王天縱，黃海龍，康建軍

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

一種圓柱形立體倉庫的設(shè)計(jì)

王天縱，黃海龍，康建軍

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

介紹了一種圓柱形立體倉庫的設(shè)計(jì)過程，圓柱形立體倉庫由高層庫體、旋轉(zhuǎn)式堆垛機(jī)以及控制系統(tǒng)組成。該倉庫的機(jī)械執(zhí)行部分由角位移旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、貨架升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和叉貨架齒輪齒條三層差動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，三部分運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力均由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供，經(jīng)過減速裝置提高扭矩。該倉庫的控制系統(tǒng)的核心是西門子S7-200 SMART型PLC，通過WINCC工控組態(tài)軟件和觸摸屏相結(jié)合的人機(jī)接口進(jìn)行操作。

圓柱形立體倉庫；高層庫體；旋轉(zhuǎn)式堆垛機(jī)；控制系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展以及社會(huì)物質(zhì)的不斷繁榮，平面?zhèn)}庫對于貨物的存放已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前的需求，因此立體倉庫已成為生產(chǎn)和生活中的一個(gè)重要的組成部分，利用立體倉庫設(shè)備可實(shí)現(xiàn)倉庫高層合理化，存取自動(dòng)化，操作簡便化[1，2]。自動(dòng)化立體倉庫主要由貨架，巷道式堆垛起重機(jī)、入（出）庫工作臺(tái)和自動(dòng)運(yùn)進(jìn)（出）及操作控制系統(tǒng)組成[3]。貨架是鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物或結(jié)構(gòu)體，貨架內(nèi)是標(biāo)準(zhǔn)尺寸的貨位空間，巷道堆垛起重機(jī)穿行于貨架之間的巷道中，完成存、取貨的工作[4]。本文設(shè)計(jì)了一種圓柱形立體倉庫，主要包括機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和電控部分的設(shè)計(jì)，機(jī)械部分的主要機(jī)構(gòu)有：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和叉貨運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，電控部分主要是基于PLC實(shí)現(xiàn)各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制，該立體倉庫具有占地面積小、存貯量大、周轉(zhuǎn)快等特點(diǎn)，可以應(yīng)用在工廠、商場、機(jī)場、港口等場所。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的圓柱形立體倉庫主要由堆垛機(jī)和貨架組成，堆垛機(jī)包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、叉貨伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，圓柱形立體倉庫的工作原理是：貨架是環(huán)狀高層貨架，用于擺放存取的貨物，分為5層，每層有12個(gè)倉位，采用型材搭建，強(qiáng)度大，不易變形，每個(gè)倉位可以承重50公斤；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以完成不同方位貨架的貨物存取；升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)從底層到頂層的上下運(yùn)動(dòng)，以完成不同層數(shù)貨架的貨物存?。徊尕浬炜s運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)伸出和縮回運(yùn)動(dòng)，以完成定位目標(biāo)貨架的貨物存取，本文設(shè)計(jì)的圓柱形立體倉庫的主視圖和俯視圖如圖1所示，圓柱形立體倉庫堆垛機(jī)的參數(shù)和圓柱形立體倉庫高層貨架的參數(shù)如表1和表2所示。

圖1 圓柱形立體倉庫的主視圖和俯視圖

表1 圓柱形立體倉庫堆垛機(jī)的參數(shù)表

表2 圓柱形立體倉庫高層貨架的參數(shù)表

2 主要機(jī)械部分的設(shè)計(jì)

2.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示，機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)軸支撐板3、機(jī)架1、支撐軸承6、軸承螺栓7、減速齒輪主動(dòng)輪4、減速齒輪從動(dòng)輪5以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等組成。旋轉(zhuǎn)軸支撐板有18組支撐軸承組支撐起來并能旋轉(zhuǎn)，支撐軸承組可通過螺栓連接并能預(yù)緊，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過齒輪組提供動(dòng)力使旋轉(zhuǎn)軸支撐板旋轉(zhuǎn)，機(jī)架通過地腳螺栓緊固在地面上[5]。

2.2 升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示，機(jī)構(gòu)由立柱7、軌道6、軸承支撐組6、叉貨架支撐架8、卷筒1、鋼絲繩3、減速齒輪以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等組成。叉貨架支撐架有4組軸承支撐組支撐起來并能在軌道上做升降運(yùn)動(dòng)，支撐軸承組可通過螺栓連接并能預(yù)緊，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過齒輪組提供動(dòng)力使卷筒旋轉(zhuǎn)，卷筒卷動(dòng)鋼絲繩使叉貨架支撐架沿軌道升降。立柱與旋轉(zhuǎn)軸支撐板通過螺栓連接[6]。

圖3 升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

2.3 叉貨伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

叉貨運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4所示，機(jī)構(gòu)由叉貨架支撐架2、下板14、下板齒條4、中板7、中板齒條9、中板齒輪6、上板3、上板齒條5、叉貨軌道1、軸承支撐組13、軸承座8、聯(lián)軸器11、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)12等組成。叉貨軌道通過螺栓連接在中板上，中板與下板也是通過軌道和軸承支撐組相聯(lián)結(jié)，帶座軸承通過螺栓與中板相連接，帶座軸承通過軸將中板齒輪與中板連接起來。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)中板齒條運(yùn)動(dòng)，而中板運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)中板齒輪，齒輪齒條運(yùn)動(dòng)形成上板、中板、下板的三層直線差動(dòng)行程倍增運(yùn)動(dòng)[7]。

圖4 叉貨伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

3 電控部分的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的圓柱形立體倉庫的主要工作流程是：在觸摸屏上會(huì)顯示每個(gè)貨倉的貨物擺放情況，如果有貨物，顯示貨物的名稱，如果沒有貨物，顯示為“空”，操作者根據(jù)觸摸屏上的信息來完成貨物的存取，“存”操作只能把貨物存到空的貨倉，“取”操作只能取有貨物擺放的貨倉。

圓柱形立體倉庫的電控部分主要實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)、升降步進(jìn)電機(jī)和叉貨伸縮步進(jìn)電機(jī)的控制，經(jīng)過計(jì)算，三個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩分別為：86 Nm、45 Nm和4 Nm，所以三個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)分別選擇為 130HCY285AL3S-TK0、130HCY285AL3STK0和86BYG250-98.在每個(gè)貨倉位安裝限位開關(guān)，檢測貨品是否到位，限位開關(guān)的檢測信號(hào)傳送給主控制器。

電控系統(tǒng)簡圖如圖5所示，PLC選用西門子S7-200 SMART系列的CPU ST60，數(shù)字量擴(kuò)展模塊選用西門子的EM DR32，觸摸屏選用西門子HMI的KTP400 Basic PN，觸摸屏的主界面如圖6所示。

圖5 電控系統(tǒng)簡圖

圖6 觸摸屏主界面

4 結(jié)論

本文主要介紹一種圓柱形立體倉庫的設(shè)計(jì)過程。首先介紹了總體設(shè)計(jì)方案；然后詳細(xì)介紹了主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)支撐軸在軸承支撐組上旋轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用繩輪機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)過減速齒輪帶動(dòng)卷筒，卷筒將鋼絲繩卷起提升叉貨架做升降運(yùn)動(dòng)，叉貨架伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條三層貨叉直線差動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)叉貨運(yùn)動(dòng)；最后給出了電氣接線圖和主要控制部件的選型。

[1]趙婧琳，楊蘭英，陳桂蘭，等基于PLC的巷道堆垛式立體車庫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2017，（03）:119-121.

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The Design of a Cylindrical cubic Warehouse

WANG Tian-zong，HUANG Hai-long，Kang Jian-jun
（School of Mechanical Engineering and Automation，Liaoning University of Technology，Jinzhou Liaoning 121001，China.）

This paper describes the design process of the cylindrical three-dimensional warehouse，which consists of high-level storehouse，rotary stacker and control system.The mechanical execution part of this warehouse is composed of the angular displacement rotary motion mechanism，the shelf lifting motion mechanism and the threelayer differential linear motion mechanism of the gear rack.The power of three parts of the motion mechanism is provided by stepping motor，and the torque is increased through the reduction gear.The core of the control system of this warehouse is the operation of Siemens s7-200 SMART PLC in the combination of WINCC industrial control configuration software and touch screen.

cylindrical cubic warehouse；high-rise library；rotary stacker；control syste

TL503.6

A

1672-545X（2017）08-0228-03

2017-05-11

遼寧省教育廳重大科技平臺(tái)科技項(xiàng)目（JP2016019），遼寧工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2016100）

王天縱（1995-），男，河北唐山人，本科，主要研究方向：運(yùn)動(dòng)控制及工業(yè)自動(dòng)化；黃海龍（1982-），男，遼寧錦州人，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：機(jī)電一體化機(jī)、器視覺與圖像處理。