臺北市九十二學年度高中職社區化合作專案

作品名稱：自動分類倉儲

關鍵詞：自動倉儲系統、高架吊車、自動量測

●摘要●研究動機●研究目的●研究設備器材●研究過程及方法

●研究結果●討論●結論●參考資料及其他

壹、摘要

目的在於利用課餘時間研究發展機械相關之設備，並且與課堂所學專業理論知識交互驗證。

本專題可為以下幾部分：

一、物料架部分：儲存貨物的收納空間。

二、吊車部分：從卸載站至物料架存取物品的升降設備。

三、輸送帶部分：傳遞貨物的週邊搬運設備。

四、量測台部分：量測貨物大小的設備。

五、主控制電路部分：控制週邊設備及接收感應器訊號的控制台。

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貳、研究動機

作品與教材相關性說明

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參、研究目的

地狹人稠的台灣，如何節省空間、有效利用空間，一直是我們在思考的方向。自動倉儲系統就是在這情況下發展出來，目前發展的自動倉儲系統在工業界應用已相當普遍。但就一般棧板式物料架而言，似乎仍有改善的空間，所以藉由這個專題，我們希望能達到以下幾項目的：

(1)   改良：將物料架分為不同大小的儲物空間，容納更多的物品。

(2)   分類：微電腦自行分類貨品大小並選擇適合物料櫃存放。

(3)   動線：貨物進出以輸送帶搭配吊車，替代人工搬運方式，節省時間、人力。

(4)   控管：以微電腦控制替代人工管理方式，減少人員管理疏失。

(5)   判別：自動判別所剩空間是否足夠。

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肆、研究設備器材

(一) 研究設備

(二) 研究器材

伍、研究過程及方法

一、系統分析：

要做到研究目的所說的功能，我們分析出以下幾點：

(一)      要將大小不同的物品存放於儲物櫃中，需要一個儲物空間大小不一的物料架。

(二)      要依物品大小的不同施以分類，必須先量測物品大小，所以需要一個量測設備。

(三)      量測完畢後需要傳送物品至載卸站，所以設計一個輸送系統。

(四)      要從載卸站至物料架間存取貨品，所以需要一部高架吊車。

(五)      為了能夠完整顯示貨品出存情況以及操作的訊息，因此我們需要一個顯示器。

(六)      由於設備移動時需在準確位置停止，所以需要安裝感測器來做定位。

(七)      為了控制吊車、輸送系統、量測台、顯示器，所以需要一個主控制器來做控制。

(八)      要做到以上的功能，所以需要一個功能選擇的部分。

由分析得到主要設備有：LCD顯示器、量測台、輸送帶、高吊車、物料架、感測器。

二、系統方塊圖：

三、相關知識：

理論方面：相關資料蒐集，包含各種材料選用、IC資料收集、步進和直流馬達之控制、輪系值計算、齒輪搭配以及感測器的使用等。

實作方面：零件設計加工、電路板製作、程式寫作、整體組裝測試等項目。

(一)理論部份:

(二)實作部份:

四、製作過程

(一)物料架：由於要達到減少空間浪費的目的，所以在物料架的設計上，我們將原本單一規格尺寸的物料架，分割成為三種大小尺寸的規格。(圖5-2)

由上圖可的知，單一型物料架(圖5-3)只能提供限制規格內的儲物空間，而分類型物料架(圖5-4)能提供3種不同規格大小的儲物空間。對於單一型物料架儲存小型貨物來說，浪費了一些儲物空間，而分類型物料架可選擇小型物料櫃，達到減少空間浪費的效果。

(二)量測台：為了能夠將貨物進行分類，所以我們設計了一座量測設備(圖5-6)。其目的為量測物品的大小，以利放置於適合大小的物料櫃中，達到減少空間浪費的效果。

量測台執行量測時，以直流馬達B帶動螺桿B螺桿C進行量測物品寬度，量測物品高度則是以直流馬達A帶動螺桿A量測。為了再接觸物品時能停下，所以我們在兩邊量測桿上安裝極限開關，幫助馬達得知接觸物品停止。

 (三)輸送帶：為了能方便棧板的運輸，所以我們利用的是最為廣泛的皮帶輸送機(圖5-8)。

輸送帶是以直流減速馬達配合齒輪拉動皮帶，在定位方面我們在輸送帶主體上面加上感測器，這樣就能使貨物準確停止。

2.轉速與扭力：對直流馬達的特性而言，其轉動的速度與扭力成反比，速度越快扭力越小，速度越慢扭力越大。而轉速與扭力間的互相轉換，其重點就是齒輪箱的機械能轉動能的貢獻，而我們要使用的直流馬達就可使用齒輪箱的比數來決定適當的轉速與扭力。

(四)高架吊車：在吊車部分，我們用的是棧板式高架吊車。(圖5-12)

棧板支撐架方面，我們在下方加入直流馬達2配合蝸桿與蝸輪，使它能旋轉90度，方便將輸送帶上的貨物舉起。升降與左右移動的部分，分別以直流減速馬達1、2加上齒條1、2，移動左右與升降。至於在升出取貨方面，我們利用直流馬達1加上齒輪組搭配再配合齒條3作前後的動作，其搭配方法以及輪係值如下(圖5-13)所示。

 (五)顯示器：這個部分位於主控台上，我們的規劃上排是用來顯示系統操作狀態及選單模式。主要是用一個2*16的LCD來做，其電路圖(圖5-14)如下

注意事項 :

A.LCD的VDD/VSS/VO 接腳依各家廠商會有不同，請勿直接依照電路圖接，要參照你所買的LCD原廠資料去接，因為電源接錯LCD會燒毀。

B.程式內的LCD初始化設定LCD_START副程式，內部設定值像顯示幾行游標是否顯示/游標如何移動等等的設定，也會依不同廠商的LCD有所不同，請自行更正為正確值。

(六)主控台：由於希望達到自動化的控制，所以我們想到在氣壓實習課程中，使用到PLC(Programmable Logic controller可程式邏輯控制器)來做氣壓缸動作控制，但是PLC的體積太大，又必須與電腦配合使用。因此我們想利用PLC中，所使用的微電腦晶片作為這次題目的控制器。所以我們須先了解PLC中微電腦晶片的動作原理，我們在參閱微電腦相關的書籍中發現，8051單晶片的使用範圍最為廣泛，於是我們決定採用89C51做為我們的控制核心。

8051 IC說明：89C51是由中央處理單元(CPU)、記憶體單元及輸入/輸出單元所組成。藉位址匯流排、資料匯流排與控制確流排，CPU即可與記憶機單元及，I/O單元相連，構成完整的微電腦系統。單晶片微電腦為將CPU、記憶體及I/O等組合製於同一晶片內之微控制器，故僅需少量週邊電路即可獨立工作，電路圖如下(圖5-15)所示。

從圖5-15中連接 +5V，表示是使用89C51內部的EPROM作為程式記憶體。12MHz的石英晶體配合兩個20p F的電容連接到89C51的第18、19腳，讓內部時脈產生器能正常工作。89C51的第18、19腳的內部是一個反相放大電路，當第18、19腳連接石英晶體及電容，即構成了一個標準的石英晶體振盪器，振盪器的輸出信號就提供給89C51使用。圖5-15中10u F電容及8.2K電阻組成了89C51的開機自動重置(POWER-ON Reset) 電路。只要保持Reset接腳兩個機械週期的”Hi”信號，即可重置89C51。當電源打開，電容在瞬間視為短路，所以RST的接腳信號是高電位。隨著時間的增加，10u F電容慢慢充電，當充電時間經過5個RC時間常數之後，RST接腳信號即降為低電位，系統隨即開始正常動作。

(七)感測器：為了能夠使動作中的設備，準確停在定點上，所以我們在各個設備中安裝

數個SENSOR和極限開關等，幫助定位。

1.LED控制：

Port1的接腳接到LED的N極，當Port1輸出低電位時，LED順向偏壓，電流通過330Ω電阻及LED流入Port1，LED就會發光。當Port1輸出高電位時，LED兩端電位差不足以使LED產生順向偏差，LED不會發光，電路圖(圖5-16)如下

2.光感應器控制實驗：再我們的實驗中，CNY70為我們所用的感測元件，電路圖如下圖(圖5-17)所示。CNY70的內部結構包含紅外線發光二極體、光電晶體、光濾波器，其功能為：

(3)光濾波器：唯一僅讓波長為紅外線附近光譜通過的濾光透鏡，可用來加強光電晶體的抗雜訊能力。

CNY70動作原理：

+5V經由限流電阻330Ω限制電流後，供應光LED穩定電流，可穩定且持續發出紅外線不可見光。(圖5-19)

CNY70前放置一反射物，光LED所發射的不可見光經由反射物友射至光電晶體接收，此時光電晶體以達飽和，rce抗阻水，Ve接近+5v，接下來在經由史密特反向接觸器IC4584處理後，接觸V0等0V，LED不亮，此信號送至89C51的P0出入。(圖5-20)

當CNY70前未放置任反射物，則紅外線LED所發射的不可見光無法有效反射至電晶體，因此光電晶體截止呈現高阻抌，使VE按接近０V，再經由史密特反向接觸器IC4584處理後，輸出V0等於5V，LED亮。(圖5-21)

3.光遮斷器

光耦合器（photo－coupler）是一種傳遞光的媒體，也是一種信號傳送裝置，包含有許多種類。例如用於電路之間做為介面的光耦合器；自動化機械用來決定工件位置的光耦合器；以及軸型編碼器所用的光耦合器等等。光耦合器的結構可依要求精度以及使用目的作出許多種類的組合，故在應用時宜視狀況挑選適用的光耦合器。

光遮斷器事實上只是一個光發射器（大都使用波長800㎜以上的紅外線發光二極體）和光接收器（光電晶體），把它們面對面安裝在一起，中間留一道隙縫而成。

隙縫中，發射端和接收端留有一個透光孔，平常光束直接照在光晶體上，而有光電流產生。當光被遮住時，則光電晶體off。則可利用光束是否被遮住，來控制電晶體的on和off。

光遮斷器應用電路有集極輸出式(圖5-21)及射極輸出式(圖5-22)。在結構上看來，集極輸出式因輸出位準較高，對於推動後級做為介面時較為有利。在性能上集極輸出式及射極輸出式二者差異並不大，但在電路結構上，射極輸出式則有電壓使用率較差的缺點。頻率響應方面集極輸出式及射極輸出式兩者亦相似，通常光遮斷器的反應速率可達數十KHz左右，可適用於馬達轉速感知裝置。

感測器安裝位置圖

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陸、研究結果

以上就是這次我們製作的自動分類倉儲系統。硬體主要的五大部分：主控台、量測台、輸送帶、高吊車、物料架。(圖6-1)

存貨動作流程方面：輸入存貨的指令→測物物品寬與高→利用輸送帶將物品送至載卸點→再由高架吊車將物品舉起→放置於適合大小物料櫃中。

取貨動作流程方面：輸入取貨的指令→吊車進行取貨動作→放置於輸送帶上→輸送至卸載點。

由上面流程分為下列各部位動作流程說明：

量測台流程：接收主控台動作指令→先進行量測高度的功能→張開量測桿進行量測物品的寬度→將訊號傳回主控台→進行原點復歸動作。

輸送帶流程：接收主控台動作指令→將物品輸送至載卸點→將訊號傳回主控台。

高吊車流程：接收主控台動作指令→至卸載站將貨物舉起→把貨物放置於主控台指定的物料櫃中→進行原點復歸動作

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柒、討論

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捌、結論

未來發展：

目前基礎上，此系統可朝著電腦連線與網際網路的結合，做到遠端控制、線上監控、庫存管理等功能。未來發展方向上，配合CNC數值控制系統、機械手臂則可做到FMS彈性製造系統。藉由系統以適時、適量、適值，自動提供生產所需物料零件至生產線，予以提高生產效率。整合了計畫、庫存、生產、出入物流的功能與管理，降低生產成本。

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玖、參考資料及其他

文獻探討：

自動倉儲系統：

在FA(工廠自動化；Factory Automation)、FMS(彈性製造系統；Flexible Manufacturing System)及CIM(電腦整合製造系統；ComputerIntegrated Manu-facturing System)的物流中是佔非常重要的地位。在歐、美、日各先進國家已普遍使用。其目的不僅只是為了備存物料、零件、半成品、成品的倉儲，而是密切配合製造工廠的產銷計劃與物料需求計劃(MRP；Material Reguirement Planning)，妥善安排生產所需合理數量的物料、零件，並盡量縮短其庫存時間及避免發生缺料、滯料，藉高架吊車(Stacker Crane)、輸送機(Conveyor)無人搬運車等，以適時、適量、適質，自動提供生產所需物料零件到生產線，予提高生產效率。然後保管成品而依銷售預定準時正確出貨，提升服務水準。整合了計劃、庫存、生產、出入物流的功能與管理，降低了生產成本。

§ 知識探討

高架吊車是負責從載卸站至料架間自動存取物品的設備，在歐美系統還有人員搭乘架吊車至料架撿料的高架吊車，日本系統則主要由高架吊車送物品至鋼架前撿料站供操作人員撿料。歐美系統的撿料高架吊車在多樣少量的小物料系統，效率很高，但日本系統的安全性較高，操作較簡單，可電腦連線作業。

棧板式高架吊車

包含各種木棧板、塑膠棧板、箱型棧板、鐵籠、巧固架等等，棧板式自動倉庫是使用最廣最普遍的自動倉庫，因為棧板堆放物料的容積量適中，出入庫頻率不致於太過頻繁，運搬處理簡單，可堆放物料的重量具有彈性。平面棧板的空棧板可堆疊處理，非常方便，但如果物料不易堆疊在平面棧板上面，可改用周圍具有限制的箱型棧板或鐵籠等。一般棧板尺寸從800MM至1500MM，載重量從數百公斤至約兩千公斤。

輸送機

輸送機是自動運搬設備中最基本的設備，棧板式的運輸方面最常用的輸送機包括動力滾輪輸送機、鏈條輸送機、棧板堆疊分送機等，其餘如自由滾輪輸送機，為了配合AGV傳送的特殊輸送機等，也隨系統不同而分別設計採用。輸送塑膠箱或紙箱等輕型的輸送機，較常採用的有皮帶輸送機、滾輪輸送機、鏈條輸送機以及累積式輸送機。選用輸送機應考慮的因素，包括運送容器的型式，如棧板的型式，塑膠箱的外型及底面形狀等，還要考慮到連結運搬設備的特性、經濟因素等。

SPIMMING-TUBE CONVEYOR

一般稱為有軌式無人車，此種設備適合中程運送頻率低或中等程度，棧板與運行方向成水平式的垂直轉接很多時，尤其適合使用此種設備。其中往復式的運搬效率較高，較經濟，但因一系統中僅能有一台台車，所以每單位時間所能處理的數量較少。循環式的效率較差，成本高，但因同一系統中可同時有數台台車，每單位時間所能處理的數量較多。

無人車輸送系統

參考書籍:

許書務、游金湖:光電元件應用技術(增訂版)。台北市，金華出版社，90年出版。

馬嘉宏、謝澄漢:8051單晶片原理與實作。台北縣，宏友出版社，８８年出版。

謝澄漢:8051單晶片原理與實習。台北市，宏友出版社，89年出版。

江昭暟、李俊奇、吳偉賢、范丙林:感測電路。台北市，高立出版社。87年出版。

盧明智、盧鵬任:感測器應用與線路分析。台北市，全華出版社。89年出版。

伍孝鵬、杜德銘:數位電路設計。台北市，全華出版社。79年出版。

柯南:Protel電腦輔助電路設計與分析。台北縣，台科大圖書。92年出版。

各類重要IC特性數查表。工商情報，第95期，六月號。

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