畢業(yè)設(shè)計(jì)13PLC控制的小型自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 0 PLC 控制的小型自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備 指導(dǎo)老師： 洪曉華 設(shè) 計(jì)： 孫忠凱 班 級(jí)： 06 機(jī)電（獨(dú)本） 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 1 摘 要 現(xiàn)代物流管理作為一種先進(jìn)的組織方式和管理技術(shù)，可以滿足消費(fèi)者日益多樣化、個(gè)性化和多變的需求，在提高消費(fèi)者滿意度的同時(shí)削減各種經(jīng)營(yíng)成本，因而越來越成為企業(yè)提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要戰(zhàn)略組成部分 8。自動(dòng)化倉庫則是物流系統(tǒng)的樞紐和核心，它與企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)相集成，形成企業(yè)完整的合理物流系統(tǒng)。它采用高層貨架存放貨物，以自動(dòng)化的倉儲(chǔ)設(shè)備 為主，并結(jié)合出入庫周邊設(shè)備來進(jìn)行作業(yè)，具有很高的空間利用率和出入庫能力。作為自動(dòng)化倉庫中最基本的機(jī)械設(shè)備，自動(dòng)化的倉儲(chǔ)設(shè)備具有沿空間三坐標(biāo)方向的機(jī)構(gòu)，可以在操作人員的命令下對(duì)指定貨位進(jìn)行存、取及移位作業(yè)。本文設(shè)計(jì)了一種小型自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備，可用于實(shí)驗(yàn)室和圖書館等小型倉儲(chǔ)系統(tǒng)。它采用可編程控制器 PLC（ Programmable Logical Controller）作為控制計(jì)算機(jī)，鏈傳動(dòng)和滾珠絲杠作為傳動(dòng)形式，步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在接到操作員的指令后，自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)，并具有位置控制、速度控制、方 向判斷功能及安全保護(hù)功能等功能。 關(guān)鍵詞 ： 自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備 編程控制器 PLC 步進(jìn)電機(jī) 鏈傳動(dòng) 滾珠絲杠 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 2 ABSTRACT As one of the advanced organization systems and managing means, modern logistics could satisfy the demand of customers diversity and personality, and reduce various operation costs to the minimum at the same time of satisfying customers better. Therefore, its more and more becoming one of the strategies that can prove the core capability of enterprises competition. AS/RS (Automated Storage & Retrieval System) is the key to the logistic system. It composes enterprises reasonable logistic system by integrating with enterprises manufacturing system. It stores goods in high shelves and has a high rate of space using and high capability of delivering mainly by storage set and some other sets outside. Storage set is the basic set in AS/RS and can move in 3 directions. It has the functions of storing and fetching goods and changing their positions. This paper designs an undersize storage set that can be used in undersize storeroom such as laboratories and libraries. Its controlled by PLC (Programmable Logical Controller) and droved by step-motor. It works automatically under the operators control and has the functions of velocity control, position control, direction verdict and self-protecting. Keywords： Storage set PLC Step-motor Chain gearing Helix gearing 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 3 目 錄 1 緒論 1 1.1 設(shè)計(jì)的目的和意義 1 1.2 當(dāng)前相關(guān)技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r 2 2 總體設(shè)計(jì)方案論證 2.1 技術(shù)要求 2.2 結(jié)構(gòu)形式的選擇 2.3 傳動(dòng)方案的選擇 2.4 導(dǎo)向支乘部件的選擇 2.5 控制電機(jī)的選用 2.6 機(jī)架結(jié)構(gòu)及各部件的布置 2.7 自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備的基本結(jié)構(gòu) 2.8 小結(jié) 3 z 向機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì) 3.1 z 向機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) 3.2 滾珠絲杠副的選用 3.3 導(dǎo)軌的相關(guān)計(jì)算 3.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算 3.5 聯(lián)軸器的選用 3.6 小結(jié) 4 y 向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4.1 滾子鏈的選用 4.2 鏈輪設(shè)計(jì) 4.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算 4.4 減速器的設(shè)計(jì) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 4 4.5 車輪軌道的設(shè)計(jì) 4.6 提升配重質(zhì)量的選取 4.7 小結(jié) 5 x 向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5.1 滾子鏈的選用 5.2 車輪軌道的設(shè)計(jì) 5.3 其它零部件的選擇 5.4 小結(jié) 6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.1 控制系統(tǒng)方案確定 6.2 控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 6.3 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.4 小結(jié) 7 結(jié)論 致謝 參考文獻(xiàn) 附錄 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 5 1 . 緒 論 1.1 設(shè)計(jì)的目的和意義 早在 20 世紀(jì) 60 年代，物流管理就被管理大師彼得杜拉克（ Peter Drucker）稱為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的“黑暗大陸”，是“降低成本的最后邊緣” 8，是繼降低資源消耗和提高勞動(dòng)率之后的第三利潤(rùn)源泉。為了滿足消費(fèi)者日益多樣化、高度化和多變的需求，在提高消費(fèi)者滿意度的同時(shí)削減各種經(jīng)營(yíng)成本，在很多生產(chǎn)企業(yè)，現(xiàn)代物流作為一種先進(jìn)的組織方式和管理技術(shù)，已經(jīng)成為企業(yè)提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要戰(zhàn)略組成部分。 現(xiàn)代物流是指在一定的時(shí)間和空間里，由所需輸送的物料和包括倉儲(chǔ)設(shè)施、輸送工具、人員通訊聯(lián)系以及資源規(guī)劃、調(diào) 度等若干相互制約的動(dòng)態(tài)要素構(gòu)成的具有特定功能的有機(jī)整體，主要由自動(dòng)存儲(chǔ)、輸送、分揀及電控、計(jì)算機(jī)管理等子系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)電子商務(wù)對(duì)物流提出的準(zhǔn)確、快速、集成、低成本、個(gè)性化、小批量的要求?，F(xiàn)代物流具有全球化、信息化、自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、敏捷化、綠色化等諸多優(yōu)點(diǎn)，其中自動(dòng)化是現(xiàn)代物流的基本表現(xiàn)，它涵蓋自動(dòng)化物流的技術(shù)特性，其基礎(chǔ)是信息化，核心是機(jī)電一體化，外在表現(xiàn)是無人化，效果是自動(dòng)化。 隨著諸如信息化、自動(dòng)化等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大的推動(dòng)了現(xiàn)代物流的發(fā)展。信息技術(shù)的使用使企業(yè)可以及時(shí)捕捉信 息，選擇商機(jī)，占領(lǐng)市場(chǎng)，使原料供應(yīng)到商品達(dá)到最終客戶的全部物流過程成為一個(gè)透明的“管道”；自動(dòng)化技術(shù)在代替物流環(huán)節(jié)手工操作的同時(shí)，可以縮短物流流通時(shí)間，節(jié)約倉儲(chǔ)費(fèi)用，保證及時(shí)供貨。 自動(dòng)化技術(shù)在物流領(lǐng)域最重要的應(yīng)用是自動(dòng)化倉庫 AS/RS（ Automated Storage & Retrieval System）。它采用高層貨架存放貨物，以巷道堆垛起重機(jī)為主，并結(jié)合出入庫周邊設(shè)備來進(jìn)行作業(yè)，具有很高的空間利用率和出中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 6 入庫能力。自動(dòng)化倉庫應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制管理，可以及時(shí)匯總計(jì)算機(jī)之間、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)之間、機(jī)械設(shè)備的控制器 之間的信息。管理人員可以及時(shí)掌握產(chǎn)品供應(yīng)及需求信息，做出及時(shí)的供貨決策。 自動(dòng)化倉庫是物流系統(tǒng)的樞紐和核心，它主要有高層貨架、托盤、巷道堆垛機(jī)、運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)引小車、自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。自動(dòng)化倉庫與企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)集成，形成企業(yè)完整的合理物流體系。自動(dòng)化倉庫在制造自動(dòng)化系統(tǒng)中，占有非常重要的地位，以它為中心形成了毛坯、半成品、配套件或成品的自動(dòng)存儲(chǔ)和自動(dòng)檢索。國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：以自動(dòng)化倉庫為中心的物流管理自動(dòng)化，在實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)化管理、加速資金周轉(zhuǎn)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約庫存的占地面積、提高廠房 空間的利用率、保證生產(chǎn)均衡諸方面能帶來巨大的效益。 自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備 堆垛起升機(jī)是自動(dòng)化倉庫中最基本的機(jī)械，操作人員根據(jù)工作要求通過它對(duì)指定貨位進(jìn)行貨物的存、取及移位作業(yè)，它能執(zhí)行水平運(yùn)動(dòng)（運(yùn)行），載貨臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)（起升）及貨叉伸縮運(yùn)動(dòng)（伸叉）以完成作業(yè)任務(wù)。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)小型自動(dòng)化倉庫倉儲(chǔ)設(shè)備，可用于實(shí)驗(yàn)室和圖書館等小型自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)的貨物倉儲(chǔ)作業(yè)。倉儲(chǔ)設(shè)備采用管理級(jí)計(jì)算機(jī) PC（ Personal Computer）與可編程控制器 PLC（ Programmable Logical Controller）兩級(jí)控制，操作人員通過管理級(jí)計(jì)算機(jī)輸入任務(wù)和命令。自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備按任務(wù)完成各種動(dòng)作，且應(yīng)具有位置控制、速度控制、方向判斷以及安全與保護(hù)等功能。 1.2 當(dāng)前相關(guān)技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r 自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備是自動(dòng)化倉庫中最基本的機(jī)械設(shè)備，用于貨物的存、取及移位作業(yè)，具有沿空間三坐標(biāo)方向移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。這種沿空間三坐標(biāo)方向移動(dòng)的機(jī)構(gòu)是一種較為通用的機(jī)構(gòu)，如常見的數(shù)控系統(tǒng)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 7 及直角坐標(biāo)系機(jī)器人中均有類似機(jī)構(gòu)。 在數(shù)控系統(tǒng)中，主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另外兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)縱橫工作臺(tái)即 X Y 工作臺(tái)。 X Y 工作 臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)如圖（ 1-1）所示，它由縱向工作臺(tái)、橫向工作臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、聯(lián)軸器等組成，將其 圖（ 1-1） 中一個(gè)工作臺(tái)安裝于另一個(gè)工作臺(tái)之上便構(gòu)成了具有 x、 y 兩坐標(biāo)向移動(dòng)的工作臺(tái)。若在 X Y 工作臺(tái)上追加一個(gè)第三方向的工作臺(tái)便可構(gòu)成具有三坐標(biāo)方向移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一個(gè)具有一定測(cè)量范圍和較高精度的具有三坐標(biāo)方向移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)為小型封閉式龍門框架活動(dòng)橋，三向均采用氣浮導(dǎo)軌，高精度光桿斜輪傳動(dòng)。光桿斜輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是斜輪與光桿之間無間隙，傳動(dòng)精度高；無需消隙機(jī)構(gòu)，體積小；運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無噪聲。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 8 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化倉庫中的堆垛起升設(shè)備按結(jié)構(gòu)形式分為單立柱和雙立柱兩種基本形式，按服務(wù)方式則分為直通、彎道和轉(zhuǎn)移車三種基本形式，多工作于高度在 5 10m 的中大型立體倉庫中，最大行走速度約為70m/min，最大升降速度約為 10m/min，最大伸叉速度約為 30m/min，可按自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)方式運(yùn)行。利用托盤可以自由的存放箱裝、罐裝、散裝、袋裝等物品。為易于檢修，驅(qū)動(dòng)部分的安全蓋采用可拆裝方式，且行走和升降電動(dòng)機(jī)設(shè)置在側(cè)支架的下部。運(yùn)行機(jī)構(gòu)使堆垛機(jī)在水平方向上移動(dòng)，通常采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪的形式；起升機(jī)構(gòu)使載 貨臺(tái)連同貨叉伸縮機(jī)構(gòu)在垂直方向上移動(dòng)，與運(yùn)行機(jī)構(gòu)相比，其傳動(dòng)裝置功率較大，而速度較低，通常采用卷筒驅(qū)動(dòng)鋼絲繩，也有用鏈輪鏈條傳動(dòng)的，鋼絲繩牽引方式的起升機(jī)構(gòu)一般裝在機(jī)架下部，鏈條牽引方式的起升機(jī)構(gòu)一般裝在機(jī)架上部；貨叉伸縮機(jī)構(gòu)使貨叉連同裝載在貨叉托盤向兩側(cè)伸出，通常采用三節(jié)伸縮式。采用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)并輔以檢測(cè)和安全裝置以準(zhǔn)確、安全的完成作業(yè)任務(wù)。 2. 總體設(shè)計(jì)方案論證 2.1 技術(shù)要求 對(duì)小型自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)要求為： 1具有沿空間三坐標(biāo)方向的移動(dòng)； 2貨叉在水平方向移動(dòng)范圍約 2000mm； 3貨叉在垂直方向移動(dòng)范圍約 2000mm； 4貨叉伸縮范圍約 500mm； 5末端夾持貨物最大質(zhì)量 10kg； 6可編程控制器 PLC 控制； 7具有安全保護(hù)及速度控制等功能； 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 9 8外形美觀，工作穩(wěn)定可靠。 2.2 結(jié)構(gòu)形式的選擇 小型立體倉庫堆垛設(shè)備采用直角坐標(biāo)形式，即末端位置是由水平坐標(biāo)、垂直坐標(biāo)以及第三坐標(biāo)方向上的移動(dòng)來決定。現(xiàn)設(shè)水平坐標(biāo)為 x 坐標(biāo)，垂直坐標(biāo)為 y 坐標(biāo)，第三方向坐標(biāo)為 z 坐標(biāo)。 對(duì)于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)，直角坐標(biāo)有兩種形式可以采用，其區(qū)別在于將 x 坐標(biāo)或 y 坐標(biāo)固定以作為機(jī)架，形式如圖 2-1（ a）、（ b）。 對(duì)于圖 2-1（ a）中形式， y 坐標(biāo)固定為機(jī)架， x 坐標(biāo)和 z 坐標(biāo)隨 y 坐標(biāo)整體移動(dòng)。若采用這種形式，在運(yùn)動(dòng)時(shí)， x 坐標(biāo)的電機(jī)及機(jī)械部分等無效負(fù)載也跟隨運(yùn)動(dòng)，它們的重力增加了 y 坐標(biāo)的電機(jī)負(fù)荷。對(duì)于圖 2-1（ b）中形式， x 坐標(biāo)固定為機(jī)架， y 坐標(biāo)和 z 坐標(biāo)隨 x 坐標(biāo)整體移動(dòng)。若采用這種形式， y 坐標(biāo)的電機(jī)及機(jī)械部分的重力卻不會(huì)增加 x 坐標(biāo)的電機(jī)的負(fù)荷，但 y 坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)范圍應(yīng)用框架保護(hù)起來以增加安全系數(shù)。 綜合分析設(shè)計(jì)目標(biāo)及系統(tǒng)的工作環(huán)境，圖 2-1（ b）中的方案較合適，故系統(tǒng)采用此種方案。 圖 2-1 （ a） x y z （ b） x y z 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 10 2.3 傳動(dòng)方案的選擇 系統(tǒng)的 x、 y、 z 三坐標(biāo)均采用直線傳動(dòng)形式。常用的直線傳動(dòng)形式有滾子鏈傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、卷筒鋼絲繩傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)等形式。對(duì)于小型自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備的三坐標(biāo)方向直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)，一種較為簡(jiǎn)單的方案是在 X Y 工作臺(tái)上追加一個(gè)沿空間三坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)在三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)均采用滾珠絲杠作為傳動(dòng) 裝置，該方案的優(yōu)點(diǎn)是重復(fù)定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，可直接與步進(jìn)電機(jī)連接，采用開環(huán)或半閉環(huán)控制即可達(dá)到較高的定位精度。但根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，在選用滾珠絲杠時(shí)，滾珠絲杠副的公稱直徑應(yīng)不小于絲杠工作長(zhǎng)度的 1/30。而本系統(tǒng)的 x 向及 y 向的工作長(zhǎng)度約 2000mm，若在 x 向及 y 向使用滾珠絲杠傳動(dòng)，將不得不選用較大直徑的滾珠絲杠副，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本較高且自重較大。故系統(tǒng) x 向及 y向不適宜采用滾珠絲杠傳動(dòng)，而只在工作長(zhǎng)度較短的 z 向采用滾珠絲杠傳動(dòng)。 由于 x 向及 y 向工作長(zhǎng)度較大，可采用同步帶傳動(dòng)或滾子鏈傳動(dòng)。在本系統(tǒng)中采用滾子鏈傳動(dòng)相對(duì)于 同步帶傳動(dòng)有如下優(yōu)點(diǎn)： 1 鏈傳動(dòng)的預(yù)緊力比帶傳動(dòng)小得多，因而減輕了施加在軸和軸承上的力，減少了軸承摩擦損失，在低速傳動(dòng)時(shí)這一優(yōu)點(diǎn)更加突出； 2 在傳遞相同功率的情況下，鏈條比傳動(dòng)帶要窄些，鏈輪直徑也比帶輪要小些，所以鏈傳動(dòng)尺寸要比帶傳動(dòng)尺寸緊湊些； 3 鏈條可以在連接處拆開，容易安裝和拆卸。而傳動(dòng)帶一般是制成無端的，它要越過帶輪的擋圈才能套進(jìn)去，安裝比較困難； 4 鏈條由金屬制成，能在惡劣的環(huán)境下工作； 5 鏈條工作期間的磨損伸長(zhǎng)比帶拉伸變形伸長(zhǎng)慢，并且伸長(zhǎng)量可以設(shè)法控制在一個(gè)節(jié)距范圍內(nèi)，因此不必像帶傳動(dòng)那樣頻繁調(diào)整中心距。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 11 綜合考慮系統(tǒng)對(duì)于傳動(dòng)精度壽命等各方面因素，在 x 向及 y 向上采用滾子鏈傳動(dòng)，但在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)鏈傳動(dòng)的松弛及潤(rùn)滑問題加以考慮。 2.4 導(dǎo)向支承部件的選擇 系統(tǒng)的導(dǎo)向支乘部件主要是對(duì)三個(gè)坐標(biāo)方向上的運(yùn)動(dòng)部件加以限制，保證運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和規(guī)定完成運(yùn)動(dòng)。 常用導(dǎo)軌有滾動(dòng)導(dǎo)軌和滑動(dòng)導(dǎo)軌?；瑒?dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，可承受較大載荷，維護(hù)方便，但摩擦系數(shù)大，啟動(dòng)阻力大，在低速運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小，運(yùn)動(dòng)靈活，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動(dòng)阻力小，不易產(chǎn)生爬行，可以預(yù)緊，剛度高，壽命長(zhǎng)，缺點(diǎn)是導(dǎo)軌面與滾動(dòng)體是點(diǎn)接觸或線接觸，所以抗振性差，接觸應(yīng)力大，對(duì)臟物敏感，必須有良好的防護(hù)裝置，成本較高。 從以上比較可以看出，滾動(dòng)導(dǎo)軌的抗振性差，接觸應(yīng)力大，對(duì)導(dǎo)軌表面硬度、表面形狀精度和滾動(dòng)體的尺寸精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雖可外購，仍存在成本較高及維護(hù)不便等缺點(diǎn)，因而根據(jù)系統(tǒng)對(duì)于精度等方面的要求，不采用滾動(dòng)導(dǎo)軌。 常用滑動(dòng)導(dǎo)軌副按截面形狀分有三角形導(dǎo)軌，矩形導(dǎo)軌，燕尾形導(dǎo)軌和圓形導(dǎo)軌等。其中圓形導(dǎo)軌制造方便，經(jīng)外圓磨削，內(nèi)孔珩磨后可達(dá)精密配合，采用閉式圓柱面導(dǎo)軌則既可保證較高的方向精度又可承受一定的載荷，若對(duì)動(dòng)導(dǎo)軌面附以塑料涂層，則可使摩擦系數(shù)大大降低。由于系統(tǒng)的 z 向傳動(dòng)屬于低速輕載，故向可采用閉式圓柱導(dǎo)軌副。 對(duì)于系統(tǒng)的 x 向和 y 向，其工作長(zhǎng)度較大（約 2000mm），若采用常規(guī)導(dǎo)軌，無論是滾動(dòng)導(dǎo)軌或滑動(dòng)導(dǎo)軌都存在著制造或選購困難，成本高等問題?？紤]到系統(tǒng)對(duì)于定位精度要求并不高，故在 x 向及 y 向并不采用常規(guī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的滾動(dòng)或滑動(dòng)導(dǎo)軌，而是參考大型立體化倉庫中的堆垛設(shè)備的結(jié)構(gòu)，在這兩個(gè)方向上采用車輪軌道作為導(dǎo)向支乘部件。車輪軌道作為導(dǎo)向支乘中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 12 部件雖然導(dǎo)向精度不高，但動(dòng)、靜摩擦力基本相同，啟動(dòng)阻力小，壽命高，維護(hù)方便，軌道可采用槽鋼、 T 型鋼或 H 型鋼，外購方便，車輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便。 2.5 控制電機(jī)的選用 常用控制電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。其中直流伺服電機(jī)與交流伺服電機(jī)相比，速度較低，體積較大，同時(shí)價(jià)格相差不大，且電刷和整流子維修不方便，方案可用性差，故對(duì)于控制電機(jī)的選用，僅對(duì)交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)加以比較。 交流伺服電機(jī)體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，高速性能較好，精度高，有較強(qiáng)的超載能力；步進(jìn)電機(jī)可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速，容易實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，沒有積累誤差，但過載容易失步，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，不須 反饋，開環(huán)即可達(dá)到較高精度，且價(jià)格較低。 本小型立體倉庫堆垛機(jī)設(shè)備的電機(jī)啟停頻率較低，但要求低速平穩(wěn)，扭矩脈動(dòng)小，高速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)?？紤]到以上要求和系統(tǒng)的簡(jiǎn)便性， x 向、 y 向和 z 向控制電機(jī)均采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)可直接與 PLC 控制器相連，使控制系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化并可靠的獲得較高的位置精度。 系統(tǒng)的 x 向驅(qū)動(dòng)行走和 z 向驅(qū)動(dòng)伸縮所需功率較小，采用步進(jìn)電機(jī)和減速器即可滿足功率要求，對(duì)于 y 向的驅(qū)動(dòng)，由于要帶動(dòng) z 向機(jī)構(gòu)整體的升降，與運(yùn)行機(jī)構(gòu)相比，其傳動(dòng)功率較大，為了減小提升功率，可以配置平 衡重塊，以使步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率滿足要求。 此外，由于步進(jìn)電機(jī)在斷電后仍有一定的保持轉(zhuǎn)矩，故可以保證 y 向提升驅(qū)動(dòng)在斷電后不致落下，從而節(jié)省了專門的制動(dòng)裝置。 2.6 機(jī)架結(jié)構(gòu)及各部件的布置 2.6.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)形式的選擇 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2008 屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 13 根據(jù)系統(tǒng)的功能和主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，參照現(xiàn)場(chǎng)中已有的結(jié)構(gòu)形式，本系統(tǒng)可采用梁式或框架式。 梁式機(jī)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，重量輕，但由于整體剛度較低，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)，穩(wěn)定性較差，且 y 方向的車輪軌道無法安裝?？蚣苁浇Y(jié)構(gòu)整體剛度、穩(wěn)定性和抗振性能均較好，且可以將 y 向的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)容納其中，減小由于 z 向機(jī) 構(gòu)伸出而施加于車輪軌道上的傾覆力矩。 綜上分析，系統(tǒng)的機(jī)架采用框式機(jī)架。但在設(shè)計(jì)時(shí)仍應(yīng)考慮 z 向機(jī)構(gòu)本身質(zhì)量及末端夾持物體質(zhì)量所產(chǎn)生傾覆力矩對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。 對(duì)于系統(tǒng)軌道的布置， y 向軌道布置在 z 向整體機(jī)構(gòu)兩側(cè)即可，但對(duì) x向軌道的布置，為防止由于 z 向的機(jī)構(gòu)本身質(zhì)量和夾持物體質(zhì)量使整體發(fā)生傾覆，有以下兩種方案可供選擇： 一種方案是在機(jī)架下方或上方布置雙槽鋼或雙 T 型鋼導(dǎo)軌，采用單輪緣或雙輪緣車輪，車輪僅靠重力壓在導(dǎo)軌上。采用這種方案， z 向產(chǎn)生的傾覆力矩靠系統(tǒng)機(jī)械本體的自身重量加以平衡，車輪僅在底面承受 載荷，因而也只在車輪底面產(chǎn)生摩擦力，運(yùn)行阻力小，但對(duì)兩軌道間的跨距以及機(jī)械本體的質(zhì)量有要求，即兩軌道間的跨距和機(jī)械本體的質(zhì)量均不能太小。 另一種方案是在機(jī)架上方或下方布置雙 H 型鋼導(dǎo)軌，單輪緣車輪，車輪被 H 型鋼的兩側(cè)板約束而平衡由于 z 向伸出而產(chǎn)生的傾覆力矩。采用此種方案，車輪的踏面有兩處受力，因此在運(yùn)行時(shí)所受摩擦力要大于前一方案。但此種方案