通電即按設定情況工作。開關位置1 2電 流OFF OFF 3AOFF ON 4AON OFF 6AON ON 7A注意：改變設定后，需重新通電，設定方有效。自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 193.8.5 控制信號（1）方向控制外部輸入信號 Cw 電平變化可改變電機運轉方向。注：電機的初始運行方向與電機的接線有關，互換任意兩相可以改變初始運行的方向。（2）步進脈沖輸入信號 Cp最大通過頻率為 10KHz。脈沖的低電平時間應大于 500nS。（3）使能信號 EnEn 端外加低電平時，電機響應 Cp 端輸入脈沖運行， Cp 端沒有信號時，電機處于半流鎖定狀態(tài)；En 端懸空時，驅動器切斷電機各相的電流使電機軸處于自由狀態(tài)，此時步進脈沖Cp 將不被響應。（4）輸出信號 A1、A2，B1、B2接二相混合式步進電動機的出線。（5）信號結構（6）信號要求BD28Nc 驅動器采用單脈沖控制方式。Cp、Cw、En 信號通過光耦隔離，采用共陽極接法。為確保內(nèi)置光耦能可靠導通，要求信號提供至少5mA 的電流。驅動器內(nèi)部已串入光耦的限流電阻 1KΩ，對應+5V 電平。自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 20當輸入電壓較高時，可根據(jù)需要外串電阻進行限流。例如輸入電平為+24V 時，應在每個控制信號上串聯(lián) 2KΩ 左右電阻。該驅動電源與控制器的接線方式如圖 8.1 所示。圖 3-1此步進電機驅動器的電氣技術數(shù)據(jù)為：表 3-1 步進電機驅動器的電氣技術數(shù)據(jù)驅動器型號 相數(shù) 類別 細分數(shù) 最大相電流 工作電源BD28Nc 二相或四相 混合式 二相八拍 4A 110-220VAC自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 213.9 可編程控制器(PLC)的選型3.9.1 PLC 概述可編程控制器，英文稱 Programmable Controller，簡稱 PLC，本課題中用 PLC 作為它的簡稱。PLC 是用于工業(yè)現(xiàn)場的電控制器。它源于繼電器控制技術，但基于電子計算機。它通過運行存儲在其內(nèi)存中的程序，把經(jīng)輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進而再通過輸出電路的物理過程去實現(xiàn)對負載的控制。PLC 基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普通計算機進行入出信息變換時，大多只考慮信息本身，信息入出的物理過程一般不考慮的。而 PLC 則要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的實際使用。特別要考慮怎么適應于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，便于維修及抗干擾等問題,入出信息變換及可靠的物理實現(xiàn)，可以說是 PLC實現(xiàn)控制的兩個基本要點。PLC 可以通過它的外設或通信接口與外界交換信息。其功能要比繼電控制裝置多的多、強的多。PLC 有豐富的指令系統(tǒng)，有各種各樣的 I/O 接口、通信接口，有大容量的內(nèi)存，有可靠的自身監(jiān)控系統(tǒng)，因而具有以下基本的功能：○ 邏輯處理功能；○ 1○ 數(shù)據(jù)運算功能；○ 2○ 準確定時功能；○ 3○ 高速計數(shù)功能；○ 4○ 中斷處理（可以實現(xiàn)各種內(nèi)外中斷）功能；○ 5○ 程序與數(shù)據(jù)存儲功能；○ 6○ 聯(lián)網(wǎng)通信功能；○ 7○ 自檢測、自診斷功能?！?8可以說，凡普通小型計算機能實現(xiàn)的功能，PLC 幾乎也都可以做到。像 PLC 這樣。集豐富功能于一身，是別的電控器所沒有的，更是傳統(tǒng)的繼電控制電路所無法比擬的。豐富的功能為 PLC 的廣泛應用提供了可能，同時，也為自動門行業(yè)的遠程化、信息化及智能化創(chuàng)造了條件。3.9.2 PLC 的選型在 PLC 系統(tǒng)設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程設計選型。自動分揀出入庫設備及控制系統(tǒng)設計 22工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據(jù)。因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定 PLC 的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 PLC 和設計相應的控制系統(tǒng)。3.9.3．輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算I/O 點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%～ 20%的可擴展。余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商 PLC 的產(chǎn)品特點，對輸入輸出點數(shù)進行圓整。根據(jù)估算的方法故本課題的 I/O點數(shù)為輸入 55 點，輸出 12 點。存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點數(shù)的 10～15 倍，加上模擬 I/O 點數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（16 位為一個字） ，另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。因此本課題的 PLC 內(nèi)存容量選擇應能存儲 5000 條梯形圖，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。3.9.5 控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。根據(jù)本課題所設計的自動門控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇。（1）控制功能PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC 的處理速度和節(jié)省存儲器容量。（2）編程功能離線編程方式：PLC 和編程器公用一個 CPU，編程器在編程模式時，CPU 只為編程器提供服務，不對現(xiàn)場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現(xiàn)場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式：CPU 和編程器有各自的 CPU，主機 CPU 負責現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試