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      PLC、GOT、定位單元、伺服電機(jī)在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制中的應(yīng)用

      2011-05-08 06:48:26林躍飛
      關(guān)鍵詞:立體倉(cāng)庫(kù)堆垛三菱

      林躍飛

      (陽(yáng)江市技工學(xué)校,廣東 陽(yáng)江 529500)

      前言

      隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算機(jī)的性能以及穩(wěn)定性等大幅度提高,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的日益成熟,一種新的控制方式--軟PLC控制方式逐漸形成并逐漸被應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域,其中就包括自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)。立體倉(cāng)庫(kù)模型控制系統(tǒng)是根據(jù)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行的基本原理而設(shè)計(jì)的。在整個(gè)控制系統(tǒng)中以三菱FX2n-32MR型PLC作為核心控制元件,三菱FX2N-20GM作為PLC專用定位單元用來(lái)控制伺服電機(jī)(三菱MR-E-20A)來(lái)驅(qū)動(dòng)倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)的X軸與Y軸,控制雙軸氣缸來(lái)驅(qū)動(dòng)Z軸,堆垛機(jī)的兩軸在高強(qiáng)度導(dǎo)軌上做二維運(yùn)動(dòng)。

      一、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)

      自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是指在不直接進(jìn)行人工處理的情況下,自動(dòng)地完成物品倉(cāng)儲(chǔ)和取出的系統(tǒng),它以高層立體貨架為主體,以成套搬運(yùn)設(shè)備為基礎(chǔ),是集自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)電技術(shù)于一體的高效率、大容量存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。PLC作為一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī),具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價(jià)比等性能,是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。

      二、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型研究的意義

      自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是指在不直接進(jìn)行人工處理的情況下,自動(dòng)地完成物品的存放和取出的系統(tǒng),根據(jù)這個(gè)原理結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型主要應(yīng)用于自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)教學(xué)儀器的演示部分,目的是幫助自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生了解自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原理以及整個(gè)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程、熟悉電氣控制的基本原理,了解電氣控制在現(xiàn)代科技應(yīng)用中的重要性,以及PLC應(yīng)用在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的作用和一些不可替代性的優(yōu)點(diǎn)。熟悉PLC的外圍電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程等。同時(shí)本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方案上結(jié)合了正在開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型,并對(duì)其技術(shù)方案進(jìn)行了描述,為日后自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的具體實(shí)施作一個(gè)技術(shù)上的參考。使未來(lái)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)更趨于完美化。

      三、系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)

      1.設(shè)計(jì)思想

      本設(shè)計(jì)是以可編程控制器(Programmable Logic Controller簡(jiǎn)稱 PLC)為核心,三菱FX2N-20GM作為PLC專用定位單元,控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)有二個(gè)自由度的堆垛機(jī)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)中立體倉(cāng)庫(kù)的存取過(guò)程。在整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中采用開(kāi)環(huán)控制方式,觸摸屏(三菱GT1155)為人機(jī)接口元件,PLC和定位單元為控制元件,伺服電機(jī)和電磁閥(雙軸氣缸)為執(zhí)行元件來(lái)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)在高強(qiáng)度導(dǎo)軌上做三維運(yùn)動(dòng),堆垛機(jī)傳動(dòng)部件為高精度絲杠傳動(dòng)。運(yùn)行時(shí)PLC會(huì)接收和分析操作人員在觸摸屏上的輸入指令,做出合理的工作安排。即讀取執(zhí)行元件的信息,通過(guò)軟件做出合理的工控安排反饋到執(zhí)行元件和操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)車位的位置移動(dòng)。具體原理方框圖如圖1所示。

      圖1 系統(tǒng)方框圖

      2.本設(shè)計(jì)控制要求

      (1)PLC根據(jù)觸摸屏所設(shè)置不同物品對(duì)應(yīng)倉(cāng)位實(shí)現(xiàn)十二個(gè)倉(cāng)位的自動(dòng)存取,本系統(tǒng)對(duì)三層倉(cāng)位每層放置不同的三類物品,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)尋找此空位來(lái)實(shí)現(xiàn)物品的依次存放,存放結(jié)束后自動(dòng)返回原點(diǎn)(機(jī)械原點(diǎn)),等待下一個(gè)存放命令。PLC接受存放命令向目標(biāo)空位靠近的運(yùn)動(dòng)默認(rèn)為有負(fù)荷運(yùn)動(dòng),此時(shí)為低速運(yùn)動(dòng),以獲得較大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩,回原點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)默認(rèn)為空載,此時(shí)堆垛機(jī)快速移動(dòng),可以節(jié)省工作時(shí)間,提高效率。

      (2)具有急停功能。當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其它意外等,可以點(diǎn)擊急停按鍵,此時(shí)系統(tǒng)會(huì)立即停止運(yùn)行并保持原位置。但系統(tǒng)再次運(yùn)行務(wù)必要回原點(diǎn)校正。因?yàn)橄到y(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制,其速度由伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)接受的脈沖頻率決定,運(yùn)行位移量由脈沖數(shù)目決定。而各空位對(duì)應(yīng)的脈沖頻率、數(shù)量數(shù)據(jù)均由程序設(shè)定。

      (3)能夠快速返回原點(diǎn)。堆垛每次執(zhí)行完取/放料動(dòng)作完成后,系統(tǒng)便快速返回原點(diǎn)。本功能也可以作為原點(diǎn)校正用,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行誤差積累導(dǎo)致工作臺(tái)不能精確定位,借此可以校正。

      (4)有手動(dòng)和自動(dòng)檔選擇,可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式。并且在觸摸屏上有點(diǎn)動(dòng)按鈕導(dǎo)航鍵,分別用于控制堆垛機(jī)X軸正向與反向運(yùn)行,Y軸正向與反向運(yùn)行,Z軸(物料叉)伸縮運(yùn)動(dòng)運(yùn)。規(guī)定遠(yuǎn)離原點(diǎn)為正向,靠近原點(diǎn)為反向。同時(shí)在控制臺(tái)上設(shè)置手動(dòng)操作的十字開(kāi)關(guān),對(duì)堆垛機(jī)X與Y軸手動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的存放操作。

      (5)堆垛機(jī)X軸與Y軸方向定位由輸出脈沖序列專用單元FX2N-20GM控制兩臺(tái)MR-E-20A伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn);堆垛機(jī)取放料機(jī)構(gòu)物料叉由PLC驅(qū)動(dòng)電磁閥控制氣缸伸縮動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)取放物品功能。

      (6)裝配物品檢測(cè)傳感器,PLC獲取此信息并根據(jù)觸摸屏對(duì)物品分類入庫(kù)參數(shù)設(shè)置,實(shí)現(xiàn)對(duì)物品分類入倉(cāng)。

      (7)觸摸屏功能:在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)對(duì)象的監(jiān)視及倉(cāng)庫(kù)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的顯示功能,具體要求:①自動(dòng)控制;②手動(dòng)控制;③系統(tǒng)急停;④物品對(duì)應(yīng)倉(cāng)位設(shè)置;⑤倉(cāng)庫(kù)物品實(shí)時(shí)庫(kù)存數(shù)量統(tǒng)計(jì);⑥歷史庫(kù)存數(shù)量統(tǒng)計(jì);⑦倉(cāng)庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)視;⑧出庫(kù)操作;⑨系統(tǒng)報(bào)警(如滿倉(cāng))。

      3.系統(tǒng)構(gòu)成

      系統(tǒng)由可編程控制器(FX2n-32MR)、定位單元(FX2n-20GM)、觸摸屏(三菱GT1155)、伺服電機(jī)(MR-E-20A)及氣缸(物料叉)等組成??刂齐娐穲D如圖2所示。

      三、系統(tǒng)主要器件及在系統(tǒng)中的功能簡(jiǎn)介

      1.可編程控制器(PLC)

      本設(shè)計(jì)中用的主控制器MITSUBISHI FX2N-32MR型PLC為本三菱公司生產(chǎn)的一款小型PLC,F(xiàn)X2n系列PLC把許多其他PLC的優(yōu)點(diǎn)都融進(jìn)一個(gè)很小的控制器中。FX2n適用于最小的封裝,是希望低成本的用戶在有限的I/O范圍尋求強(qiáng)大控制功能的首選目標(biāo)。內(nèi)部提供多達(dá)32個(gè)I/O點(diǎn),并且能夠通過(guò)串行通信傳輸數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)PLC為核心元件對(duì)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理。

      2.觸摸屏(GOT)

      觸摸屏是觸摸式圖形顯示終端的簡(jiǎn)稱,它是一種人機(jī)交互裝置。一般通過(guò)串行接口與計(jì)算機(jī)、PLC或其他外圍設(shè)備連接進(jìn)行通信,由專用軟件完成畫(huà)面的制作和傳輸,實(shí)現(xiàn)其作為圖形操作和顯示終端的功能。在控制系統(tǒng)中,觸摸屏常作為PLC的輸入和輸出設(shè)備,通過(guò)使用相關(guān)軟件,設(shè)計(jì)出滿足用戶要求的監(jiān)控畫(huà)面,實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的操作和顯示。

      3.定位單元

      定位單元FX2n-20GM型是三菱公司生產(chǎn)的輸出脈沖序列的專用單元。定位單元允許用戶使用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī),并通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元來(lái)控制定位。一個(gè)定位單元能控制兩根軸;定位單元配有一種專用定位語(yǔ)言(cod指令)和順序語(yǔ)言(基本指令和應(yīng)用指令);當(dāng)連上一個(gè)通用的脈沖發(fā)生器(集電器開(kāi)路型)后,手動(dòng)進(jìn)給有效;當(dāng)連接上一個(gè)帶有絕對(duì)位置(ABS)檢測(cè)功能的伺服放大器后,每次啟動(dòng)時(shí)的回零點(diǎn)可以被保存下來(lái)。當(dāng)連上一個(gè)FX2n系列PLC時(shí),定位數(shù)據(jù)可被讀/寫(xiě),定位單元也可不需要任何PLC單獨(dú)運(yùn)行。

      4.伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)

      本設(shè)計(jì)中采用兩臺(tái)三菱通用AC伺服MR-E-20A型交流伺服放大器,控制模式有位置控制和速度控制2種模式,而且能夠切換位置控制和速度控制進(jìn)行運(yùn)行。位置控制模式時(shí)可用最高500Kpps的高速脈沖串執(zhí)行電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和方向的控制。MR-E系統(tǒng)伺機(jī)服電機(jī)的編碼器采用14386脈沖/轉(zhuǎn)分辨率的增量位置編碼器,可進(jìn)行高精度定位。 兩臺(tái)伺服電機(jī)為本設(shè)計(jì)執(zhí)行元件,控制傳動(dòng)部件絲杠旋轉(zhuǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。

      5.驅(qū)動(dòng)支架倉(cāng)庫(kù)模型

      驅(qū)動(dòng)支架(堆垛機(jī))是此模擬機(jī)的重要機(jī)械部分,要求有高的強(qiáng)度和傳動(dòng)精度用于保證運(yùn)行的精度和可靠性。其有效坐標(biāo)行程(可運(yùn)動(dòng)最大坐標(biāo)值)為X×Y×Z=460×450×70mm。其各坐標(biāo)方向上各有三根軸,中間是傳動(dòng)絲杠,兩邊是導(dǎo)軌。倉(cāng)庫(kù)模型采用鋼架結(jié)構(gòu),為3×4行列式,共12個(gè)空位。

      四、關(guān)鍵問(wèn)題處理

      在本模擬自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)中,主要根據(jù)輸出脈沖序列的專用單元FX2n-20GM對(duì)伺服電機(jī)控制,即采用脈沖開(kāi)環(huán)控制方式設(shè)計(jì),由三菱FX2n-32MR型PLC、定位單元FX2n-20GM、MR-E伺服電機(jī)、氣缸、開(kāi)關(guān)電源(DC24V)、一個(gè)基本的控制臺(tái),起控制和驅(qū)動(dòng)作用。

      當(dāng)定位單元發(fā)出一定脈沖,經(jīng)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度,要想實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)的精確控制,傳動(dòng)部件絲杠旋轉(zhuǎn)一圈進(jìn)給量為6mm,因此需依此量并參照機(jī)械零點(diǎn)位置計(jì)算出每一倉(cāng)位對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值。

      結(jié)束語(yǔ)

      本控制系統(tǒng)是根據(jù)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行的基本原理設(shè)計(jì)的,以三菱FX2n-32MR型PLC作為核心控制元件,三菱FX2N-20GM作為PLC專用定位單元用來(lái)控制伺服電機(jī)(三菱MR-E-20A)來(lái)驅(qū)動(dòng)倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)的X軸與Y軸,驅(qū)動(dòng)一個(gè)有二自由度的堆垛機(jī)在高強(qiáng)度導(dǎo)軌上做二維運(yùn)動(dòng)??刂茪飧讋?dòng)作驅(qū)動(dòng)Z軸,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的自動(dòng)存取任務(wù)。在這次設(shè)計(jì)中,基本完成了倉(cāng)庫(kù)模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了其主要功能。此設(shè)備調(diào)試表明所選設(shè)計(jì)方案均是可行的。此倉(cāng)庫(kù)模型控制系統(tǒng)適合自動(dòng)化類教學(xué)儀器的演示,也可以為自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的具體實(shí)施作一個(gè)技術(shù)參考。

      [1]三菱電機(jī)《FX1S;FX1N;FX2N;FX2NC 系列編程手冊(cè)》.

      [2]三菱電機(jī)《FX2N-10GM;FX2N-20GM 編程手冊(cè)》.

      [3]三菱電機(jī)《MR-E 伺服放大器使用手冊(cè)》.三菱電機(jī)《GT Designer2版本2畫(huà)面設(shè)計(jì)手冊(cè)》.

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