基于PLC的厢式货物自动装车系统的设计.pdf

基于P L C 的厢式货物 自动装车系统的设计 The des i gn of au t om a t i c l oadi ng s ys t em f or bo x- t y pe car go based on PLC 韩以伦，丁道山，李梅，邱鹏程，朱倩 HAN Y．_ l u n ，DI NG Da o - s h a n ，L I Me i ，QI U P e n g ． c h en g。ZHU Qi a n ， 山东科技大学 交通学院，青岛 2 6 6 5 1 0 摘 要针对箱式货物传统的人工装车方法存在严重的耗费人力和时间等问题，设计了基于P L C 的厢式 货物自动装车系统。该系统为一套机电液一体化设备，采用三菱F X 2 N 一3 2 MR 一0 0 1 系 IJ P L C 作 为系统的控制主机 ，设计了控制精确、操作简单的货物输送系统和龙门式输送机，结合先进 的控制理论。该系统能够省时、省力、高效的完成箱式货物的自动装车任务。 关键词厢式货物；自动；装车；P L C；高效 中图分类号T H I 2 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 5 0 6 上 一 0 1 0 9 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． 0 6 t -- ． 3 3 0 引言 目前物流运输行业 日渐繁荣，对人力及效率的要求 日益提高。然而 ，我们发现许多厂家，在厢式货物外运 装车时存在较大弊端 。像海尔、澳柯玛、格兰仕等这样 的电器厂家及食品和药品厂家，每天都会运出大量的箱 式货物。以某海尔工业园装车为例，装车时叉车先将需 要装车 的冰箱、空调等箱式货物运到装货站台，然后 由 工人搬运到停靠在站台的货车上；装车过程需要体格较 好的装车工3 人左右，配合作业叉车 1 ～2 辆，装车时间 约6 小时以上 ，大大限制 了货物的出货速度 ，造成货物 积压；另一方面 ，装车现场繁杂，劳动强度较大，容易 出事故 。因此设计 了一套箱式货物辅助装车设备来解决 这个 问题 。 本课题所 设计的是一套机 电液一体化综合性十 分 强的设备，在机械结构设计方面主要运用S o l i d wo r k s 三 维软件进行结构设计 ，确保其结构合理、轻便、安全、 便于加工制造与操作。电控部分主要采用三菱P L C 实现 程序控制 ，实现手动 、自动的顺利转换，实现各个 电机 的刹车停车 ，各空压阀的通 断；配合合理的机械和软件 监控系统，确保工作人员安全 ，降低设备和货物受损几 率；尽量使工作人员便于操作控制 。在 电气方面，通过 严格 的设计计算 ，选择 出合理的空压设备，包括真空发 生器 、真空吸盘等，设计出合理的电气原理 图。 1 机械系统 1 ． 1系统整体方案设计 箱式货物自动装车系统机械结构如图1 所示，主要 包括货物输送系统和龙门式输送机两大部分。 货物输送系统实现货物的定位和货物的x向运动， 图 1 自动装车系统整体结构 将货物送达装车 区。输送系统 由如下几部分组成卸跺 机械手 、条形码扫描仪 、货物Y向定位机构、滚轮输送 机、滚动式链条输送机 。卸跺机械手在整个系统 的顶 端，负责把托盘上的货物放到滚轮输送机上；条形码扫 描仪对货物上的条形码进行扫描，读取货物信息；Y向 定位机构确保货物在Y向位置达到要求 ，实现货物在Y 向的定位 ；滚轮输送机和滚动式链条输送机可以将货物 送达装车区，起 到传送作用 。 注全文做如下定义 ，x 方向与车辆方 向平行，Y 方 向与x 方 向垂直，z向垂直地 面 。 龙 门式输送机实现货物 的Y向动作 ，与剪切式机械 手共 同实现货物 的装车作业 。其 由龙门架、固定导轨、 同步带传动机构 、跑动小车组成 。固定导轨 由铺设在地 面凹槽 内的工字钢组成；龙 门架支腿安装在跑动小车 上，可 以在导轨上实现x向精确动作；同步带传动机构 收稿日期2 0 1 4 -1 2 -1 6 作者简介韩以伦 1 9 6 2一 ，男，山西太原人，教授，博士，主要从事汽车电子及机电液一体化研究。 第3 7 卷第6 期2 0 1 5 0 6 上 [ 1 0 9 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 在龙 门架的顶端两侧 ，可以带动剪切式机械手延Y向的 动作。 剪切式机械手实现货物的抓取及货物Z 向的升降， 是与货物的直接接触部分，也是最终的执行机构 。机械 手 由剪切式升降机构、吸盘组件组成。 1 ． 2 系统工作流程 装车前要进行系统的预先设定，主要包括三部分工 作一是录入货物及货车信息；二是货车的停靠 ；三是 系统装车初始位置确定。 完成 以上装车前准备工作后 ，系统进行正式装车作 业，系统工作流程如 图2 所示。下面结合流程 图进行较 详细的流程叙述 1 放置托盘货物 ，用叉车将摆放整齐 的货物放到 指定区域 。 2 扫描货物信息 ，卸跺机械手抓取货物 ，移动货 物至扫描仪处，核对货物 出库装车信息 ，若有误 ，系统 报警 ，操作员介入处理，若无误 ，进入下一流程。 3 机械手卸跺 ，机械手将信息核对无误的货物放 置到滚轮输送机上 ，此时滚轮输送机并不运作。 4 货物Y向定位，滚轮输送机下方的光电传感器检 测到有货物放置后，输 出指令 ，货物Y向定位机构动作， 使货物Y向实现位置确定，并且输出动作完成信号。 5 输送机运作，接到上一步动作完成信号后 ，滚 轮输送机启动将货物运送到链条输送机上 。 6 货物x向定位，货物x向定位是通过龙门架上的 x向定位挡块实现的，当货物随链条输送机到达龙门架 挡块位置时 ，被挡块拦截 ，从而实现货物 的x向定位 。 货物x向定位好后 ，检测传感器给出信号。 7剪切式机械手定位 ，剪切式机械手根据工作节 拍会提前运动到货物上方，当接到x向定位传感器给 出 信号后机械手 下降到货物上方 ，然后控制吸盘吸取货 物 。抓取传感器会检测货物是否被吸盘吸起，若没有吸 起，机械手会再次下降到货物上端重新吸取动作，直到 抓取货物为止 。完成抓取动作后 ，机械手先z向提升一 段距离再Y向运动到货车上 ，根据设定的参数将货物送 达指定装车位置，真空吸盘放下货物，完成一个装货过 程。如此反复运作实现货物的装车。 2 气压传动系统 2 ． 1 气压传动系统原理 本装车系统气压传动就是利用真空发生器产生真空吸 附力，来抓取纸箱实现货物的卸跺及装车，动作流程并不 十分复杂，只需要简单的控制真空吸盘通断即可。为保证 货物及设备人员安全需要考虑设置保护机制，并配备手动 自动转换控制功能。其气压原理图如图3 所示。 【 1 1 0 1 第3 7 卷第6 期2 0 1 5 0 6 上 I报警 L一 人 工处理 NO 龙门式输送机到达 指 定位置 放 置托盘 货物 描货物 信息 壶 机 械 手 卸 跺 l 奏 Ye s I jL一 剪切 式机械 手定位 l 机械手实现 l 装车 图2 系统工作流程图 N 图3 气压 系统原理 图 2 ． 2 主要气压元件的选择 气压传动回路中两个最主要的元件就是真空泵和真 空吸盘，这两个元件的选择设计是系统能否正常运转的 基础 。 1 真空吸盘 下面就本装车系统工作隋况进行真空吸盘的选择设计 取最大负载M 2 0 0 k g ，Z向提升加速度和Y向平移 加速度均为2 m／ s ，1 2 个吸盘同时作业。当真空吸盘处 于水平位置，工件为Z向垂直运动时，吸盘保持力为 ，” g 口 三 9 ．8 1 2 1 ．5 2 9 5 ．2 5 N 当真空吸盘处于水平位置，且工件也为Y向水平运 动时，吸盘保持力为 詈 2 0 0 9 ．8 l 1 ．5 3 2 8 ．5 8 N 式中s 为安全系数 ，取1 ． 5 ； 为摩擦系数 ，由工 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 件表面条件决定，此处为粗糙表面取0 ．6 。 根据吸盘保持力估算吸盘有效直径 ／ 4 l4x 0 ．3 2 87．58而 _ 7 ．74 c m 7 7 ．4 m ill 式中p 为吸盘真空度 ，取0 ． 7 b a r ，在式中乘 以1 0 换算成7 N ／ c m 。 吸盘吸取 的货物 为纸 箱 ，表面平整 ，应选取标准 型吸盘 ，本设计选择CHE L I C中国台湾公司VB1 I O B 1 2 F A 吸盘 ，其具体参数如表 1 所示 。 表1 真空吸盘技术参数 型式 水平吸附力 k g A A’ C D G ． 2 O k P a ． 6 O I a ． 9 0 k Pa _ _ _ _ 盖 l 1 5 1 2 4 6 3 1 5 G 1 ／ 2 ’ ’ 1 3 ．9 7 3 5 4 7 ． 0 4 2 真空泵 目前能够产生真 空的装置种类 比较多 ，产生真 空 的传统装置有吸气式真空泵和送气式真空泵 ，经过近几 年发展，目前又产生一种 以空气进入喷射嘴产生真空的 方式 ，称为真空发生器或者真空喷射器 。真空发生器、 吸气式真空泵和送气式真空泵在工作方式以及技术原理 上有很大不同。通过对比计算两种不 同装置，最终选择 J P ． 2 0 0 V ． 2 2 0 真空泵 ，其具体技术参数如表2 所示 。 表2 3 P 一 2 0 0 V - 2 2 0 真空泵技术参数 最大 最大 额定 马达 马达 环境 噪音 I频率 出风量 真空度 电流 速度 功率 温 度 值 l4 8 0 7 ℃ ～ I 50 16 8 L ／ra in 7 0 0 m m H g 2 ．6 A 54 0 w 5 9 d B m 4 0 ℃ 3 电气系统设计 本装车系统采用P L C 控制 ，电气控制系统设计是本 装车系统 的核心部分 。经过前面机械及气压 系统 的描 述 ，我们知道，本装车系统执行元件多 ，包含机器人、 步进 电机 、三相 电机 、真空泵、吸盘。需要采集 的反馈 信号也多，包括条形码扫描器、限位传感器、光 电传感 器 、编码器 、真空开关 。此外本装车系统还配有遥控 器、触摸屏、手动 自动转换功能 。 3 ． 1控制系统整体结构 ． 3 ． 2 选用P L C P L C的选用主要考虑三个方面 1 控制系统 的复杂程度 ，有无 复杂的运动控制 ， 选用的功能模块类型； 2 输入输 出点数，计算出系统要 占用的输入输 出 点，并且考 虑到 以后功能提升 ，一般 预留约2 0 ％的点 数，当然预留点数没有确切规定，需要根据设计系统的 实际情况来决定 。 P L C 图4 整体控制系统结构图 3存储器容量的估算 ，根据程序 复杂程度，输入 输 出点数、模拟量控制，等方面考虑。 表3 系统输入输出统计 ＼P L C 项目 输入端 输出端 备注 卸跺机械 手 按钮3 个 、 报警指示灯i ／ i“ R S 4 8 5 连接 K UKA 位 置 传感器2 个 R S 4 8 5 通讯1 处 机器人 滚动式及链条 急停按钮1 个、 报警指示灯1 个 RS 4 8 5 连接扫描 机及支线 电机 式输送机 位置 传感器7 个 R S 4 8 5 通讯2 处 驱动器 急停按钮 RS 4 8 5 连接3 个 龙门输送机 1 - 、 传感器 报警指示灯1 个 R S 4 8 5 通讯4 处 变频器 、1 个 9 个 运动单元 报警指示灯1 个 电气控制 无 无 电控阀2 个 系统 启动按 其 他 钮 、复位按钮 系统运行状况 触摸屏RS 4 8 5 指示灯2 个 连接 两个 、触摸屏 根据表3 统计 的系统输入输 出统计信息就可以发现 系统接线控制特 点，占用R S 4 8 5 通 讯较 多 ，除连接需 要外 ，这样也能节约P L C的I ／ O点数。系统 占用2 5 个输 入 口、8 个输出 口，考虑系统功 能升级，综合考虑选用 F X2 N． 3 2 MR ． 0 0 1 系列P L C，再配一个F X2 N． 1 6 E X输入 扩展模块，通信适配器选用F X2 N C． 4 8 5 ADP 。 3 ． 3 控制电路的设计 图5 P L C输入输 出图 第3 7 卷第6 期2 0 1 5 0 6 上 【 1 1 1 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m