基于PLC的廂式貨物自動(dòng)裝車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

韓以倫，丁道山，李 梅，邱鵬程，朱 倩

（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，青島 266510）

0 引言

目前物流運(yùn)輸行業(yè)日漸繁榮，對(duì)人力及效率的要求日益提高。然而，我們發(fā)現(xiàn)許多廠家，在廂式貨物外運(yùn)裝車時(shí)存在較大弊端。像海爾、澳柯瑪、格蘭仕等這樣的電器廠家及食品和藥品廠家，每天都會(huì)運(yùn)出大量的箱式貨物。以某海爾工業(yè)園裝車為例，裝車時(shí)叉車先將需要裝車的冰箱、空調(diào)等箱式貨物運(yùn)到裝貨站臺(tái)，然后由工人搬運(yùn)到?？吭谡九_(tái)的貨車上；裝車過程需要體格較好的裝車工3人左右，配合作業(yè)叉車1～2輛，裝車時(shí)間約6小時(shí)以上，大大限制了貨物的出貨速度，造成貨物積壓；另一方面，裝車現(xiàn)場(chǎng)繁雜，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，容易出事故。因此設(shè)計(jì)了一套箱式貨物輔助裝車設(shè)備來解決這個(gè)問題。

本課題所設(shè)計(jì)的是一套機(jī)電液一體化綜合性十分強(qiáng)的設(shè)備，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面主要運(yùn)用SolidWorks三維軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保其結(jié)構(gòu)合理、輕便、安全、便于加工制造與操作。電控部分主要采用三菱PLC實(shí)現(xiàn)程序控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)的順利轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)的剎車停車，各空壓閥的通斷；配合合理的機(jī)械和軟件監(jiān)控系統(tǒng)，確保工作人員安全，降低設(shè)備和貨物受損幾率；盡量使工作人員便于操作控制。在電氣方面，通過嚴(yán)格的設(shè)計(jì)計(jì)算，選擇出合理的空壓設(shè)備，包括真空發(fā)生器、真空吸盤等，設(shè)計(jì)出合理的電氣原理圖。

1 機(jī)械系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

箱式貨物自動(dòng)裝車系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括貨物輸送系統(tǒng)和龍門式輸送機(jī)兩大部分。

圖1 自動(dòng)裝車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

貨物輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)貨物的定位和貨物的X向運(yùn)動(dòng)，將貨物送達(dá)裝車區(qū)。輸送系統(tǒng)由如下幾部分組成：卸跺機(jī)械手、條形碼掃描儀、貨物Y向定位機(jī)構(gòu)、滾輪輸送機(jī)、滾動(dòng)式鏈條輸送機(jī)。卸跺機(jī)械手在整個(gè)系統(tǒng)的頂端，負(fù)責(zé)把托盤上的貨物放到滾輪輸送機(jī)上；條形碼掃描儀對(duì)貨物上的條形碼進(jìn)行掃描，讀取貨物信息；Y向定位機(jī)構(gòu)確保貨物在Y向位置達(dá)到要求，實(shí)現(xiàn)貨物在Y向的定位；滾輪輸送機(jī)和滾動(dòng)式鏈條輸送機(jī)可以將貨物送達(dá)裝車區(qū)，起到傳送作用。（注：全文做如下定義，X方向與車輛方向平行，Y方向與X方向垂直，Z向垂直地面）。

龍門式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)貨物的Y向動(dòng)作，與剪切式機(jī)械手共同實(shí)現(xiàn)貨物的裝車作業(yè)。其由龍門架、固定導(dǎo)軌、同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、跑動(dòng)小車組成。固定導(dǎo)軌由鋪設(shè)在地面凹槽內(nèi)的工字鋼組成；龍門架支腿安裝在跑動(dòng)小車上，可以在導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)X向精確動(dòng)作；同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在龍門架的頂端兩側(cè)，可以帶動(dòng)剪切式機(jī)械手延Y向的動(dòng)作。

剪切式機(jī)械手實(shí)現(xiàn)貨物的抓取及貨物Z向的升降，是與貨物的直接接觸部分，也是最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)械手由剪切式升降機(jī)構(gòu)、吸盤組件組成。

1.2 系統(tǒng)工作流程

裝車前要進(jìn)行系統(tǒng)的預(yù)先設(shè)定，主要包括三部分工作：一是錄入貨物及貨車信息；二是貨車的?？浚蝗窍到y(tǒng)裝車初始位置確定。

完成以上裝車前準(zhǔn)備工作后，系統(tǒng)進(jìn)行正式裝車作業(yè)，系統(tǒng)工作流程如圖2所示。下面結(jié)合流程圖進(jìn)行較詳細(xì)的流程敘述：

1）放置托盤貨物，用叉車將擺放整齊的貨物放到指定區(qū)域。

2）掃描貨物信息，卸跺機(jī)械手抓取貨物，移動(dòng)貨物至掃描儀處，核對(duì)貨物出庫(kù)裝車信息，若有誤，系統(tǒng)報(bào)警，操作員介入處理，若無誤，進(jìn)入下一流程。

3）機(jī)械手卸跺，機(jī)械手將信息核對(duì)無誤的貨物放置到滾輪輸送機(jī)上，此時(shí)滾輪輸送機(jī)并不運(yùn)作。

4）貨物Y向定位，滾輪輸送機(jī)下方的光電傳感器檢測(cè)到有貨物放置后，輸出指令，貨物Y向定位機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使貨物Y向?qū)崿F(xiàn)位置確定，并且輸出動(dòng)作完成信號(hào)。

5）輸送機(jī)運(yùn)作，接到上一步動(dòng)作完成信號(hào)后，滾輪輸送機(jī)啟動(dòng)將貨物運(yùn)送到鏈條輸送機(jī)上。

6）貨物X向定位，貨物X向定位是通過龍門架上的X向定位擋塊實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)貨物隨鏈條輸送機(jī)到達(dá)龍門架擋塊位置時(shí)，被擋塊攔截，從而實(shí)現(xiàn)貨物的X向定位。貨物X向定位好后，檢測(cè)傳感器給出信號(hào)。

7）剪切式機(jī)械手定位，剪切式機(jī)械手根據(jù)工作節(jié)拍會(huì)提前運(yùn)動(dòng)到貨物上方，當(dāng)接到X向定位傳感器給出信號(hào)后機(jī)械手下降到貨物上方，然后控制吸盤吸取貨物。抓取傳感器會(huì)檢測(cè)貨物是否被吸盤吸起，若沒有吸起，機(jī)械手會(huì)再次下降到貨物上端重新吸取動(dòng)作，直到抓取貨物為止。完成抓取動(dòng)作后，機(jī)械手先Z向提升一段距離再Y向運(yùn)動(dòng)到貨車上，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)將貨物送達(dá)指定裝車位置，真空吸盤放下貨物，完成一個(gè)裝貨過程。如此反復(fù)運(yùn)作實(shí)現(xiàn)貨物的裝車。

2 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)

2.1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理

本裝車系統(tǒng)氣壓傳動(dòng)就是利用真空發(fā)生器產(chǎn)生真空吸附力，來抓取紙箱實(shí)現(xiàn)貨物的卸跺及裝車，動(dòng)作流程并不十分復(fù)雜，只需要簡(jiǎn)單的控制真空吸盤通斷即可。為保證貨物及設(shè)備人員安全需要考慮設(shè)置保護(hù)機(jī)制，并配備手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制功能。其氣壓原理圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

圖3 氣壓系統(tǒng)原理圖

2.2 主要?dú)鈮涸倪x擇

氣壓傳動(dòng)回路中兩個(gè)最主要的元件就是真空泵和真空吸盤，這兩個(gè)元件的選擇設(shè)計(jì)是系統(tǒng)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。

1）真空吸盤

下面就本裝車系統(tǒng)工作情況進(jìn)行真空吸盤的選擇設(shè)計(jì)：

取最大負(fù)載M=200kg，Z向提升加速度和Y向平移加速度均為2m/s2，12個(gè)吸盤同時(shí)作業(yè)。當(dāng)真空吸盤處于水平位置，工件為Z向垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，吸盤保持力為：

當(dāng)真空吸盤處于水平位置，且工件也為Y向水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，吸盤保持力為：

式中：S為安全系數(shù)，取1.5；μ為摩擦系數(shù)，由工件表面條件決定，此處為粗糙表面取0.6。

根據(jù)吸盤保持力估算吸盤有效直徑：

式中：pu為吸盤真空度，取0.7bar，在式中乘以10換算成7N/cm2。

吸盤吸取的貨物為紙箱，表面平整，應(yīng)選取標(biāo)準(zhǔn)型吸盤，本設(shè)計(jì)選擇CHELIC中國(guó)臺(tái)灣公司VB110(B)-12F(A)吸盤，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 真空吸盤技術(shù)參數(shù)

2）真空泵

目前能夠產(chǎn)生真空的裝置種類比較多，產(chǎn)生真空的傳統(tǒng)裝置有吸氣式真空泵和送氣式真空泵，經(jīng)過近幾年發(fā)展，目前又產(chǎn)生一種以空氣進(jìn)入噴射嘴產(chǎn)生真空的方式，稱為真空發(fā)生器或者真空噴射器。真空發(fā)生器、吸氣式真空泵和送氣式真空泵在工作方式以及技術(shù)原理上有很大不同。通過對(duì)比計(jì)算兩種不同裝置，最終選擇JP-200V-220真空泵，其具體技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 JP-200V-220真空泵技術(shù)參數(shù)

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本裝車系統(tǒng)采用PLC控制，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本裝車系統(tǒng)的核心部分。經(jīng)過前面機(jī)械及氣壓系統(tǒng)的描述，我們知道，本裝車系統(tǒng)執(zhí)行元件多，包含機(jī)器人、步進(jìn)電機(jī)、三相電機(jī)、真空泵、吸盤。需要采集的反饋信號(hào)也多，包括條形碼掃描器、限位傳感器、光電傳感器、編碼器、真空開關(guān)。此外本裝車系統(tǒng)還配有遙控器、觸摸屏、手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。

3.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3.2 選用PLC

PLC的選用主要考慮三個(gè)方面：

1）控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，有無復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，選用的功能模塊類型；

2）輸入輸出點(diǎn)數(shù)，計(jì)算出系統(tǒng)要占用的輸入輸出點(diǎn)，并且考慮到以后功能提升，一般預(yù)留約20%的點(diǎn)數(shù)，當(dāng)然預(yù)留點(diǎn)數(shù)沒有確切規(guī)定，需要根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際情況來決定。

圖4 整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3）存儲(chǔ)器容量的估算，根據(jù)程序復(fù)雜程度，輸入輸出點(diǎn)數(shù)、模擬量控制，等方面考慮。

表3 系統(tǒng)輸入輸出統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)的系統(tǒng)輸入輸出統(tǒng)計(jì)信息就可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)接線控制特點(diǎn)，占用RS485通訊較多，除連接需要外，這樣也能節(jié)約PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。系統(tǒng)占用25個(gè)輸入口、8個(gè)輸出口，考慮系統(tǒng)功能升級(jí)，綜合考慮選用FX2N-32MR-001系列PLC，再配一個(gè)FX2N-16EX輸入擴(kuò)展模塊，通信適配器選用FX2NC-485ADP。

3.3 控制電路的設(shè)計(jì)

圖5 PLC輸入輸出圖

4 結(jié)論

1）能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同規(guī)格的貨物的裝車作業(yè)，只要將貨物的尺寸信息，裝車程序?qū)胂到y(tǒng)當(dāng)中即可，裝車時(shí)根據(jù)貨物信息選擇裝車程序，即可完成相應(yīng)貨物的裝車。

2）選用了較先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制方式，能實(shí)現(xiàn)貨物較緊密的裝車碼垛。

3）采用真空氣壓系統(tǒng)抓取貨物，使貨物抓取機(jī)構(gòu)可靠、實(shí)用。

4）借鑒選用龍門式結(jié)構(gòu)、剪切式結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)既能夠完全覆蓋所裝車輛，又比較簡(jiǎn)單實(shí)用。

5）系統(tǒng)能夠與叉車、裝車環(huán)境很好的銜接起來，盡可能的使各部分的工作節(jié)拍匹配起來，提高工作效率。

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