XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Автоматизированная установка на склад. Грузоподъемный стол

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Панин М.В. 1Созонов Р.А. 1Шумилова А.И. 1Казанцев А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейн

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейн

Работа в формате PDF

3.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Склад – это неотъемлемая часть грузовых перевозок.

Основная проблема складов – медленная работа, которая отражается на авралах и количествах заказов. Причиной является - отсутствие механизированных процессов. Если все работы выполняют сотрудники это снижает эффективность складов и увеличивает расходы на зарплату. Неправильное размещение продукции также является частой проблемой. Должна соблюдаться приоритетность. Если продукцию размещают по принципу «где свободное место», и, при этом, не учитывают ее надобность для потребителя, это значительно увеличит сроки погрузки и отгрузки товаров, что будет невыгодным для клиента. 

Цель: разработать модель инновационной установки на базе конструктора Lego Mindstorms

Задачи:

Изучить виды складского оборудования и его функциональное применение

Выделить виды грузоподъёмных столов

Подробно изучить устройство и принцип работы грузоподъёмных столов

Посетить экскурсию на завод «Очаково»

Выделить преимущества и недостатки конвейерных столов

Разработать чертеж установки на склад

Создать модель на базе конструктора Lego Mindstorms

Создать программу для управления установкой

При оформлении проекта мы использовали идеи из большой книги LEGO MINDSTORMS EV3[1].При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [2]

Глава 1. Складское оборудование

Основные задачи складского хозяйства состоят в организации нормального питания производства соответствующими материальными ресурсами, в обеспечении их сохранности и максимальном сокращении затрат, связанных с осуществлением складских операций.

На складах применяется оборудование для хранения товаров, для перемещения грузов, для переработки, сортировки, упаковки товаров.

Оборудование - устройства, инструменты, аппаратура, снаряжение и инвентарь для такого обустройства (складское оборудование).

К термину "оборудование" также относят совокупность машин, которые так устроены и управляемы, что они функционируют как единое целое для достижения одной и той же цели.

Складское оборудование, исходя из их функционального предназначения, делится на следующие группы:[3]

1. Технологическое. Оборудование предназначено для хранения всех видов товаров на всей полезной площади склада.

группа контейнеров всех видов (обычный, тараоборудование);

· стеллажи всех видов и типов;

· производственная тара (ящичная, мешочная и т.д.);

· средства пакетирования (пакеты всех видов);

· бункерное оборудование (для сыпучих товаров);

· резервуары (для жидких товаров) и т.д.

2. Подъемно-транспортное. Предназначено для выполнения всех технологических операций (разгрузка, погрузка).

· краны всех типов (разгрузка и погрузка);

· авто-(до 10 т) и электро-(до 2-3 т) погрузчики (внутрискладские перемещения);

· подъемники и автогидроподъемники (для выполнения незначительных перемещений);

· электрокары (управляемая тележка для перемещения единицы груза или партии);

· уравнительные площадки и укладчики;

· штабеллеры (для внутрискладских перевозок грузов и установки их на места на высоте до 8 метров);

· транспортеры (для перемещения штучных грузов до 100 кг внутри склада);

· конвейеры и т.п.

3. Оборудование для поддержания режимов хранения.

· оборудование для поддержания температуры;

· оборудование по кондиционированию и вентиляции воздуха;

· оборудование для поддержания влажности;

· холодильные камеры и др.

4. Оборудование для частичной или дополнительной обработки грузов.

· весоизмерительное оборудование (все виды);

· фасовочное оборудование (фасовочные линии и автоматы) и др.

Глава 2. Грузоподъёмный стол

Подъёмный стол — грузоподъёмная машина, предназначенная для подъёма грузов на платформе.

Грузоподъёмные столы широко используются для вертикального перемещения, наклона или подачи грузов в производстве, торговле, складском хозяйстве, сфере обслуживания и на транспорте. Они могут эксплуатироваться как внутри, так и вне помещения, устанавливаться на уровне пола или в углубление.

2.1. Виды подъемных столов

Подъемные столы могут быть односекционными и многосекционными в зависимости от количества так называемых ножниц.

Одноножничные подъемные столы. Подъемные гидравлические столы с одной парой ножниц, это самая большая группа ножничных столов. Такая популярность данного типа подъемных механизмов обусловлена наличием достаточно простой конструкции, в купе с универсальностью применения. Модели подъемных ножничных столов с одинарными ножницами используются в различных отраслях народного хозяйства — на производстве или в перегрузочной зоне склада. Они прекрасно адаптируются под любые задачи и являются надежными  эргономичными помощниками работникам любой отрасли. (Рисунок 2.2.1, Приложения)                   

Двухножничные подъемные столы. Двойные вертикальные ножничные подъёмники (один рычаг устанавливается над другим) (Рисунок 2.2.2, Приложения)

Трёх ножничные подъемные столы. Тройные  вертикальные ножничные подъёмники (три рычага устанавливается друг над другом) предполагают ход (изменение высоты), который может составлять до 180 % от длины платформы. (Рисунок 2.2.3, Приложения)

Четырех ножничные подъемные столы. Четырехножничные вертикальные ножничные подъёмники (четыре пары рычагов устанавливается друг над другом) предполагают ход (изменение высоты), который может составлять до 240% длины платформы. (Рисунок 2.2.4, Приложения)

Существуют вид усиленных подъемных столов для более габаритных грузов

Усиленные подъемные столы тол для производства. Грузоподъемность от 3000 до 30 000 кг. Высота подъема от 1 до 10 метров. Размер грузовой платформы (столешницы) любой под габариты поднимаемого груза . (Рисунок 2.2.5, Приложения)

Также есть ещё один вид  с рольгангами для облегчения снятия груза с подъемного стола

Подъемный стол для технологической линии на производстве с рольгангами (приводные и не приводные рольганги). Грузоподъемность от 500 до 10 000 кг. Высота подъема от 1,0 до 10 метров (Рисунок 2.2.6, Приложения)

Подъёмные столы делятся по виду привода:

Гидравлические подъёмные столы ножничного типа (Рисунок 2.2.7, Приложения) спользуются на промышленных предприятиях, на складах и даже в небольших мастерских. Неосведомленным людям они кажутся сложным оборудованием, хотя конструкция у них довольно простая, состоящая из 5 основных частей: платформа, база – это нижняя часть, подъёмный ножничный механизм, гидравлические, мотор или источник энергии. Большинство гидравлических подъёмных столов оснащаются электрическими либо пневматическими двигателями, приводящими в действие гидронасос. [5]

Пневматические подъёмные столы (Рисунок 2.2.8, Приложения)

По принципу действия немного похож на гидравлический. Привод состоит из пневматического цилиндра, внутрь которого поступает сжатый воздух из баллона (приобретается отдельно). 

Воздух закачивается при воздействии на рычаг или ножную педаль; подъём осуществляется в 1,5-2 раза быстрее, чем у гидравлических моделей, однако грузоподъёмность и рабочая высота оставляют желать лучшего. Выгодно отличаются малым весом и компактными габаритами.

Электрические подъемные столы:

Профессиональная модель, часто используемая в строительстве. Удобен при использовании в стеснённых условиях; работает на встроенных аккумуляторах и от электросети в 380 В. Рабочая мощность – 1,5 кВт. Конструкция имеет прочную стальную раму и усиленное основание с защитным покрытием.[4]

2.2. Принцип работы

Подъемные гидравлические столы

В своей основной массе, столы с ножничным подъемником состоят из шести основных компонентов:

Главным элементом подъемного стола является грузовая платформа или верхняя часть подъемного стола, на которой располагается груз. Платформы могут быть различных размеров и конфигураций от идеального квадрата или прямоугольника до платформ с вырезом в центре, для въезда гидравлической тележки.

База — это основание механизма стола, база опирается непосредственно на пол помещения или на дно, специально подготовленного в полу приямка. Внутренние грани основания базы представляют собой дорожку, по которой перемещаются ролики, прикреплённые к нижнему основанию ножниц (элементов механизма подъема).

Подъемный ножничный механизм — это металлические элементы механизма подъема, соединённые по принципу обычных бытовых ножниц. Именно они позволяют платформе изменять высоту и именно благодаря им такие подъемные механизмы называются «ножничными». В зависимости от требуемой высоты подъема платформы ножничные механизмы столов бывают одинарными, двойными и тд.

Гидравлический цилиндр. Практически у всех промышленных подъемников ножничный механизм приводятся в действие одним, двумя или тремя гидроцилиндрами одностороннего действия. Цилиндр позволяет ножничному механизму подниматься и опускаться.

Электродвигатель и гидравлическая станция (насос). Гидравлический цилиндр ножничного механизма приводятся в действие с помощью электрического или реже пневматического двигателя. Двигатель обеспечивает работу гидравлического насоса, который в свою очередь приводит в действие гидравлический цилиндр, поднимающий стол.

Выносной пульт управления подъемным столом. Пульт подъемного стола имеет несколько клавиш управления движением: клавиши движения вверх и вниз, клавишу аварийной остановки и блокиратор с замком для предотвращения несанкционированного включения оборудования. Пульт может располагаться в удобном для оператора месте на расстоянии до 2 метров от рабочей платформы. (Рисунок 2.2.1, Приложения)

Полный цикл работы состоит из двух основных фаз: подъема и спуска. Гидравлический стол начинает подниматься и опускаться, только тогда, когда гидравлическая жидкость нагнетается в гидроцилиндры или выходит из них. Когда гидравлическая жидкость нагнетается в цилиндр, цилиндр движется наружу, заставляя ножницы закрываться и поднимать платформу. Выходящая из цилиндра жидкость, напротив, заставляет ножницы раскрываться, опуская платформу.

Фаза подъема гидравлического стола. Поскольку один конец внутренней и внешней ножек соединены одновременно и с основанием, и с платформой, платформа поднимается вертикально, когда ножки ножниц закрываются. Нижний свободный конец ножек ножниц снабжен роликами, которые движутся в основании базы по специальным дорожкам. Каждый раз, когда подъемный стол поднимается, его толкает вверх столб жидкости, нагнетаемой в гидроцилиндр. При остановки нагнетания жидкости, подъемный стол остается в поднятом положении, поскольку жидкость удерживается в цилиндре с помощью простого обратного клапана. Скорость подъема подъемного стола зависит от мощности гидравлического насоса и двигателя, который его вращает. Желаемая скорость подъема и грузоподъемность определяют объем работы, которую должен выполнить двигатель, и, следовательно, требуемую мощность. Если подъемному столу нужно двигаться быстрее, потребуется больше мощности. Если подъемный стол должен иметь большую грузоподъемность, он также потребует больше мощности электродвигателя. (Рисунок 2.2.2, Приложения)

Фаза спуска гидравлического стола. Подъемный стол опускается путем открытия спускного клапана, который выпускает жидкость из гидроцилиндра с контролируемой скоростью. Этот спускной клапан управляется электрическим соленоидом, что означает, что клапан остается закрытым до тех пор, пока не сработает электрический соленоид. Эта функция предотвращает опускание подъемного стола в случае сбоя электропитания. Когда соленоид открывает спускной клапан, жидкость возвращается из цилиндра в резервуар насоса. Скорость спуска подъемного стола — функция напрямую зависящая от контроля того, насколько быстро жидкость может покидать цилиндр. Контроль осуществляется с помощью клапана управления потоком. Клапан имеет компенсацию давления, что означает, что он регулирует поток в заданном диапазоне, независимо от того, загружен подъемник или пуст. Эти клапаны имеют фиксированную скорость и не регулируются, обычно скорость опускания подъемного стола соответствует скорости подъема подъемного стола. (Рисунок 2.2.3, Приложения) [6]

Пневматический подъёмный стол приводится в действие воздушным компрессором. В зависимости от размера, он оснащается одной либо несколькими воздушными камерами. Рабочая платформа часто сделана поворотной или наклонной, что значительно облегчает складирование при ручной разгрузке. Очевидным преимуществом такого оборудования является возможность работать в местах, где нет электричества. Также нет опасности утечки гидравлической жидкости и загрязнения окружающего пространства.

Электрический подъёмный стол - усовершенствованная версия гидравлических подъемников, оснащенная электроприводом, посредством которого осуществляется нагнетание давления в цилиндрах. Стационарные модели работают от сети напряжением 380 В, мобильные – от аккумуляторов. Управление таким устройством осуществляется дистанционно.

Подъем грузов с помощью стола подъемного возможен на высоту до двенадцати метров. Можно создать и более высокий подъемник, однако его использование будет менее рациональным, чем, например, применение лифта. Подъемные гидравлические столы в зависимости от модели могут выдерживать груз весом от 500 килограммов до 10 тонн. Скорость подъема соответственно составляет от 10-ти до 250-ти секунд.

Модели для подъема грузов на большую высоту оснащают несколькими вертикально ориентированными ножницами — до пяти секций. Чтобы увеличить длину подъемного стола, используют двойные горизонтальные ножницы, однако такие устройства способны поднимать грузы на незначительную высоту. [5]

Глава 3. Практическая часть

З.1. Экскурсия на завод «Очаково»

В рамках реализации проекта, мы посетили экскурсию на завод «Очаково»

В начале мы ознакомились с правилами посещения музея и техникой безопасности на производстве. Нам показали производство кваса, как выглядят хмель и солод, варочные котлы, бродильные танки высотой с восьмиэтажный дом и линии розлива. (Рисунок 3.1.1, Приложения)

Для реализации проекта, перед нами стояла задача, выделить устройства для разгрузки. Нас провели на склад, где комплектуется товар, там мы обратили внимание на различные виды конвейеров. Специалист по логистике Лунев Алексей, рассказал нам о них.

Конвейерный транспорт - наиболее производительный вид непрерывного транспорта, характеризующийся централизованным автоматическим управлением, простотой обслуживания и малыми затратами на эксплуатацию.

Нам удалось рассмотреть ленточные, пластинчатые, ковшевые конвейеры

Ленточный конвейер

Пластинчатый конвейер

Ковшевой конвейер

Также нам рассказали, как устроены конвейеры. Конвейеры состоят из тягового и несущего органа с поддерживающими и направляющими элементами, ведущего и ведомого барабанов или звездочек, натяжного устройства, загрузочного и перегрузочного устройства, рамы.

Привод наиболее часто осуществляется от электродвигателя через редуктор. При в приводе имеется и тормозное устройство. Приводные машины комплектуются, как правило, из стандартных узлов и деталей.

3.2. Умный склад на базе конструктора Lego Mindstorms

Установка состоит из нескольких частей: наклонный конвейер, грузоподъемный стол с конвейером, гравитационный стеллаж

Именно в таком порядке груз поступает и распределяется по полкам.

Для удобного и безопасного размещения груза на подъемный стол, мы создали наклонный конвейер, особенность заключается в расположении ленточного транспортера под углом. Работает он от большого мотора. Роль конвейера выполняют гусеницы. Так как угол достигает 60 градусов, мы оснастили ленту полками, а также установили борт. (Рисунок 3.2.1, Приложения)

Груз достигает высшей точки конвейера, после чего размещается на подъемном столе. Дополнительно установлен роллер, для равномерного перемещения груза между оборудованием.

Груз встречает датчик цвета, который отвечает за сортировку. Считывается приоритетность товара и подъемный стол размещает его на нужный этаж стеллажа. (Рисунок 3.2.2, Приложения)

Подъемный стол работает от двух больших моторов:

Моторы прикреплены к основанию стеллажа. (Рисунок 3.2.3, Приложения) Каждый мотор приводит в движение червячную передачу, червяк вращает среднюю коническую шестеренку, которая передает энергию на реечную балку, прикрепленную к основаниям ножниц. Ножницы в свою очередь поднимают верхнюю платформу.

Ножничный подъемник собран из балок на в количестве 8 штук. Для поднятия платформы в вертикальной плоскости мы используем систему рычагов используются первого класса, каждый из которых активирует следующий. Точками опоры являются двухмодульные штифты и трехмодульные штифты с втулкой. (Рисунок 3.2.4, Приложения)

Для равномерного поднятия вертикальной плоскости мы установили две направляющие, которые сконструированные из разных балок. Крепятся они с помощью Т-образных деталей. Ограничителем направляющих служит Г-образные детали 2х4. На одну из сторон установлен средний мотор для запуска конвейера. С другой стороны, для противовеса крепится металлический шарнир.

Отметим, что основной нашей идеей является – самозагружаемый подъемный стол. Грузовой платформой является конвейер, занимающий верхнюю часть подъемного стола. На нем будет располагаться груз. Работает он от среднего мотора, который приводит в движение угловую зубчатую передачу, после чего передает энергию на гусеницы. (Рисунок 3.2.5, Приложения) Запускает конвейер датчик касания.

Гравитационный стеллаж представляет собой оборудование для хранения груза. Принцип работы данного типа стеллажного оборудования основан на использовании силы тяжести (гравитации) при размещении груза на полке стеллажа имеющую уклон по отношению к горизонту. Под действием силы тяжести груз перемещается от места установки до места выгрузки.

Для снижения трения при перемещении груза внутри канала гравитационного стеллажа, полки снабжены роликовыми полотнами, на которые устанавливается груз. Роликовые полотна – оси, перпендикулярно установленные направляющим балкам.

Стеллаж имеет блочную структуру: грузы выстраиваются друг за другом по глубине полки внутри одного канала гравитационного стеллажа, который имеет три уровня хранения друг над другом (зеленая, желтая и красная секции).(Рисунок 3.2.6, Приложения)

Управление установкой с помощью ПО LegoMindstorms

Установка «Умный склад» управляется с помощью ПО Lego Mindtorms. (Рисунок 3.3.1, Приложения)

Наклонный конвейер работает с помощью блока «большой мотор», до тех пор, пока не завершится цикл. Цикл завершается при условии, если датчик цвета распознал один из трех цветов (желтый, зеленый красный).

Следующий программный блок «Переключатель» в режиме «Датчик цвета-сравнение-цвет». (Рисунок 3.3.2, Приложения) В зависимости от условия, то есть, увиденного цвета, воспроизводится одно из четырех действий:

Нет цвет. Вариант по умолчанию, если датчик ничего не видит, то ничего не происходит

Зеленый цвет. Разгрузка на нижнюю полку

Желтый цвет. Разгрузка на среднюю полку

Красный цвет. Разгрузка на верхнюю полку

Программная последовательность для каждого цвета одинаковая, меняются только параметры. Рассмотрим подробнее, из каких блоков она состоит.

Первая часть программной последовательности отвечает за размещение груза на подъемный стол. (Рисунок 3.3.3, Приложения) Используются следующие блоки:

Программный блок «Звук» - воспроизводит цвет на английском языке.

Программный блок «Большой мотор» - запускает наклонный конвейер на 2 секунды, после чего выключает его

Программный блок «Ожидание-сравнение-датчик касания» - регулирует работу среднего мотора (включает/выключает)

Программный блок «Средний мотор» - запускает конвейер, установленный на подъемном столе

Вторая часть программной последовательности отвечает за работу подъемного стола и разгрузку. (Рисунок 3.3.4, Приложения) Используются следующие блоки:

Программный блок "Независимое управление моторами". Он управляет двумя большими моторами, с возможностью независимого управления мощностью каждого мотора. При равном значении параметра "Мощность" для левого и правого мотора робот будет двигаться прямолинейно.

Использовали режим «градусы». С помощью этого режима моторы можно точно настроить на нужный угол поворота.

Для первого этажа:

Мощность 70 , -70 для поднятия, для опускания -70, 70

Градусы 2100 для поднятия , для опускания 2100

Для второго этажа

Мощность 70 , -70 для поднятия, для опускания -70, 70

Градусы 2965 для поднятия, для опускания 2965

Для третьего этажа

Мощность 70 , -70 для поднятия, для опускания -70, 70

Градусы 9233 для поднятия, для опускания 9233

Между подъемом и опусканием ждёт одну секунду и запускает средний мотор, чтобы выгрузить посылку.

Заключение

При исследовании темы «Грузовые перевозки» нам стало интересно, как комплектуется и транспортируется товар на складах. Мы выявили ряд проблем, причиной которых является человеческий фактор.

Мы изучили все виды складского оборудования, чтобы понять, на сколько возможно механизировать и автоматизировать процесс работы на складе. Выделили для себя наиболее выгодные варианты оборудования и преступили к реализации нашей идеи – создание модели «Автоматизированной установки на склад».

При конструировании мы использовали знания, полученные на уроках робототехники. В конструкции используется множество моторов и датчиков, а также сложных механизмов для передачи энергии.

Установка состоит из нескольких взаимосвязанных между собой частей, что практически исключает присутствие человека, а значит гарантирует безопасность при использовании.

Разработанная нами система выведет работу складов на новый уровень: 

Систему можно внедрить на любой склад, автоматизировав его 

Эффективная техника минимизирует участие ручного труда, делая склад безопасным и экономически выгодным

Автоматическая погрузка увеличивает производительность обработки грузов, сокращая время 

Точность размещения товара по критерию приоритетность

Список используемых источников

Лоренс Валк: Большая книга LEGO MINDSTORMS EV3; [пер. с англ. Черников С.В]. Издательство «Эсмо», 2017. - 400 с.;

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.

https://vuzlit.com/254954/klassifikatsiya_skladskogo_oborudovaniya

https://skladec.ru/skladskoe-oborudovanie/gruzopodemnoe-oborudovanie/podemniki/podyomnyj-stol.html

https://advanta-m.ru/blog/kak-ustroeny-i-rabotayut-gidravlicheskie-nozhnichnye-stoly.html

https://madlift.ru/

Приложения