李庭贵

（泸州职业技术学院，泸州 646005）

0 引言

步进电机是一种将电脉冲转换为角位移或直线运动的执行设备。在非超载的情况下，电机转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，因此步进电机广泛应用于精密控制场合[1]。

自动化立体仓库也称立库，是在不直接进行人工参与的情况下自动地存储和取出物料的系统，采用高层货架存储货物，用专门的仓储作业设备进行货物出入库作业。其具体功能是：在接收工位接收送料单元送来的工件，按照工件信息而自动运送至相应仓位，并将工件推入立体仓库指定位置存储。

1 系统总体设计

1.1 系统结构设计

立体仓库存储系统主要由PLC控制模块、步进驱动模块、丝杆驱动模块、工件推出模块、立体仓库、气源处理组件等部件组成。系统结构示意图如图1所示。

1.2 精确定位原理

PLC每发出一个脉冲，步进电机转动一个步距角度，X轴步进电机带动X轴丝杆做左右直线运动或Z轴步进电机带动Z轴丝杆做上下直线运动，实现载物台的上、下、左、右运动。通过控制X轴、Z轴步进电机的脉冲个数，就可以控制载物台在X轴、Z轴上移动的距离，实现载物台在X—Z轴平面的精确定位，从而把物体放到仓库的指定位置。当PLC输出5000个脉冲时，平移距离为3.125cm（平移距离=步距角×脉冲个数×螺距/360o），输出脉冲为10000时平移距离理论值为6.25cm。

2 系统硬件设计

2.1 PLC控制模块

立体仓库精确定位存储控制系统选用西门子S7-200系列的CPU 224 CN作为控制器。它有24个I/O点（14输入点，10个输出点出），具有体积小、功能强、性价比高等优点，而且具有高速脉冲输出（PTO）功能，可以驱动步进电机运动。

系统硬件控制接线图如图2所示。

2.2 步进驱动模块

步进驱动模块由步进电机和步进驱动器组成。仓库立体存储系统有两套步进驱动模块，分别控制X轴、Z轴的丝杆运动。

图1 立体仓库精确定位存储控制系统结构示意图

图2 立体仓库存储系统硬件控制接线图

步进驱动器接收PLC发出的高速脉冲信号及方向电平信号，并将这些信号转换成驱动步进电机的信号。步进电机旋转方向由方向电平控制；步进电机旋转速度由脉冲信号的频率控制；步进电机旋转角度由脉冲信号的数目控制。

选用四相步进电机42J1834-810，与之配套的驱动器选用美国IMS公司生产的M415B细分型步进电机驱动器，其细分功能使步进电机运转精度提高，振动减小，杂讯降低，且具有光隔离信号输入（抗干扰），静止时电流减半，电源接反保护功能等优点。

42J1834-810 步进电机步距角为1.8o，即在无细分的条件下，200个脉冲使步进电机转一圈（200×1.8=360o）。通过驱动器设置细分精度，最高可以达到12800个脉冲电机转一圈。步进电机驱动器M415B细分设定由拨码开关SW4、SW5、SW6设定，如表1所示。设置SW4=ON、SW5= OFF、SW6=ON，细分设置为800步数/圈，即800个脉冲使步进电机转一圈，此时步距角为（800×0.45=360o）。

步进电机传动组件采用联轴器直接带动螺旋丝杠转动，螺旋丝杠的螺距为5mm，即步进电机每转动一周，载物台位移5mm。通过控制载物台在X-Z轴平面的运动，从而把工件运送到仓库的指定位置。

步进电机驱动器M415B输出相电流设定由拨码开关SW1、SW2、SW3设定，如表2所示。设置SW1=OFF、SW2=ON、SW3=OFF，输出相电流为1.05A。

表1 步进电机驱动器M415B细分设定表

表2 步进电机驱动器M415B输出相电流设定表

图3 立体仓库存储系统气动控制原理图

表3 立体仓库精确定位存储系统I/O端口分配表

2.3 丝杆驱动模块

丝杆驱动模块是将步进电机输出的旋转运动转换成直线往复运动，两套丝杆驱动模块成90度垂直安装，形成一个X-Z轴的平面运动系统。在两个丝杆驱动模块上均设有一个零点，用以校正位置及提供一个位置参考点。同时为了防止丝杠驱动模块过冲而产生机械物理损伤，在丝杆驱动模块的极限位置均装有碰撞保护开关，用来防止丝杆驱动模块过冲。

2.4 工件推出模块

工件推出模块采用气动控制系统作为执行机构，1A为双作用气缸，1B1和1B2为磁感应式接近开关，判断气缸的运动位置。1Y1为两位五通电磁换向阀控制双作用气缸的运动，立体仓库存储系统的气动控制原理图如图3所示。

3 系统软件设计

3.1 I/O口分配

立体仓库精确定位存储控制系统的PLC I/O口分配表如表3所示。

3.2 程序设计

软件采用模块化设计方法，主要由主程序、Q0.0（控制X轴电机）输出脉冲子程序、Q0.1（控制Z轴电机）输出脉冲子程序等模块组成。

3.2.1 主程序设计

主程序首先检测丝杠的运动方向，装入脉冲串值，然后调用Q0.0（控制X轴电机）输出脉冲子程序、Q0.1（控制Z轴电机）输出脉冲子程序，并判断脉冲串输出是否完成，最后判断定位是否完成。主程序流程图如图4所示。

3.2.2 Q0.0、Q0.1输出脉冲子程序设计

表4 多段PTO操作的包络表设置

图4 主程序流程图

S7-200CPU提供两个高速脉冲输出点（Q0.0和Q0.1），通过PLC编程控制脉冲的周期（频率）和个数，利用脉冲输出指令（PLS），通过PTO编程，可在高速脉冲输出点（Q0.0和Q0.1）上控制脉冲串输出，从而驱动步进电机运动。

图5 Q0.0（控制X轴）输出脉冲子程序流程图

图6 Q0.1（控制Z轴）输出脉冲子程序流程图

PTO编程步骤：1）设置PTO/PW控制字；2）写入周期值；3）写入脉冲串计数值；4）连接中断事件、中断服务程序，允许中断；5）执行PLS指令，对PTO进行编程。

设置PTO控制字（允许PTO多段操作模式）和设置多段PTO操作包络表，控制Q0.0、Q0.1输出脉冲串，如表4所示。

通过PLC的Q0.0输出脉冲串，控制X轴步进电机运动，Q0.0（控制X轴）输出脉冲子程序流程图如图5所示。

通过PLC的Q0.1输出脉冲串，控制Z轴步进电机运动，Q0.1（控制Z轴）输出脉冲子程序流程图如图6所示。

4 结束语

详细介绍了本系统的总体结构、硬件设计和软件设计。侧重阐述了采用西门子S7-200系列的 CPU-224 PLC，输出PTO脉冲信号控制X—Z轴平面的M415B步进电机驱动器，驱动步进电机42J1834-810运动，从而带动X—Z轴平面的丝杆转动，推动载物台上、下、左、右移动，实现了载物台在X—Z轴平面的精确定位控制，把物体存储到立体仓库的指定位置。实践表明，该系统运行稳定流畅，效果良好。

本系统以自动化立体仓库为研究对象，其方法、原理和技术可扩展到机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等行业，具有一定的工程实际意义和实用价值，具有广阔的应用前景。

[1] 黄会雄.一种智能视频监控体系结构设计方案[J].微计算机信息,2007,6-1:115-117.

[2] 章国华,苏东.典型生产线原理、安装与调试(西门子PLC版本)[M].北京:北京理工大学出版社,2009.

[3] 陶权,韦瑞录.PLC控制系统设计、安装与调试[M].北京:北京理工大学出版社,2009.