立体仓库自动分拣系统的设计.docx
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立体仓库自动分拣系统的设计
立体仓库自动分拣系统的设计
立体仓库自动分拣系统的设计
摘要
自动化是现代物流技术发展的主要趋势,因此作为现代物流系统主要组成部分的立体仓库在整个物流系统中占有非常重要的地位。
如何准确的放置不同货物,这才是本文的关键,我选择的是用机械手来完成这项任务。
机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。
它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。
可以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,在国民经济中发挥着很大的作用,因此应用也就十分的广泛。
本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上,结合机械手方面的设计,对机械手技术进行了系统的分析,提出了PLC控制的设计方案等。
在PLC控制下,它可在行程范围内将物体从一点搬运至另一任意点,可置放于各种不同的货架上。
控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。
通过以上部分的工作,得出了经济型、实用型、高可靠型分拣机械手的设计方案,这样就更加有利于我们来放置不同的货物,大大的提高了工作效率。
关键词:
机械手,可编程控制器(PLC),立体仓库,物流,
TheDesignforTheAutomaticsortingSystemofThe
Warehouse
Abstract
Automatictechnologyisthemaintendenceofthelogistic.Asthemainelementofthemodernlogisticsystem,automatedstoragehasaveryimportantstatueinthewholelogisticsystem.Howaccurateplacementofdifferentgoods,thisisthekeytothisarticle,Ichosetousetherobottoaccomplishthistask.Manipulatorplaysanextremelyimportantroleinthefiledofadvancedmanufacturing.Itcancarrygoodssortmaterialsanddoheavryworksinsteadofthethehumanbeings.Italsocanrealizemechanizationandautomationoftheproduction,dothejobsinharmfulenvironmenttoprotectthepersonalsafety.Playinthenationaleconomyabigrole,italsoawiderangeofapplication.
Throughoutthispeper,robotdevelopmentinrecentyears,basedonthedesignaspectsofacombinationofmechanicalhand,robttechonolgyonasystematicanalysis,presentedthedesignofPLCcontrolprograms.OnthecontrolofthePLCsystem,itcantakebodiesfromoneplacetoanotherintherangeofitsjourney,Canbeplacedindifferentshelves.SelectthePLCcontrolsystemforthecontrolunittocompletetheinitializationofsystemfunctionality,themobilerobot,faultalarmfunctionsandsoon.
Throughtheworkabove,apractical,economical,high-reliabilitysortingmaterialmanipulatorwasdesigned,Thiswillhelpustoplacemoredifferentgoods,whichgreatlyimprovestheefficiencyof.
Keywords:
Manipulator;Programmablelogiccontroller(PLC);Retrievalsystem;Logistic
第一章前言
1.1立体仓库的简介
自动化是现代物流技术发展的一个主要趋势,因此作为现代物流系统主要组成部分的立体仓库在整个物流系统中占有非常重要的地位。
立体仓库的出现不仅彻底改变了整个仓储物流行业劳动密集、效率低下的落后状况,而且极大的拓展了仓库的功能,适应了物流现代化的发展要求。
立体仓库是一个将毛坯、半成品、配套件或成品、工具等物料自动存取、自动检索的系统,是物流系统的重要组成部分。
立体仓库主要由库房、堆垛起重机、出入库运输机、控制计算机、状态检测器等部分组成,必要时还配有信息输入设备如条形码扫描器等。
立体仓库是一种设置有高层货架,并配置有仓储机械和自动控制、计算机管理系统,以实现物料搬运、存储机械自动化,存储管理现代化的一种新型仓库。
它充分利用仓库空间,集信息、存储、管理与一体化,利用微电子自动控制技术实现仓储作业的自动化,采用先进的计算机管理系统实现管理现代化。
与普通平库相比,它有无可比拟的优越性:
首先立体仓库节约空间、节省劳动力,可充分提高仓库的空间利用率,降敌仓储成本。
据国际仓储自动化协会提供的资料显示:
以库存11000托盘,月吞吐10000托盘的冷库为例,自动化立体仓库与普通平库比较情况为:
用地面积为13%,工作人员为21.9%,吞吐成本为55.7%,总投资为63.3%,而且立体仓库单位面积存储量是普通平库的4-7倍。
其次、由于采用自动控制技术及计算机管理系统,极大的提高了仓库吞吐效率和管理水平。
其存储作业迅速准确,使作业过程中的货损大大的减少;通过对仓库物资的优化管理,可减少库存、缩短物资的周转期,提高资金的周转率,从而提高经济效益。
再次、自动化程度高,可实现高速数据通讯、实时图像显示,为可视化监控提供了方便。
1.2自动分拣系统的分类及功能
1.2.1自动分拣系统的组成
自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成
控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号,根据分拣信号的要求指示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进行自动分类。
这些分拣需求可以通过不同方式,如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测及形状识别等方式,输入到分拣控制系统中去,根据对这些分拣信号判断,来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。
分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示,当具有相同分拣信号的商品经过该装置时,该装置动作,使改变在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。
分类装置的种类很多,一般有推出式、浮出式、倾斜式和分支式几种的装置对分拣货物的包装材料、包装重量、包装物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。
输送装置的主要组成部分是传送带或输送机,其主要作用是使待分拣商品贯通过控制装置、分类装置,并输送装置的两侧,一般要连接若干分拣道口,使分好类的商品滑下主输送机(或主传送带)以便进行后续作业。
分拣道口是已分拣商品脱离主输送机(或主传送带)进入集货区域的通道,一般由钢带、皮带、滚筒等组成滑道,使商品从主输送装置滑向集货站台,在那里由工作人员将该道口的所有商品集中后或是入库储存,或是组配装车并进行配送作业。
以上四部分装置通过计算机网络联结在一起,配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的自动分拣系统
1.2.2自动分拣系统的分类
堆块式分拣系统(Pushersortingsystem)
堆块式分拣机由链板式输送机和具有独特形状的滑块在链板间左右滑动进行商品分拣的推块等组成。
推块式分拣系统是由推块式分拣机,供件机,分流机,信息采集系统,控制系统、网络系统等组成。
1、可适应不同大小、重量、形状的各种不同商品;
2、分拣时轻柔、准确;
3、可向左、右两侧分拣,占地空间小;
4、分拣时所需商品间隙小,分拣能力高达18000个/时;
5、机身长,最长达110米,出口多。
交叉带式分拣系统(CarbelSorting)
由主驱动带式输送机和载有小型带式输送机的台车(简称“小车”)联接在一起,当“小车”移动到所规定的分拣位置时,转动皮带,完成把商品分拣送出的任务。
因为主驱动带式输送机与“小车”上的带式输送机呈交叉状,故称交叉带式分拣机。
主要优点/性能参数
1、分拣能力,一般达6000~7700个/时。
2、适宜于分拣各类小件商品,如食品、化妆品、衣物等。
3、分拣出口多,可左右两侧分拣。
注:
(大型交叉带式分拣系统一般应用于机场行李分拣和安检系分类,根据作业现场的具体情况可分水平循环式或直行循环式)
斜导轮式分拣机(LineshaftDiverter)
当转动着的斜导轮,在平行排列的主窄幅皮带间隙中浮上、下降时,达到商品的分拣目的。
主要优点/性能参数
1、对商品冲击力小,分拣轻柔;
2、分拣快速准确;
3、适应各类商品,只要是硬纸箱、塑料箱等平底面商品;
4、分拣出口数量多。
轨道台车式分拣机Palletsortingsystem
被分拣的物品放置在沿轨道运行的小车托盘上,当到达分拣口时,台车托盘倾斜30度,物品被分拣到指定的目的地。
分类
1、可三维立体布局,适应作业工程需要。
2、可靠耐用,易维修保养。
3、适用于大批量产品的分拣,如报纸捆,米袋等。
摇臂式分拣机(SwingArmDiverter)
被分拣的物品放置在钢带式或链板式输送机上,当到达分拣口时,摇臂转动,物品沿摇臂杆斜面滑到指定的目的地
主要优点/性能参数
1结构简单价格较低
2垂直式拣选系统(VertecalPickingSystem)
垂直式拣选系统(又称折板式垂直连续升降输送系统)是不同楼层间平面输送系统的连接装置。
根据用途和结构的不同,有从某楼层分拣输送至某楼层;从某楼层分拣输送至不同的各楼层;从某楼层分拣输送至某楼层的不同出口方向。
1.2.3自动分拣系统的特点
(1)轻柔平稳的单个处理
由于其内在的灵活性,系统能快捷自动地适应于物件不同的尺寸、重量和条型码信息等。
交叉带的加速起动是完全受控的,因此,物件会在分拣过程中保持它们的位置和方向,而不会在加速和减速时翻转和滚动。
(2)可靠性和易维护性
分拣系统由免维护的直线电机驱动,而每个交叉带都由标准的、免维护的无刷直流伺服电机控制。
由于在驱动系统中消除了机械接触,并在系统与交叉带单元的数据交换中采用了红外通讯,整个系统的磨损被降低到最小。
整体而言,该分拣机有着最少的可磨损部件。
任何损伤部分都可被极快和极方便地替换。
若某一交叉带单元中的部件在运行中发生损伤,则该单元的动作可通过控制系统被临时中止,而待系统结束运行后再予以维修。
(3)灵活的系统设计
系统由预制的模块组成,从而使现场安装得以简化,并确保系统在安装后亦易于改建和扩展。
系统能回旋于不同楼层间和适于低建筑高度的特性,使其能极大地节省空间,和适应于新的或已建成的工作场地。
1.2.4自动分拣系统的功能
(1)具有广泛的物品处理能力
可适应易碎物品的分拣处理,可适应在分拣全过程中需保持其精确的位置方向物品的分拣处理;适应分拣处理的物品尺寸变化范围大。
(2)分拣处理无落差
可使物品的分拣过程做到无落差处理,避免出现物品在分拣过程中出现损坏现象。
(3)高效率低噪
独特的设计达到了高效率和低噪音的水平,可在限定的几个小时内能集中处理几万件物品。
(4)网络化
该设备在光、机、电一体化的基础上同时融入了网络技术,从而做到物品信息一次输入,然后在分拣、核对、制单、跟踪查询等多次使用,使其成为信息网、金融网和实物网的重要汇接技术合成系统设备。
1.3国内外目前的现状及发展趋势
纵观国内外分拣系统的应用情况可以发现,国外的物流配送中心倾向于采用自动化程度很高的分拣系统。
而在我国,由于物流业起步晚,分拣系统中人工作业的比例也较高。
国外自动分拣系统的广泛使用,以美国、日本及欧洲为代表的发达国家,在分拣系统的应用上呈现出自动化程度越来越高的特点。
自动分拣系统已成为发达国家大中型物流中心、配送中心或流通中心不可缺少的一部分。
自动分拣系统(AutomatedSortingSystem)是二战后在美国、日本以及欧洲的大中型物流中心广泛采用的一种分拣系统,参照邮局分拣信件自动化的经验配置而成。
一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口四部分组成,它们通过计算机网络联结在一起,配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的分拣系统。
其主要特点有三:
能连续、大批量地分拣货物,分拣误差率极低,分拣作业基本实现无人化。
自动分拣系统中人员的使用仅局限于进货时的接货、系统的控制、系统的经营、管理与维护等,这恰好适应了国外企业对减少人员使用、减轻员工劳动强度、提高人员使用效率的要求,因此受到了他们的广泛重视。
就国外进行配送业务的行业或企业来说,自动拣选系统已被广泛应用在医药行业、化妆品制造等行业,如日本资生堂、花王、大木等株式会社;自动分拣机作为自动分拣系统中的关键设备,因其每小时可达6,000-12,000箱的高分拣效率,在日本和欧洲也得到广泛应用:
日本的连锁商业(如西友、日生协、高岛屋等)和宅急便(大和、西浓、佐川等)均普遍使用自动分拣机;在日本唱片中心,CD及录像带的新出版品也利用高端的机器人自动分拣机拣货。
然而,尽管自动分拣系统有非常多的优点,但因其要求使用者必须具备一定的技术经济条件,在发达国家,物流中心、配送中心或流通中心不用自动分拣系统的情况也很普遍。
其主要原因有两点:
(1)、一次性投资巨大,先期投入回收慢。
系统的设备复杂,投资和运营成本相当高,需要可靠的货源作保证,也许只有大型生产企业或专业物流公司才有能力投资,小企业则无能为力
(2)、系统对商品外包装要求高。
为使大部分商品都能用机械进行自动分拣,需要采取诸如推行标准化包装、根据分拣商品统一的包装特性定制分拣机等二次措施。
但要让所有商品的供应商都执行国家的包装标准是很困难的,定制分拣机又会使硬件成本上升,且越是特别的通用性就越差。
因此,除自动拣选系统外,国外配送中心对于计算机辅助拣选系统的利用也相当普遍。
在流通领域,特别是连锁超市、便利店的配送中心都广泛使用电子标签、RF等计算机辅助拣选系统。
与整个物流业的大环境相似,我国在分拣系统和技术方面相对发达国家还比较落后,人工作业的情况仍比较普遍,电子标签、RF技术等辅助拣选系统的生产和使用还不多,自动拣选系统更是寥寥无几。
总的来说,我国分拣系统的应用呈现出集约化程度低、自动化系统和设备应用范围不广泛的特点。
阻碍自动化拣选系统发展的因素有很多,有些则是与我国整个物流业存在的问题相一致的。
物流标准化就是我国物流业长期关注的一个问题。
商品的条码化、包装的标准化等是自动化拣选系统得以顺利运行的保证,而在我国,由于商品包装箱(指运输包装)上基本没有印刷条码,商业系统至今尚没有认真研究过运用自动分拣机。
另外,由于一个公司或企业往往无法左右整个行业的进展,一些大企业倾向于开发适合自己业务特点的系统,这又进一步造成了实际中接口的障碍。
自动化设备和系统的价格问题也是另一个阻碍因素,小企业一般无力购进高价设备。
如今,国际竞争日益加剧,为了发展我国物流业,国内的许多企业和政府部门也在做更大的努力,也已取得了一定的成效。
例如,随着科技的日新月异,国内的一些物流配送中心也开始结合自身特点、采用高技术含量的设备和系统来提高分拣配送效率。
上海华联超市的配送中心采用高层立体货架和拆零商品拣选货架相结合的仓储系统和前移式蓄电池叉车、电动搬运车、电动拣选车和托盘,实现装卸搬运作业机械化,同时拆零商品配货电子化。
采用电子标签拣选系统,使用电子标签设备,大幅度提高了分拣作业速度、降低了拣货出错率。
随着对物流业的重视,国内一些物流设备生产企业在分拣设备的生产制造上也取得了一定的进展。
例如,太原刚玉仓储设备公司和贵阳普天通信机械厂已设计生产货架电子标签拣选系统、小车式数字显示拣选系统、邮件自动分拣系统等;珠海普天慧科信息技术有限公司研发出PTL(Pick-to-light&Put-to-light)电子标签拣选系统,除具备电子标签拣选系统的一般优点之外,还具有弹性控制拣货作业流程、即时现场监控、紧急订单处理和缺货通知等强大的功能。
在自动拣选技术和系统方面,自动分拣技术在20世纪70年代被引入国内,我国的邮政系统最早并已多年使用自动分拣设备,并在长期的实践中不断创新、不断进步。
例如,邮电部相关部门相继开发和研制出具国际水平的CORE-NT自动分拣系统,性价比很高的扁平邮件高速自动分拣系统;上海邮政通用技术设备公司研制成功了速递邮件网络化自动分拣系统等。
今年6月份,邮政系统还推出了新的信封标准以更好的配合自动化的信件分拣系统。
虽然在邮政系统外的其它行业,国内对自动分拣系统的使用还非常少,但有关部门和企业正在为此做出不懈的努力。
可以肯定,随着物流大环境的逐步改善,自动分拣系统在我国流通领域一定会大有用武之地。
纵观以上的情况,研究新一代的,高性能的自动分拣系统是很有必要的。
它对国名经济的发展起到了很发大的作用。
目前我国的自动分拣系统相对于欧美发达国家还是很落后的,人工作业的情况仍比较普遍,电子标签、RF技术等辅助拣选系统的生产和使用还不多,自动拣选系统更是寥寥无几。
因此这些都阻碍了我过经济的发展,降低了我国商品的国际竞争力。
所以我国一定要开发更高性能的自动分拣装置,来实现商品的现代化运送,促进经济更加快速的增长。
1.4主要研究的内容
本课题的研究实际上是一个关于货物合理分配的问题,是物流中的一个重要的环节。
物流是指物品从供应地向接收地的实体流动过程。
根据实际需要,将运输,储存,装卸,搬运,包装,流通加工,配送,信息处理等基本功能实施有机的结合。
它是根据物品的种类,数量和质量,在最合适的时刻,以最低的成本将其输送到正确的地点,并及时完成物品信息的传输和修改,以及输送工具的回收的而全过程。
所以自动分拣系统的核心内容就是如何使大量的不同类型的物品自动的放到相应的货架上去而不出现差错,还有如何识别不同类型的物品。
这是设计这个系统的两大核心的问题。
自动分拣系统由合流、分拣识别、分拣分流和分运四个分段构成。
本课题的难点就是如何准确无误的分拣出不同的商品,我在这个课题里采用机械手来分拣不同的货物。
机械手的系统结构框图
机械手电磁阀
传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。
它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态,为有效地控制系统的动作提供信息。
机械手动作的时机需要传感器来给予,本设计所要用到的传感器包括:
电感接近开关,电容接近开关,光电传感器,滑台限位开关。
其中,电感接近开关用于判断元件在传送带上的位置,电容接近开关用于判断元件的材质,光电传感器用于判断元件颜色,滑台限位开关是判断滑台的位置。
因此合理的应用传感器是本课题所必须的。
通过传感器的指令来控制机械手的行动。
此外还有控制系统的设计,机械手的设计都是这次论文的核心。
1.5本论文需要解决的问题
(1)解决机械手机械结构的设计问题,要求机械手结构简单、经济、具有一定的代表性。
(2)执行部件的运动精度的问题
(3)机械手的控制系统,包括控制系统的电路和控制程序,并解决工件和控制系统的协调问题。
(4)传感器的类型选择
(5)PLC的应用和相关程序的编写以及相关电路图的绘制
第二章总体方案的设计
2.1控制要求
要求如下:
1)按下启动按钮后若滑台不在原点,则返回原点
2)启动电机
3)判断货物的体积和重量
4)判断是否到达传动带末端
5)电机停止
6)机械手动作
7)将不同类型的货物分拣到相应的仓库的货架上
8)机械手回原点
9)电机启动进入下次分拣
2.2系统结构框图
该装置包含了PLC控制技术、位置检测技术、气动技术等,由PLC(三菱FX1N)、电动机、开关电源、电磁滑、变频器、传感器等器件,系统的功能子模块有:
传动模块;机械手模块(含真空吸放);气源处理模块;传感器检测模块;电源模块;可编程控制器模块;变频器模块;气动电磁阀模块。
具体结构框图如下:
图2.1系统结构框图、
2.3系统框图
系统功能图如下:
2.4传感器与电动机的布置
2.4.1传感器的布置
根据本次设计要求,传感器的分类如下:
1)对货物进行跟踪:
与计数器相连,探测到货物之后,计数器计数。
2)减速控制:
由于传送链速度较快,为避免货物由于惯性来不及制动,设计三级调速,经过传感器之后电动机自动调速。
3)启停控制:
根据货物运行情况和位置对电动机进行启停控制,避免货物堵塞以及传送链在没有货物的情况下空转。
4)升降控制:
检测到货物之后对升降机的运行状态进行控制。
具体布置:
(见下图)
1)1#,5#,9#,13#,14#为货物跟踪传感器
2)2#,3#,6#,7#,10#,11#,15#,16#,18#,19#,22#,23#为减速控制传感器
3)4#,8#,12#,17#,20#24#为启停控制传感器
4)5#,13#,21#为升降控制传感器
布置主要基于以下考虑
a)传送链运行速度较快,立即制动较难,所以设置三级调速,故在每段传送链的尾段布置三个传感器。
b)为便于对升降机上的货物跟踪,单独在升降机上布置传感器。
2.4.2电机的布置
运动与水平传送链上的运动相一致,理论上来说也是可以的,但这种方法使升降台的运动必须与水平传送链的运动一致,效率太低,故在此布置电机。
M11M22M33
(电机布置见下图)
根据本次设计要求,电机的分类如下
1)控制水平传送链的电机M1M3M4M6M7M9
2)控制上下运行的升降台的电机M2M5M8为能够控制升降台的高度,一般有下述方法
a)在升降台的两侧安装“光电传感器”
b)行程开关
比较下来觉得行程开关较简便,故在升降台处装行程开关
3)控制升降台上水平运行滚筒的电机。
如果此段不布置电机,使升降台上的水平运动与水平传送链上的运动相一致,理论上来说也是可以的,但这种方法使升降台的运动必须与水平传送链的运动一致,效率太低,故在此布置电机。
M11M22M33
(电机布置见下图)
(电机的布置图)
2.5控制方式的选用
2.5.1控制方式的简介
在此先介绍一下立体仓库的控制方式,一般有三种:
DCS,PLC和FCS。
A)DCS或TDCS
1、`分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C(Comunication,Computer,Control,CRT)技术于一身的监控技术。
2、从上到下的树状拓扑大系统,其中通信(Comu
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