柔性包装机的设计毕业设计Word格式.docx
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生产上能迅速提高公司的生产效率和产量,同时还能减少人工搬运造成的出错。
对提高生产率、降低成本有着重要意义。
柔性包装机的设计是目前占地最小、效率最高、适应能力最强的码垛机。
码垛机械手适应于化工、饮料、食品、啤酒、塑料、空调行业等生产企业,对各种纸箱、袋装、罐装、啤酒箱、瓶装等各种形状的包装成品都适应。
以PLC为控制核心设计码垛单元的PLC控制系统,并应用组态软件制作监控仿真界面。
1.2柔性包装机的设计的概述
1.2.1柔性包装机的设计在国外的研究现状
柔性包装机的设计是随着大型物流配送中心和自动化立体仓库的发展起来的,物流这一概念是在20世纪50年代首先在美国形成的,立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。
初期的立体仓库使用的码垛机以桥式起重机为基础,这种码垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架(立柱),利用门架的上下和旋转来搬运货物。
1960年左右在美国出现了巷道式码垛机,这种堆垛机是在地面的导轨上行走,利用货架上部的导轨防止倾倒,或者是在上部导轨上行走,利用地面导轨防止倾倒。
在立体仓库码垛机的研发和使用方面,日本始终走在前列,1967年安装了10~15米的高层码垛机,1969年出现的联机全自动化仓库,特别是1973年建成了一座储藏生鲜食物的冷藏库,这是世界上第一座-40℃的极低温仓库,解决条件下码垛机的可靠性和技术方面的问题,取得了引人瞩目的成就。
巷道式码垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式码垛机。
据不完全统计,美国拥有各种类型的自动化立体仓库20000多座,日本有38000多座,德国有10000多座,英国有4000多座,前苏联有1500多座。
1.2.2柔性包装机的设计在国内的研究现状
我国第一台桥式柔性包装机的设计于1963年由北京起重运输机械研究所研制,在20世纪70年代初期开始,我国石油化工企业先后从日本、西德和意大利等国家引进了几十台码垛机。
其中除了从西德缪勒斯(MOLLERS)公司和意大利OCME公司引进几台外,其余大部分码垛机均是从日本OKURA公司和不二公司进口的。
到80年代初期,我国一些企业和科研单位,在消化、吸收引进技术的基础上,相继设计、研制出几种不同类型的码垛机,并用于聚乙烯、聚丙烯、化肥等粉粒产品包装码垛生产线上,为码垛机的国产化开创了良好的开端。
当时主要生产厂家有宜昌地区机械厂、常州化工机械厂、哈尔滨工业大学机器人研究所和沈阳运输机械厂等单位。
从80年代初期开始,我国一些科研生产单位即着手设计研制辊道式码垛机。
当时主要以仿型为主,即按国外同类型码垛机的型式,并结合国内的制造水平进行设计研究的,为国产码垛机奠定了雏形。
到80年代中期,我国一些科研、设计和生产单位,开始设计研制气垫式码垛机。
这种机型仍以仿型为主。
该机型具有结构较紧凑、自动化水平高,运行动作灵活、成垛性能好、外形比较美观等特点。
但这种机型与国外同类先进水平相比,仍有一定的差距。
80年代后期,我国一些科研单位设计研制出一种机器人全自动码垛机。
该机是在辊道式码垛机的基础上,通过高架机械手进行码垛作业的一种机型。
其处理能力为600~800袋/时。
哈工大机械人研究所于1988年研制的包装码垛生产线,从1992年6月安装在大庆石化总公司投产运行后,经过二年半的生产使用,证明运行情况良好,深得用户好评。
该所在此基础上,又以国外最新产品性能为目标,开发生产了一套第二代自动包装码垛生产线,并且于94年10月安装在齐鲁石化总公司投产运行;
还计划再上二套码垛生产线。
同年11月又在天津联合化学有限公司安装了二套自动化包装码垛生产线。
此后,自动化物流的开发与应用得到了很大发展。
据不完全统计,截止到2006年底,全国自动化立体库的保有量已超过500座。
2006年建设的自动化立体库在80座以上,主要集中在机械制造、汽车、烟草、食品加工、服装生产、医药生产及流通等行业,与2005年相比,整个市场有了很大发展。
1.2.3柔性包装机的发展趋势
纵观世界各国码垛机的发展的现状,对今后的动向,可归纳如下:
(1)重视“三化”,逐步采用国际标准。
所谓“三化”,是指码垛机的标准化、系列化和通用化。
贯彻“三化”可以缩短设计周期,保证产品制造质量,便于管理和提高经济效益。
世界上许多国家,不仅重视产品的“三化”工作,而且非常注意采用国际标准(ISO)。
有的国家甚至废除本国标准而直接采用国际标准,其目的是为了促进商品的国际交流。
(2)实现产品的机电一体化。
机械产品需要更新换代。
在当今计算机技术、自控技术和数显技术大发展的年代里,更新换代的重要标志是实现产品的机电一体化。
在码垛机上应用计算机技术,可以提高作业性能,增加安全性,以至实现无人自动操作。
(3)人机工程学的应用。
码垛机一般应用在沉重、忙碌、环境比较差的场合。
为了减少人员的作业强度,保证持久旺盛的体力和注意力,应该根据人机工程学的理论,设计导动装置和人员辅助装置,改善振动与噪声的影响,以使最少、最合理的投资,获得最佳的使用效果,使设备发挥最大的效率。
1.3课题的主要研究内容
本课题研究的主要内容是教学用仓储机械手码垛机的自动控制及组态软件的监控仿真,主要包括以下几个方面:
(1)深入研究实际工作过程中码垛机的工作情况,理解其工作原理;
(2)根据参数选择电机,确定控制方案。
进行控制系统的总体设计;
(3)根据总体方案的设计,设计电器控制的原理框图;
(4)进行PLC的选型,进行硬件系统的设计并对I/O分配;
(5)针对每一部分的硬件设计,进行软件部分设计,PLC控制程序的编写及调试;
(6)应用组态软件制做监控仿真操作界面。
第2章柔性包装机的总体方案设计
2.1柔性包装机的设计的总体框图
图3.1总体框图
图3.1为采用西门子S7-200PLC作为主控制器的码垛机总体框图。
一台PC作为上位监控机通过RS232/485通信端口与PLC相连,可以对整个系统进行全面的监控管理。
本设计只针对PLC的控制设计,其输入都有启动按钮、停止按钮、单机联机切换开关、急停等操作面板上的操作开关,还有码垛机的行程限位开关和立体仓库上12个仓格有无货物的检测开关。
其输出包括4个步进电机驱动器的脉冲和方向输出,以及码垛机上气动机械手夹取松开的电磁阀和一些辅助的设备(例如启动停止的指示灯)。
4个步进电机驱动器分别驱动4个步进电机,这4个步进电机分别用于控制码垛机的X轴、Y轴、Z轴的移动和1个机械手的转动。
2.2柔性包装机的结构组成
本课题是针对学校实验室的柔性制造系统中的立体仓库环节进行实验前期准备工作而设计的。
实验装置由机械部分、电气部分和操作台组成,模拟了码垛机在一个有12仓位的立体仓库的工作情况。
码垛机是由三个直线电控工作台以及一个旋转工作台外加一个气动手爪组成。
然后整体放置在桌面上,用螺钉固定在桌面铝合金槽内的螺母中。
码垛机的构成表2.1。
其中I轴和II轴除行程不一致外,本身结构形式完全相同,均采用了光轴导轨支撑,滚珠丝杠传动的结构。
这种结构的特点是承载能力高,安装方便。
III轴是垂直的升降轴,因为相对承载低,故采用光轴支撑,滚珠丝杠传动的结构。
三个轴互成直角组合搭建而成。
也就是典型的直角坐标机器人。
工业上经常用到这种结构。
IV轴为旋转轴,通过支架与III轴活动平台连接。
结构为蜗轮蜗杆形式。
所有直线工作台在此系统中都采用步进电机驱动,通过联轴器与丝杠端连接。
表2.1柔性包装机的设计构成介绍
轴
构成
动作范围
I
步进电机
280mm
联轴器
滚珠丝杠
光轴导轨
II
300mm
III
350mm
IV
±
100°
蜗轮蜗杆
2.3柔性包装机的控制方案
2.3.1柔性包装机的控制功能要求
码垛机是立体仓库货物存取任务的最终执行者,其主要动作包括:
(1)码垛机沿货架(I轴方向)的左右运动;
(2)码垛机接近和远离货架(II轴方向)的前后运动;
(3)码垛机沿立柱(III轴方向)的上下升降运动;
(4)安装在码垛机上机械手的转动(IV轴);
(5)安装在码垛机上机械手的加紧和放松。
因此,码垛机单元的自动控制主要应包含以下几方面的内容:
(1)手动控制功能:
仅能通过控制面板的按钮进行启动、停止、急停等控制操作;
(2)自动控制功能:
当手动按下启动按钮时,要求码垛机应能完成复位动作以及货物的自动入库任务。
码垛机运动的情况下,码垛机要运动到码垛位和抓取位,其中的坐标点必须有一个参考系,并且,在系统断电的时候,为防止系统丢掉原点信息,以及当系统以外停机或发生故障的时候需要系统具有原点复位功能。
(3)安全保护功能:
实时监测各关键器件的使用情况及系统的运行情况,出现故障时及时报警。
2.3.2柔性包装机的控制方案确定
在当今的工业控制领域,有相当多的控制手段和设备,比如:
继电器控制、PC控制、单片机控制、集散控制系统(DCS)以及可编程控制器(PLC)控制等等。
目前,比较有代表性的码垛机控制方式主要有:
(1)基于PLC的控制系统
基于PLC的控制系统,其主要构成是以PLC控制器为核心,运用其强大的I/O功能,完成其与HMI(人机接口)的通信,其主要优点是编程比较简单,对使用者的要求不高,且其抗干扰能力比较强大,运行非常稳定,主要缺点是不能实现通用化,其灵活程度不高。
(2)基于PC控制系统
基于PC的控制系统是主要由计算机(一般是工控机)完成主要的算法和码垛机器人运动路径规划以及结合运动控制器来控制电机运动,由于基于PC机,故可以可使用高级语言编程,其灵活性比较高,可完成比较复杂的控制功能,其缺点是开发周期比较长,且对开发者要求比较高。
综上所述,PLC作为一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置,具有其独特的优点。
本设计针对学校实验室的柔性制造系统中的立体仓库环节进行设计的,规模相对于工业中要小,所以选择第一种方案:
基于PLC的控制系统。
2.3.3柔性包装机的定位方案确定
柔性包装机定位控制方法很多,现就几种典型方法介绍如下:
(1)常规的限位开关定位方法
柔性包装机在运行过程中,要先确定目前的位置,然后才能根据目标信号决定控制状态。
例如:
码垛机到某一层需要停下来时,首先在接近这一层时,要先从高速状态减速,到达平层位置时,再停车准备存取货物。
因此,我们通常在每一层井道上安装三个限位开关,即上、下平层限位开关和平层限位开关。
如图2.1所示,当码垛机在上升时,首先碰到下平层限位开关,此信号送到PLC输入端,PLC向变频器发出减速信号,变频器按照预先设定的减速曲线,控制码垛机开始减速,当停下时,进入货物存取状态。
图2.1平层开关示意图
(2)认址片的定位方法
采用认址片的定位方法时,准确地认址定位是正确存取货物的关键。
认址片结构如图2.2所示,认址方法如下:
在巷道地基上相对于每列货格安装固定的认址片(挡板),在码垛机底部安装4个光电开关(GDl和GD2)与(GD3和GD4)随码垛机一起前后运动,每经过列货格,光电开关通过认址档板发出脉冲信号到PLC从而达到列认址目的。
同样,在码垛机立柱上相对于每层安装认址片,在其升降台安装光电开关(GD5和GD6)随升降台一起上下运动,达到层认址的目的。
光电开关的脉冲输入信号作为PLC内部认址计数器的计数信号,计数器的当前值作为速度控制的依据。
当码垛机到达目标货格即计数器的计数值计到零时,发出停车信号使其停止运行。
图2.2认址片结构
升降台上的光电开关又用PLC内部的计数器接收光电脉冲,升降台每经过一层,计数器减1计数,从而达到层方向认址的目的。
码垛机对其定位精度要求是比较高的,一般误差不超过2mm。
否则,由于误差的积累,在货叉存取货物时易碰到货架或发生其他事故。
但当发出停车信号后,码垛机由于惯性还会滑行一点,这样,光靠计数认址很难达到精确定位的目的。
为此我们把认址片结构做成如图2.2所示的形式。
用1号光电开关作为认址计数开关,计数到零时发出停车信号,然后再利用1号和2号开关作精确定位。
如果1号与2号开关同时有信号,说明已停准;
如果只2号开关有信号,说明己超过,点动码垛机回退,再检测比较;
如果只1号开关有信号,说明还未到中心点,点动码垛机前进,再检测比较。
这样达到准确定位的目的。
(3)采用PLC脉冲串输出与步进驱动结合的定位方法
图2.3PLC脉冲串输出与步进驱动器结合
PLC脉冲串输出与步进驱动结合使用的控制系统,具有可靠性高、可实现精确定位等优点,适合于小功率驱动系统。
西门子PLC提供有开环运动控制的三种方式:
脉宽调制(PWM)——内置于PLC里,用于速度、位置或占空比控制;
脉冲串输出(PTO)——内置于PLC里,用于速度和位置控制;
EM253位控模块——用于速度和位置控制的附加模块。
内置于西门子PLC的PTO和EM253位控模块都使用一个脉冲串输出用于步进电机或伺服电机的速度和位置控制,如图2.3。
西门子PLC对步进电机转动方向控制有四种方式,分别如图2.4所示。
图2.4PLC的输出极性和方向控制方式
由以上的介绍,我们可以看出,安装限位开关或认址片的定位方法,不仅废工废料,而且每个开关或认址片的实际安装距离,均不可避免地存在一定量的误差,使得系统的安装调试变得复杂,而且定位质量难以保证。
一旦系统要求改造,又要重新进行安装工作。
而采用PLC脉冲串输出与步进驱动器结合的定位方法,通过PLC其发出的脉冲数可以很容易地确定码垛机的当前位置,这种码垛机的位移定位方法具有定位精度高、适应性强的优点,因此,采用此方案对码垛机进行定位。
2.4本章小结
本章针对立体仓库中柔性包装机的控制系统进行了方案设计。
系统主控制器选择了在工业环境中广受欢迎的可编程控制器(PLC)。
最后,在综合比较了多种码垛机的定位方法后,并结合本设计的实际要求,选择了定位精度更高,控制方法更加灵活的定位方案——通过PLC其发出的脉冲数和步进电机驱动器结合定位的方法。
第3章柔性包装机的硬件设计选型及介绍
本章将详细分析系统中各个组成硬件的原理与特点,并根据货物存储系统的实际工作环境,选择适合本系统的设备型号以及参数,完成码垛机单元的硬件设计。
3.1电动机的计算选取
3.1.1柔性包装机的已知参数
作为整个堆垛机系统的运动速度驱动者,电动机的合适选取十分重要。
针对该立体仓库的实际工作情况,设计的堆垛机系统应当满足以下参数要求:
工作台的质量:
kg;
工件质量:
最高速度:
m/s;
加速时间:
s;
减速时间:
丝杆导程:
mm;
阻力:
N;
摩擦系数:
;
3.1.2根据已知参数对电动机的选型计算
先求加速度:
m/s
垂直方向轴向力计算:
上升加速时
N
上升匀速时
上升减速时
下降加速时
下降匀速时
下降减速时
水平运动时
通过计算分析可以清楚地发现,码垛机垂直方向的力较水平方向的力要大,因此只要按照垂直方向的上升加速时的力
计算转矩选取电动机,就可以满足其它运动对于电动机转矩的要求。
N·
m
通过表3.1可选BS57HB41-02型步进电动机
表3.1步进电机型号具体参数
型号
步距角
(°
)
保持转矩(N·
m)
额定电流(A)
相电阻
(Ω)
相电感(mH)
转子惯量(g·
mm2)
BS42HB33-01
1.8
0.16
0.95
4.2
2.5
38
BS42HB38-01
0.26
1.2
3.3
3.2
54
BS42HB47-01
0.317
2.8
68
BS57HB41-02
0.39
2.2
1.4
131
BS57HB51-03
0.72
3.0
0.74
0.9
275
3.2步进电机驱动器的介绍
图3.1YKA2404MA(B)步进电机驱动器
YKA2404MA(B)步进电机驱动器如图3.1,是一款经济、小巧的等角度恒力矩细分型高性能步进驱动器,驱动电压DC12-40V,采用单电源供电。
适配电流在4.0A以下,外径42-86mm的各种型号的二相混合式步进电机。
该驱动器内部采用双极恒流斩波方式,使电机噪音减小,电机运行更平稳;
驱动电源电压的增加使得电机的高速性能和驱动能力大为提高;
而步进脉冲停止超过100ms时,线圈电流自动减半,使驱动器的发热可减少50%,也使得电机的发热减少。
用户在脉冲频率不高的时候使用低速高细分,使步进电机运转精度提高,最高可达200细分,振动减小,噪声降低。
YKA2404MA(B)步进电机驱动器的引脚功能说明如表3.2.。
表3.2YKA2404MA(B)步进电机驱动器的引脚功能说明
标记符号
功能
注释
+
输入信号光电隔离正端
接+5V供电电源+5V~+24V均可驱动,高于+5V需接限流电阻。
PU
D2=OFF时为步进脉冲信号
下降沿有效,每当脉冲由高变低时电机走一步。
输入电阻220Ω,要求:
低电平0~0.5V,高电平4~5V,脉冲宽度>
2.5us。
D2=ON时为正向步进脉冲信号
DR
D2=OFF时为方向控制信号
用于改变电机转向。
D2=ON时为反向步进脉冲信号
MF
电机释放信号
有效(低电平)时关断电机线圈电流,驱动器停止工作,电机处于自由状态。
TM
原点输出信号
电机线圈通电位于原点置为有效(B,-A通电);
光电隔离输出(高电平)。
-
输出信号公共地
TM信号光电隔离公共地端,TM端接输出信号限流电阻,最大驱动电流50mA,最高电压50V。
+V
电源正极
DC12~40V
-V
电源负极
AC、BC
电机接线
+A、-A
+B、-B
3.3可编程控制器的选型及I/O分配
3.3.1可编程控制器的选型
在码垛机码垛过程中,需要完成对砌块的夹紧、升降及水平搬运、
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