程 晟

（山西能源學(xué)院機(jī)電工程系， 山西 晉中 030600）

0 引言

《中國(guó)制造2025》的核心是創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，主線是兩化融合，主攻方向是智能制造[1]。作為智能制造的重要組成部分，柔性制造強(qiáng)調(diào)的是滿足用工個(gè)性化需求的大規(guī)模定制。柔性制造是未來工業(yè)生產(chǎn)的主導(dǎo)模式，是將自動(dòng)化生產(chǎn)、信息技術(shù)處理和制造加工技術(shù)結(jié)合起來，利用先進(jìn)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)適應(yīng)新時(shí)代的生產(chǎn)要求[2-3]。計(jì)算機(jī)管理的自動(dòng)化立體倉庫，是柔性制造系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其管理和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性[4]。自動(dòng)化倉庫也稱為立體倉庫，一般用作工業(yè)生產(chǎn)中流水線上的第一步或最后一步，重點(diǎn)解決搬運(yùn)效率、產(chǎn)品管理等問題。自動(dòng)化立體倉庫是物流系統(tǒng)的集散地，是以高層立體貨架為主體，以自動(dòng)化搬運(yùn)工具為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主要手段的高效、大容量現(xiàn)代化儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備[5]。

本文設(shè)計(jì)的立體倉庫的結(jié)構(gòu)是由貨架、堆垛機(jī)和控制系統(tǒng)三大部分所構(gòu)成，可以配合小型自動(dòng)生產(chǎn)線，完成工件的倉儲(chǔ)及管理，有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和使用價(jià)值。

1 立體倉儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立體倉儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)包括貨架、堆垛機(jī)兩部分。貨架結(jié)構(gòu)由12 個(gè)貨架格（4×3）入貨倉庫和一個(gè)出入庫倉位組成。其中出入庫倉位中安裝有光電開關(guān)傳感器，以感應(yīng)貨物是否需要出入動(dòng)作。堆垛機(jī)是立體倉儲(chǔ)核心操作裝置，其速度、精度、穩(wěn)定度與倉儲(chǔ)效率緊密聯(lián)系。其運(yùn)動(dòng)包括兩個(gè)伺服電機(jī)完成堆垛機(jī)叉貨裝置的水平（X 軸）和垂直（Z 軸）的定位運(yùn)動(dòng)，以及叉貨氣動(dòng)裝置完成工件出入庫動(dòng)作。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 立體倉儲(chǔ)樣機(jī)示意圖

為了讓堆垛機(jī)叉貨裝置在定位平面運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)停留、無級(jí)調(diào)速等功能，選擇伺服電機(jī)帶聯(lián)軸器，連接滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，以保證其精度。

下面對(duì)機(jī)電傳動(dòng)的最主要部件滾珠絲杠選型的計(jì)算進(jìn)行說明。

1.1 絲杠精度的選定

將傳動(dòng)設(shè)計(jì)精度的要求換算成使用絲杠長(zhǎng)度的允許誤差，確定精度等級(jí)，并根據(jù)使用條件及成本因素，選取磨制或軋制滾珠絲杠。

1.2 導(dǎo)程的選定

根據(jù)已知初選電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、負(fù)載的最高運(yùn)行速度以及傳動(dòng)比，確定導(dǎo)程的選型條件。

1.3 絲杠支承方式的選定

絲杠支承方式由工作行程及最大運(yùn)行速度條件確定。

1.4 絲杠外徑的選定

絲杠外徑根據(jù)軸向游隙要求以及絲杠導(dǎo)程，進(jìn)行絲杠外徑選型。同時(shí)滿足條件可能有多種組合。要對(duì)滿足條件的組合分別進(jìn)行軸向允許載荷、絲杠臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算和校核。軸向允許載荷計(jì)算主要根據(jù)摩擦力、最大加速慣性力、重力、支承方式效率等因素確定。軸向允許載荷校核是根據(jù)不同組合絲杠的直徑、導(dǎo)程，計(jì)算其實(shí)際轉(zhuǎn)速，判斷是否在臨界轉(zhuǎn)速范圍。

1.5 螺母類型的選定

根據(jù)不同組合絲杠的直徑、導(dǎo)程，選擇螺母的型號(hào)及其額定載荷。根據(jù)其外部載荷條件下的靜安全系數(shù)，計(jì)算最小規(guī)格螺母允許的最大軸向載荷。根據(jù)往返加速、等速、減速三階段運(yùn)動(dòng)條件，計(jì)算平均軸向載荷，分別計(jì)算不同組合螺母的額定壽命。

2 堆垛機(jī)伺服電機(jī)的選型計(jì)算

2.1 X 軸伺服電機(jī)選型

X 軸伺服電機(jī)選型，已知負(fù)載質(zhì)量M；絲杠螺距PB；絲杠直徑DB；絲杠質(zhì)量MB；摩擦系數(shù)μ；負(fù)載移動(dòng)速度v；機(jī)械效率η；全程位移時(shí)間t；加速行駛時(shí)間t1；減速行駛時(shí)間t3；聯(lián)軸器質(zhì)量MC；聯(lián)軸器直徑DC；α為角加速度；i 為傳動(dòng)比；TL為步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2.1.1 計(jì)算折算到X 軸伺服電機(jī)軸上的負(fù)載總慣量

折算到X 軸的負(fù)載慣量JW：

X 軸滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JB：

X 軸聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JC：

負(fù)荷折算的總慣量JL：

2.1.2 X 軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算

X 軸電機(jī)所需的轉(zhuǎn)速n：

2.1.3 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需要的扭矩計(jì)算

克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩Tf：

重物加速時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩TA1：

螺桿加速時(shí)所需要轉(zhuǎn)矩TA2：

聯(lián)軸器加速時(shí)所需要轉(zhuǎn)矩TA3：

加速所需的總轉(zhuǎn)矩TA：

計(jì)算瞬時(shí)的最大扭矩：

加速扭矩Ta：

勻速扭矩Tb：

減速扭矩Tc：

實(shí)效扭矩Trms：

2.2 初選伺服電機(jī)

初選伺服電機(jī)，伺服電機(jī)額定扭矩T 滿足條件為T＞Tf且T＞Trms，最大扭矩滿足條件為Tmax＞Tf+TA。初步確定伺服電機(jī)型號(hào)，查出伺服電機(jī)慣量JM。

計(jì)算折算到伺服電機(jī)軸的總負(fù)載慣量J：

計(jì)算伺服電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TS：

選定安全系數(shù)S，則必需轉(zhuǎn)矩TM：

小慣量伺服電動(dòng)機(jī)適合快速定位，當(dāng)負(fù)荷與電機(jī)慣量比＞5 時(shí)才考慮使用減速裝置。最終決定X 軸選用小慣量伺服電動(dòng)機(jī)，型號(hào)是CTSD-M14-B1012-M000，功率100 W，不帶抱閘功能。

Z 軸選型計(jì)算方法和X 軸基本相同，但要考慮垂直安裝時(shí)，若突然斷電，由于滾珠絲桿無自鎖功能，絲杠上的載物臺(tái)會(huì)在重力作用下下滑，故選用帶抱閘功能的小慣量伺服電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為CTSD-M16-B2012-M110，功率200 W。

3 叉貨氣動(dòng)裝置氣壓回路的設(shè)計(jì)

實(shí)際倉儲(chǔ)工件質(zhì)量較輕，堆垛機(jī)的出入庫動(dòng)作由氣缸帶動(dòng)叉貨裝置完成。叉貨氣動(dòng)裝置氣壓回路（見圖2）的控制過程是從氣源出來的氣體經(jīng)氣源三聯(lián)件后，通過三位五通電磁換向閥來控制叉貨裝置的運(yùn)動(dòng)方向，經(jīng)過的節(jié)流閥控制叉貨裝置的運(yùn)動(dòng)速度，通過感應(yīng)磁性開關(guān)對(duì)叉貨裝置進(jìn)行前后限位。

圖2 叉貨裝置的氣動(dòng)原理

4 立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1）確定采用西門子PLC SIMATIC S7-1200，其設(shè)計(jì)緊湊、成本低廉。具有脈沖串（PTO）控制接口的驅(qū)動(dòng)，擁有4 路用于帶脈沖接口的伺服驅(qū)動(dòng)，無須位置反饋，可以進(jìn)行連續(xù)的PID 控制，脈沖寬度（PWM）輸出。

2）根據(jù)I/O 口分配表（見表1），需要傳感器、開關(guān)等輸入口18 個(gè)，伺服電機(jī)、電磁閥等輸出口11 個(gè)，按照20%的余量考慮，確定CPU1214C 具體型號(hào)。

表1 PLC 的I/O 口分配

3）自動(dòng)化倉庫管理系統(tǒng)控制的處理流程，分為主程序控制流程（見圖3）和叉貨裝置動(dòng)作流程（見圖4）。主程序控制流程是利用傳感器、開關(guān)信號(hào)對(duì)出入庫狀態(tài)進(jìn)行判別，通過控制X 軸、Z 軸伺服電機(jī)的使能、脈沖、方向信號(hào)，對(duì)叉貨裝置的水平和垂直的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。叉貨裝置動(dòng)作流程是根據(jù)出入庫要求，對(duì)氣壓杠的伸出、縮回動(dòng)作進(jìn)行控制，微調(diào)Z 軸，保證工件順利完成出入庫動(dòng)作。根據(jù)流程編寫T 形圖，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和調(diào)試。

圖3 主程序控制流程

圖4 叉貨裝置入庫、出庫流程

5 結(jié)語

自動(dòng)化立體倉庫是柔性制造系統(tǒng)的重要組成部分，研究和開發(fā)自動(dòng)化立體倉庫，對(duì)于推動(dòng)柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展和實(shí)用化進(jìn)程具有重要意義[6]。提高出入庫效率和定位精度，利于節(jié)省成本，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)制造業(yè)和服務(wù)業(yè)融合成長(zhǎng)。