柔性制造系統碼垛機單元的設計與仿真（全套）2012本科畢業設計
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- 摘 要
柔性制造系統（FMS）是集成了自動控制技術、人工智能、計算機語言編程組態監控等現代化技術的生產設備。
目前實踐教學作為教學過程中的一個環節，是工科院校培養跨世紀創造性人才必不可少的。為配合卓越工程師試點工作中的課程改革，結合教學研究任務，本設計針對學校實驗室的柔性制造系統中的立體倉庫環節進行實驗前期準備工作。
本設計主要由三層12倉位的立體倉庫和四自由度碼垛機械手兩部分組成。其中碼垛機械手由機械傳動部分和電氣控制兩部分組成，電氣控制是由西門子S7-200 CPU224XP型可編程控制器(PLC)、步進電機驅動器、開關電源、位置傳感器等器件組成。
在設計過程中，不斷參閱相關電氣設計規范的資料，參照現有的碼垛機的工作模式及控制方法，最終完成PLC為控制核心的碼垛單元的PLC控制系統設計，并應用組態軟件制作監控仿真界面。
關鍵詞：柔性制造系統；碼垛機；立體倉庫；PLC；組態
ABSTRACT
A Flexible manufacturing systems (FMS) is the production equipment, which integrates the automatic control technology, artificial intelligence, computer programming language configuration and monitoring modern technology.
The current practice of teaching as teaching process of a part is the training of cross century creative talents in Colleges of engineering is essential. As with outstanding engineer pilot work in the curriculum reform, combined with teaching and research tasks, the design for the school laboratory in the flexible manufacturing system of stereoscopic warehouse links in experimental preparations.
This system is mainly composed of three layers of 12 positions of the warehouse and four degrees of freedom palletizing manipulator. The palletizing manipulator is composed of a mechanical drive and an electric control. The electrical control is formed by Siemens S7-200 CPU224XP programmable logic controller (PLC), stepper motor drive power modules, switching power supply, sensors and other devices.
During the design process, the author refers a lot of the materials concerning the electrical design specification, refer to the existing palletizer work mode and control method, finally completed the PLC as control core Palletizing unit PLC control system design, and the application of configuration software production control simulation interface.
Key words: Flexible manufacturing systems; Palletizer; Stereoscopic warehouse; PLC; Configuration
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 碼垛機的概述 1
1.2.1 碼垛機在國外的研究現狀 1
1.2.2 碼垛機在國內的研究現狀 2
1.2.3 碼垛機的發展趨勢 3
1.3 課題的主要研究內容 3
第2章 碼垛機的總體方案設計 4
2.1 碼垛機的總體框圖 4
2.2 碼垛機的結構組成 5
2.3 碼垛機的控制方案 6
2.3.1 碼垛機的控制功能要求 6
2.3.2 碼垛機的控制方案確定 6
2.3.3 碼垛機的定位方案確定 7
2.4 本章小結 9
第3章 碼垛機的硬件設計選型及介紹 10
3.1 電動機的計算選取 10
3.1.1 碼垛機的已知參數 10
3.1.2 根據已知參數對電動機的選型計算 10
3.2 步進電機驅動器的介紹 11
3.3 可編程控制器的選型及I/O分配 13
3.3.1 可編程控制器的選型 13
3.3.2 可編程控制器的I/O分配 13
3.4 導軌的形式介紹 14
3.5 滾珠絲杠的介紹 15
3.6 本章小結 15
第4章 碼垛機的軟件設計 16
4.1 編程軟件介紹及使用 16
4.2 碼垛機的PLC程序設計 18
4.2.1 碼垛機的工作流程 18
4.2.2 碼垛機的軟件設計 20
4.3 本章小結 37
第5章 組態王仿真畫面的設計 38
5.1 組態王監控軟件介紹 38
5.2 組態王監控軟件仿真設計 38
5.2.1 建立組態軟件與PLC之間的通訊連接 39
5.2.2 組態畫面及監控元素的設計 40
5.3 本章小結 45
結論 46
參考文獻 47
致謝 49
附錄 50
第1章 緒 論
1.1 課題背景
碼垛機是自動化倉庫的主要搬運碼垛設備，而立體倉庫的產生和發展是現代物流體系的要求和信息技術進步的結果，它是在不直接進行人工干預的情況下自動地存儲和取出物流的系統，替代了人工搬運碼垛，只需定位抓起點和擺放點，兩點之間的軌道全由電腦控制，兩點直線運動，定位十分準確。自動化立體倉庫碼垛機是現代工業社會發展的高科技產物，可全天候作業，配備機械手可替代不少工人的工作量，由此每年能節省幾十萬的人力資源成本，達到減員增效的目的。生產上能迅速提高公司的生產效率和產量，同時還能減少人工搬運造成的出錯。對提高生產率、降低成本有著重要意義。
機械手碼垛機是目前占地最小、效率最高、適應能力最強的碼垛機。碼垛機械手適應于化工、飲料、食品、啤酒、塑料、空調行業等生產企業，對各種紙箱、袋裝、罐裝、啤酒箱、瓶裝等各種形狀的包裝成品都適應。
目前實踐教學作為教學過程中的一個環節，是工科院校培養跨世紀創造性人才必不可少的。為配合卓越工程師試點工作中的課程改革，結合教學研究任務，本設計針對學校實驗室的柔性制造系統中的立體倉庫環節進行實驗前期準備工作。以PLC為控制核心設計碼垛單元的PLC控制系統，并應用組態軟件制作監控仿真界面。
1.2 碼垛機的概述
1.2.1 碼垛機在國外的研究現狀
碼垛機是隨著大型物流配送中心和自動化立體倉庫的發展起來的，物流這一概念是在20世紀50年代首先在美國形成的，立體倉庫的產生和發展是現代物流體系發展的要求和信息技術進步的結果。
初期的立體倉庫使用的碼垛機以橋式起重機為基礎，這種碼垛機是從起重機的大梁上懸掛一個門架（立柱），利用門架的上下和旋轉來搬運貨物。1960年左右在美國出現了巷道式碼垛機，這種堆垛機是在地面的導軌上行走，利用貨架上部的導軌防止傾倒，或者是在上部導軌上行走，利用地面導軌防止傾倒。在立體倉庫碼垛機的研發和使用方面，日本始終走在前列，1967年安裝了10～15米的高層碼垛機，1969年出現的聯機全自動化倉庫，特別是1973年建成了一座儲藏生鮮食物的冷藏庫，這是世界上第一座-40℃的極低溫倉庫，解決條件下碼垛機的可靠性和技術方面的問題，取得了引人矚目的成就。巷道式碼垛機逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式碼垛機。
據不完全統計，美國擁有各種類型的自動化立體倉庫20000多座，日本有38000多座，德國有10000多座，英國有4000多座，前蘇聯有1500多座。
1.2.2 碼垛機在國內的研究現狀
我國第一臺橋式堆垛起重機于1963年由北京起重運輸機械研究所研制，在20世紀70年代初期開始，我國石油化工企業先后從日本、西德和意大利等國家引進了幾十臺碼垛機。其中除了從西德繆勒斯（MOLLERS）公司和意大利OCME公司引進幾臺外，其余大部分碼垛機均是從日本OKURA公司和不二公司進口的。到80年代初期，我國一些企業和科研單位，在消化、吸收引進技術的基礎上，相繼設計、研制出幾種不同類型的碼垛機，并用于聚乙烯、聚丙烯、化肥等粉粒產品包裝碼垛生產線上，為碼垛機的國產化開創了良好的開端。當時主要生產廠家有宜昌地區機械廠、常州化工機械廠、哈爾濱工業大學機器人研究所和沈陽運輸機械廠等單位。從80年代初期開始，我國一些科研生產單位即著手設計研制輥道式碼垛機。當時主要以仿型為主，即按國外同類型碼垛機的型式，并結合國內的制造水平進行設計研究的，為國產碼垛機奠定了雛形。到80年代中期，我國一些科研、設計和生產單位，開始設計研制氣墊式碼垛機。這種機型仍以仿型為主。該機型具有結構較緊湊、自動化水平高，運行動作靈活、成垛性能好、外形比較美觀等特點。但這種機型與國外同類先進水平相比，仍有一定的差距。80年代后期，我國一些科研單位設計研制出一種機器人全自動碼垛機。該機是在輥道式碼垛機的基礎上，通過高架機械手進行碼垛作業的一種機型。其處理能力為600~800袋/時。
哈工大機械人研究所于1988年研制的包裝碼垛生產線，從1992年6月安裝在大慶石化總公司投產運行后，經過二年半的生產使用，證明運行情況良好，深得用戶好評。該所在此基礎上，又以國外最新產品性能為目標，開發生產了一套第二代自動包裝碼垛生產線，并且于94年10月安裝在齊魯石化總公司投產運行；還計劃再上二套碼垛生產線。同年11月又在天津聯合化學有限公司安裝了二套自動化包裝碼垛生產線。此后，自動化物流的開發與應用得到了很大發展。據不完全統計，截止到2006年底，全國自動化立體庫的保有量已超過500座。2006年建設的自動化立體庫在80座以上，主要集中在機械制造、汽車、煙草、食品加工、服裝生產、醫藥生產及流通等行業，與2005年相比，整個市場有了很大發展。
1.2.3 碼垛機的發展趨勢
縱觀世界各國碼垛機的發展的現狀，對今后的動向，可歸納如下：
(1) 重視“三化”，逐步采用國際標準。所謂“三化”，是指碼垛機的標準化、系列化和通用化。貫徹“三化”可以縮短設計周期，保證產品制造質量，便于管理和提高經濟效益。世界上許多國家，不僅重視產品的“三化”工作，而且非常注意采用國際標準（ISO）。有的國家甚至廢除本國標準而直接采用國際標準，其目的是為了促進商品的國際交流。...
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