立体仓库与码垛机设计

课程设计任务书

一、课程设计目的

《机电系统设计方向专业课程设计》是机械电子工程专业的学生在完成《机电系统设计》等专业课程的学习之后，进行综合性设计训练的实践性教学环节。目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查、复习和提高，并运用所学理论，通过调研，设计一个机电控制方面的系统，受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力。具体为以下几个方面：

1. 能够正确运用《机电系统设计》等课程的基本理论和相关知识，掌握机电系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电系统设计的初步能力。

2. 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的设计计算、选型和结构设计方法和步骤。

3. 通过控制系统方案设计，掌握机电系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想。 4. 通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、使用资料的方法和能力。

5. 通过回顾查阅课程理论知识、运用所学的基础课,专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案, 分析具体问题、进行工程设计的能力。

二、课程设计内容

课程设计题目：码垛机机电系统设计。 主要设计内容：

①柔性制造系统简介，介绍系统整体功能、系统组成、功能单元组成、总控平台与各分站功能 单元、系统接口定义等；

②码垛机简介，介绍码垛机发展、码垛机总体结构与功能分析等；

③码垛机结构设计，包括码垛机起升机构、传送结构、载货台设计、关键构件结构校核等； ④出入库平移台设计，包括平移台结构设计、导轨设计、平移台驱动方式与执行部件选择等； ⑤码垛机与立体仓库的配合工作，包括立体仓库简要结构设计与分析、导轨设计等； ⑥码垛机电气控制部分设计，包括控制方式，执行部件选取与运动学分析、电气原理图等； ⑦其他设计内容，如系统保养与维护，系统改进等。

根据各子题目设计内容不同，每个设计小组6~7名学生进行设计。允许学生自己拟定题目和实施要点，经指导老师同意后实施。由组长细分小组成员需承担的任务。

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三、进度安排

1. 熟悉任务，查阅资料； 1天 2. 确定方案； 2天 3. 详细设计（机械部分选型及设计计算、控制部分硬件原理图及软件流程图）；5天 4. 整理设计说明书，答辩。 2天

四、基本要求

1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭； 2. 认真阅读《课程设计任务书》，明确题目及具体要求； 3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准； 4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；

5. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理； 6. 控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；

7. 机械系统设计计算，控制系统电气原理，图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰。

8. 设计说明书手写和打印均可。课程设计第一天由各设计小组组长根据指导教师给的电子任务书

拟定出适合本小组的课程设计任务书，并统一打印后分发各组员。

机械电子系 2011.08.20

第一章 柔性制造系统简介

1.1 FMS系统整体功能

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在成组技术的基础上，以多台(种)数控机床或数组柔性制造单元为核心，通过自动化物流系统将其联接，统一由主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种变批量和混流方式生产的自动化制造系统。

1.2系统组成 1.2.1加工设备

加工设备主要采用加工中心和数控车床，前者用于加工箱体类和板类零件，后者则用于加工轴类和盘类零件。中、大批量少品种生产中所用的FMS，常采用可更换主轴箱的加工中心，以获得更高的生产效率。

1.2.2储存和搬运

储存和搬运系统搬运的的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等；储存物料的方法有平面布置的托盘库，也有储存量较大的桁道式立体仓库。毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的特定区域内，然后由自动搬运系统根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。固定轨道式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排列设备的FMS，自动引导台车搬送物料的顺序则与设备排列位置无关，具有较大灵活性。工业机器人可在有限的范围内为1－4台机床输送和装卸工件，对于较大的工件常利用托盘自动交换装置(简称APC)来传送，也可采用在轨道上行走的机器人，同时完成工件的传送和装卸。磨损了的刀具可以逐个从刀库中取出更换，也可由备用的子刀库取代装满待换刀具的刀库。车床卡盘的卡爪、特种夹具和专用加工中心的主轴箱也可以自动更换。切屑运送和处理系统是保证 FMS连续正常工作的必要条件，一般根据切屑的形状、排除量和处理要求来选择经济的结构方案。

1.2.3信息控制

FMS信息控制系统的结构组成形式很多，但一般多采用群控方式的递阶系统。第一级为各个工艺设备的计算机数控装置(CNC)，实现各的口工过程的控制；第二级为群控计算机，负责把来自第三级计算机的生产计划和数控指令等信息，分配给第一级中有关设备的数控装置，同时把它们的运转状况信息上报给上级计算机；第三级是FMS的主计算机(控制计算机)，其功能是制订生产作业计划，实施FMS运行状态的管理，及各种数据的管理；第四级是全厂的管理计算机。

性能完善的软件是实现FMS功能的基础，除支持计算机工作的系统软件外，数量更多的是根据使用要求和用户经验所发展的专门应用软件，大体上包括控制软件(控制机床、物料储运系统、检验装置和监视系统)、计划管理软件(调度管理、质量管理、库存管理、工装管理等)和数据管理软件(仿真、检索和各种数据库)等。

为保证FMS的连续自动运转，须对刀具和切削过程进行监视，可能采用的方法有：测量机床主轴电机输出的电流功率，或主轴的扭矩；利用传感器拾取刀具破裂的信号；利用接触测头直接测量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的变化；累积计算刀具的切削时间以进行刀具寿命管理。此外，还可利用接触测头来测量机床热变形和工件安装误差，并据此对其进行补偿。

1.3功能单元组成

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码垛机与立体仓库，传送带，视觉检测，串联机器人，并联机器人，装配，自控制台，

1.4总控平台与各分站功能单元

整个系统包括：码垛机与立体仓库从站单元、CCD图象检测从站单元、并联加工中心从站单元、串联搬运从站单元、传送带控制从站单元、条码扫描从站单元、条码扫描从站单元、以及主控服务器单元。 其中并联加工中心单元和串联搬运单元采用PC104嵌入式控制器控制，CCD图象检测单元（2个）和条码扫描单元采用PB-OEM4-PCI从站卡控制，码垛机与立体仓库单元采用PLC控制，传送带控制单元和机械手单元采用PLC控制。

主站单元通过PROFIBUS总线控制其他从站单元，如图1-1所示。

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系统特点：

系统采用以PROFIBUS、串口通讯，大量使用嵌入式和PLC控制设计，用户可以从中选择相关内容满足不同层次的教学实验需要。

模块化结构，灵活、紧凑，完全满足实验的要求；

控制系统采用Windows系列操作系统，二次开发方便、快捷，适于教学实验。

系统结构采用工业DCS控制方式、具有高可靠性、开放性、易维护性、协调性等特点。

1.5系统接口定义

因为现场总线是应用在工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。据此功能，现场总线能够很好地完成自动化立体仓库的接口定义及连接。

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第四章 立体仓库出入库平移台设计

4.1平移台结构设计

通常包括：丝杠（或称螺杆）、导轨、底面、台面、电机、联轴器等部件；影响电移台机械性能的主要因素有：丝杠、导轨、机体材质、加工质量和装配工艺等

电控位移系统通常由三部分组成：位移台、驱动电机、控制器。驱动电机及控制器主要决定驱动扭矩、加减速度、信号处理、使用功能（如扫描，圆弧插补）等性能参数，随着电机控制技术的提升，除了电移台机械部件以外，电机和控制器也从很大程度上影响电移台的振动、噪音及电移台的定位精度。

其结构分解图如下所示：

4.2导轨设计

根据立体仓库的出入库设计需求及相关标准和有关规范如导向精度、精度保持性、运动灵敏度和定位精度、运动平稳性、抗震性和稳定性、机构工艺等，我们选择直线导轨做为出入库的导轨型号选择。

直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。

直线轴承主要用在自动化机械上比较多,像德国进口的机床,纸碗机,激光焊接机等等,当然直线轴承和直线轴是配套用的.像直线导轨主要是用在精度要求比较高的机械结构上。

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第五章 立体仓库的配合工作

5.1 立体仓库简介

自动化立体仓库，也叫自动化立体仓储，物流仓储中出现的新概念，利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化：自动化立体仓库，是当前技术水平较高的形式。自动化立体仓库的主体由货架，巷道式堆垛起重机、入(出)库工作台和自动运进(出)及操作控制系统组成。货架是钢结构或钢筋混凝土结构的建筑物或结构体，货架内是标准尺寸的货位空间，巷道堆垛起重机穿行于货架之间的巷道中，完成存、取货的工作。管理上采用计算机及条形码技术。

5.2 立体仓库发展

仓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立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；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立体仓库。此后，自动化立体仓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，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。

对立体仓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立体仓库（高15米，机械部起重所负责），该库1980年投入运行。到2003年为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。立体仓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。

5.3立体仓库总体结构与功能分析

其基本系统有四个组成部分：储存货架、存取设备、输入输出设备、控制系统。 分配如下图所示；

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在立体仓库系统模块中，人机接口界面采用一个控制台，上面有操作人员操控立

体仓库的控制面板；控制器采用松下电工生产的EPO控制器；电机制动装置分别采用两个不进电机和一个直流电机；驱动装置是给步进电机配以相应的驱动电路；机械部件主要由

上对准光电上对准光电传送杆及传送平台构成；仓库模块采用3x4的结构，每个仓位上都设置了控制了限位开关。

中间计数光电中间计数光电下对准光电下对准光电低位置高位置通过参考立体仓库的一般结构形态，并根据各模块的功能，合理排列各个部件之

间的位置，设计了一个立体仓库的整体结构，如下图所示。

立体仓库机构模型 5.4仓库搭建

组合式货架，货架各部件可拆可装，不是捍接形式组成。货架有两列组成，每列有49个仓位，共有98个存储仓位。仓位成40x40x40形状分布，连接之间用M8的螺栓连接，且每个连接点有两个螺栓共同加固。且每个仓位均有限位开关与PLC控制器相连接，随时供系统检测仓位的存储状况。

图3.2 自动化立体仓库

1、货架2、巷道3、天轨4、堆垛机5、仓位6、地轨

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5.5平移台结构设计

通常包括：丝杠（或称螺杆）、导轨、底面、台面、电机、联轴器等部件；影响电移台机械性能的主要因素有：丝杠、导轨、机体材质、加工质量和装配工艺等

电控位移系统通常由三部分组成：位移台、驱动电机、控制器。驱动电机及控制器主要决定驱动扭矩、加减速度、信号处理、使用功能（如扫描，圆弧插补）等性能参数，随着电机控制技术的提升，除了电移台机械部件以外，电机和控制器也从很大程度上影响电移台的振动、噪音及电移台的定位精度。

其结构分解图如下所示：

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第六章 码垛机控制系统的硬件设计

6.1码垛机位置控制

由码垛机的作业流程分析，码垛机是由水平运行机构、纵向起升机构和货叉伸缩机构三部分组成的，水平运行机构和垂直起升机构使码垛机到达目标位置，货叉伸缩机构完成存取货任务。要完成对码垛机自动控制系统的设计，首先要保证码垛机能够准确到达目标位置，所以在设计码垛机自动控制系统时，关键在于准确可靠的认址和定位保证码垛机准确无误的定位在目标货位。另外为了提高存取效率和保证码垛机的稳定性，必须对码垛机三个机构的速度进行合理有效的控制，其中速度位置检测是码垛机自动控制系统的关键部分。

码垛机速度位置控制的实现方法所示，控制系统由PLC控制器、调速系统、编码器、认址片和认址器组成，实现位置和速度的双闭环控制。

执行机构 输入 速度检测 编码器 控制器 调速系统 M 认址器 位置检测

码垛机位置速度控制框图

6.1.1 定位控制

定位控制就是确定码垛机停止在目标货位的功能。自动仓库的认址检测系统有两项任务：一是实现自动寻址，使码垛机自动找到被指定到达的位置；二是自动准确停准，即码垛机停准位置不超出规定的精度。为此，货架上的每个货位必须具有码垛机能识别的编码，所以将货架两侧编成X1、X2，沿码垛机运行方向将货架编为0~Y列，垂直方向编为0~Z层。这样每个货位就有了独立的三维坐标地址，码垛机自动检测目前的坐标地址，使其能到达目标位置。因为货架两侧分为X1、X2，只有两个方向，反应到码垛机上只是货叉左伸、右伸运动，此方向不用检测，所以实际上码垛机位置的检测只是对Y、Z位置的检测。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gtr6.html