基于PLC 的立體倉儲控制系統設計★

程 晟

（山西能源學院機電工程系， 山西 晉中 030600）

0 引言

《中國制造2025》的核心是創新驅動發展，主線是兩化融合，主攻方向是智能制造[1]。作為智能制造的重要組成部分，柔性制造強調的是滿足用工個性化需求的大規模定制。柔性制造是未來工業生產的主導模式，是將自動化生產、信息技術處理和制造加工技術結合起來，利用先進制造技術、計算機信息處理技術適應新時代的生產要求[2-3]。計算機管理的自動化立體倉庫，是柔性制造系統必不可少的關鍵環節，其管理和控制系統結構具有較高的可靠性和穩定性[4]。自動化倉庫也稱為立體倉庫，一般用作工業生產中流水線上的第一步或最后一步，重點解決搬運效率、產品管理等問題。自動化立體倉庫是物流系統的集散地，是以高層立體貨架為主體，以自動化搬運工具為基礎，以計算機技術為主要手段的高效、大容量現代化儲運設備[5]。

本文設計的立體倉庫的結構是由貨架、堆垛機和控制系統三大部分所構成，可以配合小型自動生產線，完成工件的倉儲及管理，有良好的經濟價值和使用價值。

1 立體倉儲的結構設計

立體倉儲的結構包括貨架、堆垛機兩部分。貨架結構由12 個貨架格（4×3）入貨倉庫和一個出入庫倉位組成。其中出入庫倉位中安裝有光電開關傳感器，以感應貨物是否需要出入動作。堆垛機是立體倉儲核心操作裝置，其速度、精度、穩定度與倉儲效率緊密聯系。其運動包括兩個伺服電機完成堆垛機叉貨裝置的水平（X 軸）和垂直（Z 軸）的定位運動，以及叉貨氣動裝置完成工件出入庫動作。具體結構如圖1 所示。

圖1 立體倉儲樣機示意圖

為了讓堆垛機叉貨裝置在定位平面運動中實現多點停留、無級調速等功能，選擇伺服電機帶聯軸器，連接滾珠絲杠進行傳動，以保證其精度。

下面對機電傳動的最主要部件滾珠絲杠選型的計算進行說明。

1.1 絲杠精度的選定

將傳動設計精度的要求換算成使用絲杠長度的允許誤差，確定精度等級，并根據使用條件及成本因素，選取磨制或軋制滾珠絲杠。

1.2 導程的選定

根據已知初選電機額定轉速、負載的最高運行速度以及傳動比，確定導程的選型條件。

1.3 絲杠支承方式的選定

絲杠支承方式由工作行程及最大運行速度條件確定。

1.4 絲杠外徑的選定

絲杠外徑根據軸向游隙要求以及絲杠導程，進行絲杠外徑選型。同時滿足條件可能有多種組合。要對滿足條件的組合分別進行軸向允許載荷、絲杠臨界轉速計算和校核。軸向允許載荷計算主要根據摩擦力、最大加速慣性力、重力、支承方式效率等因素確定。軸向允許載荷校核是根據不同組合絲杠的直徑、導程，計算其實際轉速，判斷是否在臨界轉速范圍。

1.5 螺母類型的選定

根據不同組合絲杠的直徑、導程，選擇螺母的型號及其額定載荷。根據其外部載荷條件下的靜安全系數，計算最小規格螺母允許的最大軸向載荷。根據往返加速、等速、減速三階段運動條件，計算平均軸向載荷，分別計算不同組合螺母的額定壽命。

2 堆垛機伺服電機的選型計算

2.1 X 軸伺服電機選型

X 軸伺服電機選型，已知負載質量M；絲杠螺距PB；絲杠直徑DB；絲杠質量MB；摩擦系數μ；負載移動速度v；機械效率η；全程位移時間t；加速行駛時間t1；減速行駛時間t3；聯軸器質量MC；聯軸器直徑DC；α為角加速度；i 為傳動比；TL為步進電機負載轉矩。

2.1.1 計算折算到X 軸伺服電機軸上的負載總慣量

折算到X 軸的負載慣量JW：

X 軸滾珠絲杠的轉動慣量JB：

X 軸聯軸器的轉動慣量JC：

負荷折算的總慣量JL：

2.1.2 X 軸伺服電機轉速的計算

X 軸電機所需的轉速n：

2.1.3 伺服電機驅動負載所需要的扭矩計算

克服摩擦力所需轉矩Tf：

重物加速時所需的轉矩TA1：

螺桿加速時所需要轉矩TA2：

聯軸器加速時所需要轉矩TA3：

加速所需的總轉矩TA：

計算瞬時的最大扭矩：

加速扭矩Ta：

勻速扭矩Tb：

減速扭矩Tc：

實效扭矩Trms：

2.2 初選伺服電機

初選伺服電機，伺服電機額定扭矩T 滿足條件為T＞Tf且T＞Trms，最大扭矩滿足條件為Tmax＞Tf+TA。初步確定伺服電機型號，查出伺服電機慣量JM。

計算折算到伺服電機軸的總負載慣量J：

計算伺服電機啟動轉矩TS：

選定安全系數S，則必需轉矩TM：

小慣量伺服電動機適合快速定位，當負荷與電機慣量比＞5 時才考慮使用減速裝置。最終決定X 軸選用小慣量伺服電動機，型號是CTSD-M14-B1012-M000，功率100 W，不帶抱閘功能。

Z 軸選型計算方法和X 軸基本相同，但要考慮垂直安裝時，若突然斷電，由于滾珠絲桿無自鎖功能，絲杠上的載物臺會在重力作用下下滑，故選用帶抱閘功能的小慣量伺服電動機，型號為CTSD-M16-B2012-M110，功率200 W。

3 叉貨氣動裝置氣壓回路的設計

實際倉儲工件質量較輕，堆垛機的出入庫動作由氣缸帶動叉貨裝置完成。叉貨氣動裝置氣壓回路（見圖2）的控制過程是從氣源出來的氣體經氣源三聯件后，通過三位五通電磁換向閥來控制叉貨裝置的運動方向，經過的節流閥控制叉貨裝置的運動速度，通過感應磁性開關對叉貨裝置進行前后限位。

圖2 叉貨裝置的氣動原理

4 立體倉儲控制系統的設計

1）確定采用西門子PLC SIMATIC S7-1200，其設計緊湊、成本低廉。具有脈沖串（PTO）控制接口的驅動，擁有4 路用于帶脈沖接口的伺服驅動，無須位置反饋，可以進行連續的PID 控制，脈沖寬度（PWM）輸出。

2）根據I/O 口分配表（見表1），需要傳感器、開關等輸入口18 個，伺服電機、電磁閥等輸出口11 個，按照20%的余量考慮，確定CPU1214C 具體型號。

表1 PLC 的I/O 口分配

3）自動化倉庫管理系統控制的處理流程，分為主程序控制流程（見圖3）和叉貨裝置動作流程（見圖4）。主程序控制流程是利用傳感器、開關信號對出入庫狀態進行判別，通過控制X 軸、Z 軸伺服電機的使能、脈沖、方向信號，對叉貨裝置的水平和垂直的運動進行控制。叉貨裝置動作流程是根據出入庫要求，對氣壓杠的伸出、縮回動作進行控制，微調Z 軸，保證工件順利完成出入庫動作。根據流程編寫T 形圖，最后對系統進行了仿真和調試。

圖3 主程序控制流程

圖4 叉貨裝置入庫、出庫流程

5 結語

自動化立體倉庫是柔性制造系統的重要組成部分，研究和開發自動化立體倉庫，對于推動柔性制造系統的發展和實用化進程具有重要意義[6]。提高出入庫效率和定位精度，利于節省成本，創造經濟效益，推動制造業和服務業融合成長。