張曉東 曹 毅 李秀娟

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展和企業(yè)物流規(guī)模的不斷擴(kuò)大，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)技術(shù)在我國(guó)逐步得到了推廣和應(yīng)用。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)使用高層立體貨架存儲(chǔ)貨物，利用巷道堆垛機(jī)和出入庫(kù)輸送設(shè)備進(jìn)行貨物存取作業(yè)，具備計(jì)算機(jī)信息識(shí)別、監(jiān)控、管理等功能［1－2］。立體倉(cāng)庫(kù)具有提高物流效率、充分利用存儲(chǔ)空間、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、合理進(jìn)行庫(kù)存和生產(chǎn)決策等優(yōu)點(diǎn)。以功能先進(jìn)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)技術(shù)替代傳統(tǒng)的平面庫(kù)房式存儲(chǔ)模式已經(jīng)成為現(xiàn)代物流行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)［3］。

近年來(lái)，電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是嵌入式技術(shù)的飛速進(jìn)步，為立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持［4－5］。如何利用功能強(qiáng)大的嵌入式處理器改進(jìn)傳統(tǒng)的巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為有關(guān)廠(chǎng)家重要的研究課題［6］。

本文以自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)體模型為例，詳細(xì)探討了基于ARM處理器的立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1 系統(tǒng)總體方案

巷道堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的核心存取設(shè)備，其主要機(jī)構(gòu)包括行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)、立柱及機(jī)架、電氣及安全聯(lián)鎖保護(hù)機(jī)構(gòu)等［7－8］。為了對(duì)基于ARM處理器的立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究和驗(yàn)證，需要建立立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)體模型。為此，筆者所在的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作了一部單一巷道的多層立體倉(cāng)庫(kù)模型。在該自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)體模型中，設(shè)置了一臺(tái)單立柱巷道堆垛機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 巷道堆垛機(jī)示意圖Fig.1 Schematic of the roadway stacker

堆垛機(jī)主要由水平機(jī)構(gòu)、垂直機(jī)構(gòu)及伸叉機(jī)構(gòu)三部分組成，分別完成堆垛機(jī)的水平行走、載貨臺(tái)的垂直升降和貨叉伸縮的三自由度運(yùn)動(dòng)。水平、垂直和伸叉機(jī)構(gòu)的運(yùn)行分別由X軸、Y軸和Z軸的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有自鎖功能的絲杠完成。

為使巷道堆垛機(jī)快速、準(zhǔn)確地將貨物送入立體倉(cāng)庫(kù)的相應(yīng)倉(cāng)位并確保存取貨物時(shí)的準(zhǔn)確性、安全性，系統(tǒng)對(duì)堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)位置的控制可靠性有較高的要求。需要實(shí)現(xiàn)的具體控制目標(biāo)包括:堆垛機(jī)控制系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)控制功能;能根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的控制指令作出相應(yīng)的存取動(dòng)作;系統(tǒng)具備安全聯(lián)鎖保護(hù)功能。為此，采用Philips公司基于ARM7 TDMI-S內(nèi)核的LPC2131型ARM處理器作為核心控制器，采用高精度、高穩(wěn)定性的42BYGH5403型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)及SJ-220型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為其執(zhí)行元件，構(gòu)建了巷道堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the stacker control system

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，ARM控制器接收遠(yuǎn)程上位監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)用鍵盤(pán)輸入的控制指令并響應(yīng)執(zhí)行，輸出PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī);利用絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)在導(dǎo)軌上作三維立體運(yùn)動(dòng)，完成貨物在立體倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)存取。與此同時(shí)，使用非接觸式光電傳感器檢測(cè)立體倉(cāng)庫(kù)倉(cāng)位的行、列信號(hào);使用多個(gè)限位開(kāi)關(guān)確保水平行走機(jī)構(gòu)、載貨臺(tái)升降和貨叉伸縮的限位保護(hù)，避免堆垛機(jī)各方向的運(yùn)動(dòng)范圍超出安全區(qū)域。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

ARM微處理器是整個(gè)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的核心。微處理器選用了16/32位的ARM7 TDMI-S內(nèi)核的LPC2131芯片，它集成了16位的Thumb擴(kuò)展指令集，CPU運(yùn)行頻率高達(dá)60 MHz。該芯片內(nèi)部集成了8 kB片內(nèi)靜態(tài)RAM、32 kB片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器、看門(mén)狗定時(shí)器、2個(gè)32位定時(shí)器、1個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器、多達(dá)47個(gè)可承受5 V電壓的通用I/O接口以及可提供6路PWM通道輸出的PWM單元。其小型化的LQFP64封裝形式和極低的運(yùn)行功耗使得LPC2131微處理器特別適合應(yīng)用于立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)等工業(yè)控制領(lǐng)域［9－10］。

在巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中，LPC2131微處理器使用3.3 V的電源供電，微處理器的各個(gè)GPIO接口引腳也使用3.3 V的TTL電平，而且最高可以承受5 V的電壓。SJ-220型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可分別接收直流5 V、12 V(外接 680 Ω 電阻)和 24 V(外接 1.8 kΩ 電阻)的外部電壓輸入信號(hào)。因此，可將LPC2131微處理器的GPIO管腳與SJ-220型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的CP步進(jìn)脈沖信號(hào)端直接相連，接收GPIO輸出的最高5 V的雙邊沿PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，而不需要額外加裝外接電阻。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

巷道堆垛機(jī)需要使用42BYGH5403型步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件來(lái)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)在導(dǎo)軌上做三自由度運(yùn)動(dòng)，因此，LPC2131微處理器需要將3個(gè)非重疊的PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)輸出給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并對(duì)3個(gè)PWM信號(hào)的脈寬和位置進(jìn)行獨(dú)立控制。使用LPC2131微處理器產(chǎn)生PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的流程如圖3所示。

圖3 PWM信號(hào)產(chǎn)生流程圖Fig.3 Flow chart of the PWM signal generation

LPC2131芯片的脈沖寬度調(diào)制器建立在標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器和7個(gè)匹配寄存器之上，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)6個(gè)單邊沿PWM信號(hào)或3個(gè)雙邊沿PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的控制輸出。在本設(shè)計(jì)中，采用3個(gè)非重疊的PWM信號(hào)并同時(shí)產(chǎn)生正負(fù)脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

PWM脈寬調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的程序流程確定之后，接下來(lái)利用ARM Developer Suite v1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)了生成雙邊沿PWM脈寬調(diào)制信號(hào)及具備手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式的下位機(jī)軟件代碼;同時(shí)使用AXD Debugger調(diào)試器對(duì)代碼進(jìn)行了編譯調(diào)試。試驗(yàn)測(cè)試表明，巷道堆垛機(jī)無(wú)論在手動(dòng)還是自動(dòng)模式下都能夠靈敏、可靠地完成貨物在立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)體模型倉(cāng)位中的模擬存取動(dòng)作，并具備倉(cāng)位檢測(cè)、系統(tǒng)急停、動(dòng)作限位、載貨臺(tái)回零等功能，基本完成了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的作業(yè)需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Philips公司LPC2131型ARM微處理器的巷道堆垛機(jī)控制方案。詳細(xì)給出了以ARM微處理器為核心、以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件的巷道堆垛機(jī)總體方案和硬件電路設(shè)計(jì)，并討論了堆垛機(jī)軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

實(shí)際測(cè)試效果表明，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了巷道堆垛機(jī)安全、可靠的運(yùn)行，滿(mǎn)足了自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)存取貨物的作業(yè)需求。將該堆垛機(jī)控制系統(tǒng)稍作改進(jìn)后可以廣泛應(yīng)用于立體車(chē)庫(kù)、糧食、冶金、制造等領(lǐng)域的物料存儲(chǔ)與堆垛作業(yè)。

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