智能仓储控制系统设计方案.docx

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1、智能仓储控制系统设计方案1 绪论现代仓储系统集成了先进物流设备、自动控制系统、计算机及其网络、信息 识别和信息管理系统等，其目的是扩大仓储作业能力，提高劳动生产率，减少仓 储作业差错，获取更大利润。其中，仓储控制系统是现代仓储系统的重要组成部 分，是仓储高效运行的核心。仓储系统中的自动分拣系统、自动入出库系统等广 泛使用自动控制系统。随着物流企业规模扩大和物流技术的发展，自动化立体仓 库和中小规模自动化仓储系统普遍推广应用，仓储控制系统的规模和复杂程度也 日益提高，越来越多的使用计算机控制、PLC控制，甚至DCS控制设备，这就直接 导致了仓储控制系统的开发、维护难度增大。本文以一个典型仓储系统

2、为研究对 象，以三菱PLC为核心建立其控制系统，系统地介绍了整个平台的组成和如何运 用一个三菱PLC实现仓储自动化的工作原理。在此基础上，以一条模拟流水线系 统中的小型自动化仓库为研究对象，进一步介绍了智能仓储各部分的工作原理以 及设计出了利用三菱PLC控制系统完成智能分拣、入库、出库的程序设计。该智 能仓储控制系统给出了一种智能化、经济型的仓库自动化设计方案和采用三菱 PLC梯形图设计出的最佳程序。2 课题任务的内容和要求1、首先通过有关书籍对 PLC 技术、传感器技术进行初步学习。2、本文要研究的仓储系统如下图所示。3、仓储模拟场地是在普通地面上使用宽30mm的与地面尽可能有最大颜色反 差

3、的胶条作为引导线或标志线；机器人出发区为300mmX300mm的区域； 沿出发区有引导线ab和cd两段,d引导线直达停止区，停止区也是300mm X300mm的区域。中间bc段500mm的距离无引导线。引导线ab通过0 点，0点处有一条长200mm,宽30mm的线与引导线正交；在距离0点350mm 的圆周上有A、B、C、D、E、F六个点。这六个点以引导线为对称轴，分 布在引导线两侧。B、0、E三点在一条直线上，BE垂直于引导线，ZA0B= ZB0C=ZD0E=ZE0F=45o e点距c点350mm。在引导线cd的侧方设置 有G、H、I三个收料槽，三个收料槽底部为65X65mm的正方形，帮高15

4、mm。 三个收料槽的中心线与cd引导线垂直，相较于e点。收料槽G的中心， 距离引导线cd 350mm，G、H、I之间相距150mm。机器人收取红、白、黑 三种颜色的立方体工件，分别送入指定的收料槽。（如图2.1）20C)rTilTi图 2.1 仓储系统的基本组成3 仓储系统及机器人的工作过程如图 2.1，关节型机器人从出发区开始沿引导线或者标志线前进，当碰到 O 点处的行程开关（十字引导线处）时便停下，并且记下0点行程开关被碰到 的次数。此时货物被分别放置在AF的平台上，通过内部程序关节型机器 人拾取物料。当机械臂回到参考点时，关节型机器人继续前进。行至 e 点时， 关节型机器人触动了 e 点

5、的行程开关，经过程序处理，一使 ef 段的传送带 开始工作，二使关节型机器人的机械臂动作，将物料放置在传送带上。当货 物经过传送带到达 G、H、I 三点时，安装在这三点的色彩识别传感器就会分 别检测货物的颜色，当发现颜色符合色彩识别传感器内部程序的时候，转化 为数字信号给PLC。一使ef传送带停止，二使对应的气缸动作，推动货物至 相应的收料槽。当机械臂回到参考点时，控制后退电机运转，拾取其他的物 料，重复以上操作。当触及0 点行程开关的次数达到六次时，而且机械臂回 到参考点时，机器人便会向停止区运行继续前进，触及到 d 点行程开关时延 时 1-2 秒，确保到达停止区后便停止运行。4 分拣机构的

6、控制系统4.1 分拣机构工作过程（如图4.3）在e点安装一个行程开关（X001）,当检测到机器人到达e点时, 通过PLC程序提取行程开关（X001）的上升沿来控制ef段的传送带开始工作， 并且控制关节型机器人将物料放置在传送带上。分别在 G、H、I 三点安装红、白、 黑三色颜色传感器（X002、X003、X004），传送带将工件运送至G点时，当G点颜 色传感器（红色）检测到工件为红色时，G点颜色传感器（X002）发出信号，通 过 PLC 程序，此时一使传送带停止便于物料停止位置和收料槽在一条直线上，二 使G点的气缸（Y002）动作，从而将红色工件送入对应的收料槽；若检测到G点工 件不是红色，则

7、G点气缸不采取任何动作，而是由传送带将该工件运送至H点； 当H点颜色传感器（白色）检测到工件为白色时，H点颜色传感器（X003）发出信 号，通过 PLC 程序，一使传送带停止便于物料停止位置和收料槽在一条直线上， 二使H点的气缸（Y003）动作，从而将白色工件送入对应的收料槽；若检测到H 点工件不是白色，则H点气缸不采取任何动作，而是由传送带将该工件运送至I 点；当I点颜色传感器（黑色）检测到工件为黑色时，I点颜色传感器（X004）发 出信号，通过 PLC 程序，一使传送带停止便于物料停止位置和收料槽在一条直线 上,二使I点的气缸（Y004）动作，从而将黑色工件送入对应的收料槽。当机器人 的机

8、械臂回到参考点并且末端执行器没有物料时候，机器人回头拾取第二个物料。通过PLC提取只要有一个颜色传感器检测到物料使得传送带停止工作。从而 完成了一个周期收料过程。当机器人中的六个立方体工件全部运送至收料槽后， 机器人开始向停止区运动。4.2 分拣机构梯形图程序XI： e点处的行程开关X2：收料槽G颜色传感器X3：收料槽H颜色传感器X4：收料槽I颜色传感器Y1：收料槽皮带轮执行电机Y2：收料槽G处对应的电磁阀Y3：收料槽H处对应的电磁阀Y4：收料槽I处对应的电磁阀MDD1X0O2SE-血1Yini R?-汕叩3-I I-r Yin; .1T2l：201L YJUi JTJl：20f Y1IK .

9、仃 4l：2014.3 分拣机构各硬件布置图图 4.34.4 分拣机构零部件4.4.1 行程开关TZ-8111, AZ-8111. ME-8111参数：机械寿命 1000 万次以上，电气寿命：30 万次以上(额定负载)，电磁接触器FC-100(AC200V)负载：500万次以上，最大通电頻率120次/分钟4.4.2 颜色传感器4.4.3 气缸1)SW2 、.塑Ml3)4)5)5 关节型机器人控制系统的实现5.1 关节型机器人的大致说明首先机器人我们选择的是关节型机器人，下图为机器人通用的形式：1机座 2控制系统 3执行机构下图为关节型机器人末端执行器的机械图：1手爪 2传动机构 3驱动装置

10、4支架 5物料5.2实现关节型机器人的控制过程如下图所示为智能仓储中机器人的整体结构实际效果图。该机器人以PLC 为核心，接受传感器传来的外部信息，进行处理，控制机器人运行。5.2.1 引导线检测模块在机器人的运行过程中起着引导的作用。根据白色和黑色反射系数不同，通 过以光电传感器为核心的光电检测电路将路面两种颜色进行区分，转化为不同电 平信号，将此电平信号送入PLC,由PLC控制转向电机作相应的转向，保证小车 沿引导线行驶。而且考虑到小车与路面的相对位置，采用了反射式光电检测电路。 为了提高检测精度，采用了多传感器信息融合技术。设计中，在车头均匀布置三 个光电传感器，其中，中间一个安装在小车

11、正中央。5.2.2 光电检测转换电路机器人左右两端分别布置一个传感器，经过正确的电路与PLC相连接。若两 侧某一传感器检测到黑线，表明小车正脱离轨道，将3个检测点的结果融合后作 为PLC的输入，机器人按照PLC信息进行判断调整，实现路径跟踪和自动纠偏。 若两侧的两个传感器同时检测到黑线，表明小车行驶至装货位置，将3个监测点 的结果融合后作为PLC的输入，机器人按照PLC信息进行判断，实现运动的暂停 与继续。5.2.3 工件装卸检测电路若机器人经过距离 a 点 550mm 处的工件装载点时，通过光电传感器一来控制 机器人暂停前进，同时给PLC发信号启动关节型机器人实现物料的抓取。在抓取 的过程中

12、根据六个物料分布在以机器人停止点为圆心的圆周上面，所以根据已 有的数据得出机器人各个关节的运动矩阵，从而实现物料的抓取。末端执行器采用气动真空抽吸和真空吹气的形式。当末端执行器吸有物料的时候，光电传感器 检测到有物料，此时机械臂返回参考点，当参考点的位置开关被触动，才能使得 机器人继续前进。送物料的时候同样的原理，真空吹气，末端执行器上面的传感 器检测到没有物料，而且机械臂回到参考点才能启动机器人进行下一个物料的拾 取和循环。此时为了保证装载有工件的机器人能平稳运行，必须将机器人手臂的 位置（参考点）调整至与运行方向在同一平面内。直到从AF （如图）中的工 件全部装载完毕。当0的行程开关被触

13、及的次数达到六次时候，PLC会给机器人 发信号，即送完物料之后，机器人直接往停止区域前进，不再执行回头拾取物料 的指令。5.3 控制机器人系统的梯形图程序Y5 :控制机器人前进的电机Y6：控制机器人右拐的电机Y7 :控制机器人左拐的电机Y10：控制机器人后退的电机X5：出发区域的微动开关X6：关节型机器人左侧的光电传感器X7：关节型机器人右侧的光电传感器X10： 0点处的行程开关X11：末端执行器上的光电传感器X12：机械臂上的位置开关X13：b点处的行程开关X14：c点处的行程开关X15：d点处的行程开关5.4 机器人运动矩阵方程式为了便于理解，我们以三自由度的关节机器人为例，然后按照机座、

14、关节及机系的相对运动矩阵。_ 1000 一_ S100_0100TLS1C100001C 0，1001000010001本例中：式中，T T1c为O坐标系中沿Z0 0 0方向平移量，0为关节1的回转运动量，C二cos0，11S =sin 0 。11用同样的方法写出0与0坐标系的矢量关系如下Ry, Z止=g 卜2 y2 z21 式中 1T2 为 0 和 0 坐标系间的其次坐标变换矩阵，2 1 2T,2表示0坐标系相对0坐标系的相对运动矩阵。= T1,2 X 2Y2 Z2T2 为关节1的运动矩阵,本例中：T T210000C a1Sa100- S a1Ca1000c11T2 =00100001，式

15、中a 1二90。，0 2为关械接口坐标系的确定方法确定坐标系的方向。0与0坐标系的位置矢量关系式可用下式表示:k Y) Z0 1 = 0t1 X1 Y1 Z1 1 = T0,1 x1 Y1 Z1 止式中1为0和0坐标系间的其次坐标变换矩阵，表示0坐标系经过1变换1 0 1 0 1后与0坐标系重合;1TJ为关节1的运动矩阵，T),表示0坐标系相对0坐标节 2 的回转运动量。lx 0 Y)Zo我们可以得到0和0坐标系的矢量关系:20因此T0,1X111=T0,1 k,2 L 2Y2Z20,2 X2Y2Z2式中，T02为O坐标系相对于O坐标系的相对运动矩阵。用同样的方法可以写 出TJ、驭本例中：2,

16、3C卩20Sb2a2C3-S3000100S3C300-S卩r20Cb20001000010001L其中b二90。, 9为关节323绕 Z 轴方向的回转运动量。3C3SY030一 Sy3C0300010c3，3为O3与Om坐标系间的旋转变换角，本例中中 3二90。m0由于 0 坐标系与0 坐标系间无运动，故只有坐标转化。最后写出0 与0 坐标系3的矢量关系式为：lx oY0 Z0XYZ0,mm m m0,m 0 0 0式中，X=Y二Z=0，其中0坐标系相对于坐标系的相对运动矩阵T0,m】mmm表达式如下：T 0, mLT 0代 kT ITm ，也可将此式子矩阵连乘结果用下式表示：T0, mLl

17、血 mPo,m1，可以看出运动矩阵 T0,m 中的 P0,m 何 o0,m 分别表示了末端执行器在机座中的位置和姿态。因此，把相对运动矩阵T0,m称为运动功能位姿 矩阵，可简称机器人的运动矩阵，这是机器人位姿的另一种描述方式。5.5 机器人各部件的布置图由于关节型机器人的机座下面由直流伺服电机来控制，直流伺服电机又是由 PLC 来控制其运动和停止。下图为小车的简图：机器人各关节的控制变量如下图：5.6 机器人机构的零部件5.6.1 行程开关 在机器人搬运物料过程中，所用的形成开关和分拣机构的行程开关一样，所以参 考 4.4.1 中的图和特性说明。5.6.2 直流伺服电机onMUI瓚5.6.3

18、微动开关 特点：采用热固性和热塑料外壳，具有微小触点间隙，动作快速、高灵敏和微笑 行程。配置各种形式的驱动手柄，广泛应用各家电器、电子设备、自动化设备、 通讯设备、汽车电子、仪器仪表等领域。5.6.4 光电传感器制一匸mi22.20.2237+0. a结论传统仓储系统的占地面积大、耗用工时多、出入库不方便、生产效率低下、 支出资金大等等缺点，在现代生产中已经完全不能适应。所以集成了先进物流设 备、自动控制系统、计算机及其网络、信息识别和信息管理系统的现代仓储系统 应运而生。由于在智能仓储中运用了机器人搬运物料使得搬运的工时节省了，减少了劳 动力，可以二十四小时不停地工作，提高了生产效率。在物料

19、存储过程中，有传 送带和自动筛选供功能代替了传统的人工。不仅减少了工时、人力资源还大大降 低了错误率提高生产工作效率。其中的高层货架、立体货架代替传统的平面货架， 不仅节省了空间资源还提高了效率，使得出入库完全自动化，节省了大量的时间 和劳动力。仓储自动化系统实现了通过先进物流设备、计算机以及PLC进行仓储自动、远程控制的目标，不仅减少了占地面积，提高了土地使用效率，同时实现了货物 的分拣、入库、出库等一系列复杂环节的智能化与自动化。仓储自动化系统在现 代社会中的广泛应用，大大加快了货物的存储、提取速度，仓库运行效率也大大 地提高了，管理成本明显降低，增强了经营的竞争力、仓储自动化将在我国各领 域得到快速发展。致谢感谢我的毕业设计指导老师单以才博士，他的严谨细致、一丝不苟的作风 一直是我学习和生活中的榜样，他为人和蔼可亲，在他的谆谆善诱的教导和不拘 一格的思路给我无尽的启迪。并且在整个毕业设计过程中，单以才老师不断对我 得到的结论进行总结，细心地分析，并提出新的问题，不断地完善。还要感谢我 的同学单文杰，他为我提供了很多的资料。他们俩的付出，才使得我的毕业设计 课题能够深入地进行下去，并且使我做了许多有益的思考。在此表示诚挚的感谢 和由衷的敬意。参考文献1冯辛安，工业机器人设计【J】，机械制造装备设计，2005,12 213239