基于PLC一种高校菜鸟驿站自动取件系统的设计

基于PLC一种高校菜鸟驿站自动取件系统的设计

摘要： 2020 年是中国决胜小康的最后一年，伴随着人民大众物质生活水平的进一

步提升，电子商务行业也在迅猛发展。一种针对物流终端配送的模式也是未来发展的

必然方向。本设计采用工业上应用最为广泛也最为可靠的 PLC 进行核心控制，整个系

统由 PLC 主控部分，HMI 触摸屏作为显示部分，扫码仪器作为输入部分，自动搬运装

置作为执行机构等部分组成。其主要的应用方向就是当今的菜鸟驿站以及小区配送，

配送人员把物件放入快递输入端。快递员只需要将自己的快件派送到指定地点。在一

些特殊以及不方便接触的场合，此系统的推广和使用将有效地解决了“快递最后一公

里”的难题，一方面可以减少物流的劳动力成本，另一方面可以将人从繁重的工作中

解放出来，为我国的物流发展提供支持。 关键词： PLC 菜鸟驿站 自动取件系统 物流终端配送 无接触

第一章 绪 论

1.1 选题背景

校园网购在所有电子商务所占的比重逐年上升，根据官方数据资料显示，在各类

服务应用上，其比重将近百分之八十。大学生俨然已经成为物流终端配送最主要的服

务人群，而且“校园一公里”也是当下十分热门的话题，其实也不难发现物流终端问

题早已成为了制约物流行业发展的重要因素之一。“最后一公里”指的是将快件从当

地的集散中心运送到取件人的手中，是整个输送链的终端环节，自然也是最复杂，最

困难的一个环节。在运输过程中，时常会有以下几种情况：1.收件人可能会临时有事，

不在送件地址 2.投送区域可能会由于各种原因不允许陌生人进入 3.快件需要多次投

送的情况 4.收件人需要多次沟通等诸多不确定因素，大大降低了物流配送的效率。此

外，当取件人不方便取件而找人代取时，也会对可靠性有所影响。因此，针对这一设

想，国内外已有许多基于物流网技术的高效安全的快递自取系统也在不断的研究当

中。

为了提高搬运的效率以及准确性，本装置采用了类似机械手的简易搬运装置，利

用步进电机驱动器来控制步进电机的旋转使得滚珠丝杠做直线运动，实现竖直升降和

水平移动的运动。其中夹持部分是依靠连杆夹持机构组成，通过气压缸带动活塞杆直

线往返运动，从而实现夹持和放松，这部分的控制主要是依靠电磁阀拉进行控制。控

制的核心部分是 PLC，PLC 凭借其优越的稳定性，可靠性广泛应用于各类工业生产当

中。

1.2 国内外研究现状

由于物联网技术以及电子商务的兴起和其对社会影响的加剧，国外的一些专家开

始探索务物流配送上的新方式，新手段。发达国家也在终端配送方面做了一些改动和

创新，比如说，在美国，亚马逊等一些大型电商平台也已经使用了电子柜和 prime 服

务；在日本，比较流行的是电商平台与一些便利店开展合作。在这几十年来，一些以

物流技术为基础的快递自取在各个方向的探索都在不断进行着。自动取件装置的核心其实是机械手夹持部分以及数据对比部分。尤其是机械手的

设计更是体现出一个国家的制造生产水平，机械手是应用于机器人系统末端的执行元

件，共有类人机械手和实现特定功能的夹持器这两大类，其中类人机械手往往是按照

人的手指模型来进行模拟，模拟方式可分为完全拟人和非完全拟人。类人机械手的驱

动方式往往是依靠连杆驱动。UBS 机械手在此类应用中广为人知，自由度也从最开

始的 4 自由度，逐渐发展到现在的 8 自由度，可以说是相当迅速了。另一方面，典型

的非完全拟人机械手包括 Stanford/JPL/等等。而典型的完全拟人手包含 uath 手，JPL

手、还有些比较特殊的机械手采用齿轮或者带传动驱动方式。在科技快速发展的今年，

各类专家学者对机械手的研究也一直没有停下，机械手的自由度也在呈现出逐年上升

的趋势，实现了从二维平面到三维空间的飞跃。从一开始简单的单一控制，到目前的

高度自动化，智能化，精密化，形状匹配程度也越来越高。但是为了实现三维空间的

灵巧控制，而大量使用了串联式设计，导致了机械手的机构也十分复杂，控制难度增

加，能够抓取的负载也逐渐下降，抓取稳定性差，以及整体尺寸笨重。因此大部分的

拟人手都只能在实验室进行研究，虽然实现特定功能的抓取器具有结构简单，控制难

度低，抓取稳定性强的特点，但是由于只能夹持特定物品，无法实现对多种物品的任

务匹配。

我国在这方面也做了许多研究，从最早的 1972 年自主研发生产的第一批机械手

以来，我国的机械手就一直在不断的研发当中，一直到现在 2020 年为止，我国大部

分大型企业都已经实现了生产自动化，大大减少了人工的成本，将人从繁重的劳务中

解放出来，也体现了我国机械制造行业在不断的发展进步。

目录

第一章 绪 论............................................................................................ 1

1.1 选题背景.........................................................................................................1

1.2 国内外研究现状.............................................................................................1

1.3 研究内容.........................................................................................................2

1.4 本章小结.........................................................................................................3

第二章 机械部分设计.............................................................................. 4

2.1 搬运机械手的设计..........................................................................................4

2.1.1 简易机械手的工作要求.......................................................................4

2.1.2 搬运装置的动作过程...........................................................................5

2.1.3 搬运机械手的设计...............................................................................5

2.1.4 气缸的设计...........................................................................................7

2.2 滚珠丝杠的选型..............................................................................................9

2.2.1 设计滚珠丝杠的常用思路...................................................................9

2.2.2 确定滚珠丝杠的等效负载.................................................................10

2.2.3 滚珠丝杠额定转速验算..................................................................... 11

2.2.4 负载计算............................................................................................. 11

2.2.5 确定滚珠丝杠所受的最大动载荷..................................................... 11

2.3 电机的选型....................................................................................................12

2.3.1 选用电动机的基本步骤.....................................................................12

2.3.2 电机选型计算.....................................................................................12

2.4 本章小结........................................................................................................15

第三章 控制部分设计............................................................................ 16

3.1 控制系统构件概述.......................................................................................16

3.2 控制系统工作过程.......................................................................................16

3.3 搬运控制要求...............................................................................................17

3.4 控制系统 PLC 的介绍及选型......................................................................18

3.4.1 S7-1200PLC 的介绍与选型............................................................... 18

3.4.2 PLC 的 I/O 点数分配......................................................................... 18

3.5 搬运装置程序设计.......................................................................................19

3.5.1 轴工艺参数的确定.............................................................................19

3.5.2 PLC 部分程序下图.............................................................................19

3.6 PLC 扫描硬件仪器的介绍以及扫描程序的编写........................................22

3.6.1 硬件介绍............................................................................................22

3.6.2 参数描述.............................................................................................23

3.6.3 组态与编程.........................................................................................24

3.6.4 PLC 扫码程序.....................................................................................26

3.7 本章小结.......................................................................................................27

第四章 设备装置的调试........................................................................ 28

4.1 仿真调试的具体说明...................................................................................28

4.2 各个时段程序仿真及对照分析...................................................................29

4.3 系统调式的一些问题及解决措施...............................................................33

4.4 本章小结.......................................................................................................34

第五章 总结与展望................................................................................ 35

致谢...........................................................................................................36

参考文献.................................................................................................. 37

附录一搬运机械手的装配图..................................................................39

附录二搬运装置的零件图...................................................................... 39

附录三设备电路图.................................................................................. 39

附录四程序梯形图.................................................................................. 39

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