柔性制造系统码垛机单元的设计与仿真（全套）2012本科毕业设计

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摘 要
柔性制造系统（FMS）是集成了自动控制技术、人工智能、计算机语言编程组态监控等现代化技术的生产设备。
目前实践教学作为教学过程中的-个环节，是工科院校培养跨世纪创造性人才必不可少的。为配合卓越工程师试点工作中的课程改革，结合教学研究任务，本设计针对学校实验室的柔性制造系统中的立体仓库环节进行实验前期准备工作。
本设计主要由三层12仓位的立体仓库和四自由度码垛机械手两部分组成。其中码垛机械手由机械传动部分和电气控制两部分组成，电气控制是由西门子S7-200 CPU224XP型可编程控制器(PLC)、步进电机驱动器、开关电源、位置传感器等器件组成。
在设计过程中，不断参阅相关电气设计规范的资料，参照现有的码垛机的工作模式及控制方法，最终完成PLC为控制核心的码垛单元的PLC控制系统设计，并应用组态软件制作监控仿真界面。

关键词：柔性制造系统；码垛机；立体仓库；PLC；组态

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 录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 码垛机的概述 1
1.2.1 码垛机在国外的研究现状 1
1.2.2 码垛机在国内的研究现状 2
1.2.3 码垛机的发展趋势 3
1.3 课题的主要研究内容 3
第2章 码垛机的总体方案设计 4
2.1 码垛机的总体框图 4
2.2 码垛机的结构组成 5
2.3 码垛机的控制方案 6
2.3.1 码垛机的控制功能要求 6
2.3.2 码垛机的控制方案确定 6
2.3.3 码垛机的定位方案确定 7
2.4 本章嗅 9
第3章 码垛机的硬件设计选型及介绍 10
3.1 电动机的计算选取 10
3.1.1 码垛机的已知参数 10
3.1.2 根据已知参数对电动机的选型计算 10
3.2 步进电机驱动器的介绍 11
3.3 可编程控制器的选型及I/O分配 13
3.3.1 可编程控制器的选型 13
3.3.2 可编程控制器的I/O分配 13
3.4 导轨的形式介绍 14
3.5 滚珠丝杠的介绍 15
3.6 本章嗅 15
第4章 码垛机的软件设计 16
4.1 编程软件介绍及使用 16
4.2 码垛机的PLC程序设计 18
4.2.1 码垛机的工作流程 18
4.2.2 码垛机的软件设计 20
4.3 本章嗅 37
第5章 组态王仿真画面的设计 38
5.1 组态王监控软件介绍 38
5.2 组态王监控软件仿真设计 38
5.2.1 建立组态软件与PLC之间的通讯连接 39
5.2.2 组态画面及监控元素的设计 40
5.3 本章嗅 45
结论 46
参考文献 47
致谢 49
附录 50

第1章 绪 论
1.1 课题背景
码垛机是自动化仓库的主要搬运码垛设备，而立体仓库的产生和发展是现代物流体系的要求和信息技术进步的结果，它是在不直接进行人工干预的情况下自动地存储和取出物流的系统，替代了人工搬运码垛，只需定位抓起点和摆放点，两点之间的轨道全由电脑控制，两点直线运动，定位十分准确。自动化立体仓库码垛机是现代工业社会发展的高科技产物，可全天候作业，配备机械手可替代不少工人的工作量，由此每年能节矢十万的人力资源成本，达到减员增效的目的。生产上能迅速提高公司的生产效率和产量，同时还能减少人工搬运造成的出错。对提高生产率、降低成本有着重要意义。
机械手码垛机是目前占地最孝效率最高、适应能力最强的码垛机。码垛机械手适应于化工、饮料、食品、破、塑料、空调行业等生产企业，对各种纸箱、袋装、罐装、破箱、瓶装等各种形状的包装成品都适应。
目前实践教学作为教学过程中的-个环节，是工科院校培养跨世纪创造性人才必不可少的。为配合卓越工程师试点工作中的课程改革，结合教学研究任务，本设计针对学校实验室的柔性制造系统中的立体仓库环节进行实验前期准备工作。以PLC为控制核心设计码垛单元的PLC控制系统，并应用组态软件制作监控仿真界面。
1.2 码垛机的概述
1.2.1 码垛机在国外的研究现状
码垛机是随着大型物流配送中心和自动化立体仓库的发展起来的，物流这-概念是在20世纪50年代首先在美国形成的，立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。
初期的立体仓库使用的码垛机以桥式起重机为基础，这种码垛机是从起重机的大梁上悬挂-个门架（立柱），利用门架的上下和旋转来搬运货物。1960年左右在美国出现了巷道式码垛机，这种堆垛机是在地面的导轨上行走，利用货架上部的导轨防止倾倒，或者是在上部导轨上行走，利用地面导轨防止倾倒。在立体仓库码垛机的研发和使用方面，日本始终走在前列，1967年安装了10～15米的高层码垛机，1969年出现的联机全自动化仓库，特别是1973年建成了-座储藏生鲜食物的冷藏库，这是世界上第-座-40℃的极低温仓库，解决条件下码垛机的可靠性和技术方面的问题，取得了引人瞩目的成就。巷道式码垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式码垛机。
据不完全统计，美国拥有各种类型的自动化立体仓库20000多座，日本有38000多座，德国有10000多座，英国有4000多座，前苏联有1500多座。
1.2.2 码垛机在国内的研究现状
我国第-台桥式堆垛起重机于1963年由北京起重运输机械研究所研制，在20世纪70年代初期开始，我国石油化工企业先后从日本、西德和意大利等国家引进了几十台码垛机。其中除了从西德缪勒斯（MOLLERS）公司和意大利OCME公司引进几台外，其余大部分码垛机均是从日本OKURA公司和不二公司进口的。到80年代初期，我国-些企业和科研单位，在消化、吸收引进技术的基础上，相继设计、研制出几种不同类型的码垛机，并用于聚乙烯、聚丙烯、化肥等粉粒产品包装码垛生产线上，为码垛机的国产化开创了良好的开端。当时主要生产厂家有宜昌地区机械厂、常州化工机械厂、哈尔滨工业大学机器人研究所和沈阳运输机械厂等单位。从80年代初期开始，我国-些科研生产单位即着手设计研制辊道式码垛机。当时主要以仿型为主，即按国外同类型码垛机的型式，并结合国内的制造水平进行设计研究的，为国产码垛机奠定了雏形。到80年代中期，我国-些科研、设计和生产单位，开始设计研制气垫式码垛机。这种机型仍以仿型为主。该机型具有结构较紧凑、自动化水平高，运行动作灵活、成垛性能好、外形比较美观等特点。但这种机型与国外同类先进水平相比，仍有-定的差距。80年代后期，我国-些科研单位设计研制出-种机器人全自动码垛机。该机是在辊道式码垛机的基础上，通过高架机械手进行码垛作业的-种机型。其处理能力为600800袋/时。
哈工大机械人研究所于1988年研制的包装码垛生产线，从1992年6月安装在大庆石化总公司投产运行后，经过二年半的生产使用，证明运行情况良好，深得用户好评。该所在此基础上，又以国外最新产品性能为目标，开发生产了-套第二代自动包装码垛生产线，并且于94年10月安装在齐鲁石化总公司投产运行；还计划再上二套码垛生产线。同年11月又在天津联合化学有限公司安装了二套自动化包装码垛生产线。此后，自动化物流的开发与应用得到了很大发展。据不完全统计，截止到2006年底，全国自动化立体库的保有量已超过500座。2006年建设的自动化立体库在80座以上，主要集中在机械制造、汽车、烟草、食品加工、服装生产、医药生产及流通等行业，与2005年相比，整个市场有了很大发展。
1.2.3 码垛机的发展趋势
纵观世界各国码垛机的发展的现状，对今后的动向，可归纳如下：
(1) 重视三化”，逐步采用国际标准。所谓三化”，是指码垛机的标准化、系列化和通用化。贯彻三化”可以缩短设计周期，保证产品制造质量，便于管理和提高经济效益。世界上许多国家，不仅重视产品的三化”工作，而且非常注意采用国际标准（ISO）。有的国家甚至废除本国标准而直接采用国际标准，其目的是为了促进商品的国际交流。