■江西外語(yǔ)外貿(mào)職業(yè)學(xué)院 毛卓琳 徐 睿

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)作為新型的物流倉(cāng)儲(chǔ)方式，在當(dāng)今物流產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。而在貨物入庫(kù)過程中，對(duì)物資的精準(zhǔn)定位是關(guān)鍵的一環(huán)。步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)是通過脈沖轉(zhuǎn)換的方式，將電轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)或是角的位置移動(dòng)。若沒有超載，由脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止位置，所以在需要精密控制時(shí)，多采用步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)能夠?qū)崿F(xiàn)在接收到物資時(shí)，按照物資信息自動(dòng)入庫(kù)并將其存儲(chǔ)到指定位置。

正泰集團(tuán)是國(guó)內(nèi)著名的低壓電器銷售企業(yè)，該公司的產(chǎn)品約有150個(gè)系列、5000多個(gè)品種，還擁有相關(guān)的零部件及原材料的供應(yīng)體系。正泰集團(tuán)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是該公司物流系統(tǒng)中的重要組成部分，其占地面積約為1700km2，高度約為18m，其貨架約為8排4巷道。因?yàn)樵摴緜}(cāng)庫(kù)的規(guī)模較大，且要求快速、準(zhǔn)確地儲(chǔ)存多種不同型號(hào)的低壓電器成品，但現(xiàn)有的倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)不能滿足要求。鑒于此，本文基于步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)和可編程邏輯控制技術(shù)，以自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)為研究對(duì)象，為正泰集團(tuán)公司設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了立體化倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的定位控制。

1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成有可編程邏輯控制（即P ro g ram m ab le Logic Controller，即PLC）模塊、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊，絲桿驅(qū)動(dòng)模塊、工件推出模塊、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)和氣源處理組件等。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 精準(zhǔn)定位原理

可編程邏輯控制模塊發(fā)出脈沖指令，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的步距角度，同時(shí)Z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)Z軸絲桿做上下的直線運(yùn)動(dòng)，或者是由X軸帶動(dòng)X軸絲桿做左右的直線運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，在載物臺(tái)上就可以實(shí)現(xiàn)上、下、左、右運(yùn)動(dòng)。因此，若能夠控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)量就可以控制載物臺(tái)在X軸和Z軸上的移動(dòng)距離，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，達(dá)到將物資放在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)指定位置的目的。具體來說，平移距離為步距角度、脈沖數(shù)量以及螺距三者的積。

圖1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 可編程邏輯控制模塊

正泰集團(tuán)公司使用西門子S7-200系列的CPU 224 CN作為自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)的控制器，其有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)，共計(jì)24個(gè)I/O點(diǎn)。該控制器的脈沖輸出功能較快，體積較小，功能強(qiáng)，同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。正泰集團(tuán)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)的硬件控制接線圖如圖2所示。

2.2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器共同組成了步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊，而為了能夠更好地控制X軸和Z軸的絲桿運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)有兩套步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊。在可編程邏輯控制模塊發(fā)出脈沖信號(hào)和方向電平信號(hào)后，由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接受該組信號(hào)，并將其信號(hào)準(zhǔn)換為可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)。方向電平信號(hào)則可以控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，脈沖信號(hào)的頻率控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，而脈沖信號(hào)的數(shù)量控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。

正泰集團(tuán)的步進(jìn)電機(jī)采用四項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器采用細(xì)分型步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器具有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，且振動(dòng)較小、雜訊低、抗干擾等特點(diǎn)。此外，在靜止的情況下，由于電流會(huì)自動(dòng)減半，所以電源有保護(hù)功能。該步進(jìn)電機(jī)的步距角度是2o，具體來說，若步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周就需要180個(gè)脈沖。但是通過設(shè)置細(xì)分可移速度，最高可達(dá)11520個(gè)脈沖?？梢酝ㄟ^撥動(dòng)開關(guān)設(shè)定步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分設(shè)定，具體可將開關(guān)設(shè)為SW 1、SW 2和SW 3，其中設(shè)SW 1為開、SW 2為關(guān)、SW 3為開，具體見表1。如果步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一周需要600個(gè)脈沖，即其細(xì)分設(shè)置是每圈600步數(shù)，而其步距角為600×0.6=3600。

圖2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件控制接線圖

促使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的組件是聯(lián)軸器，而聯(lián)軸器能夠直接帶動(dòng)螺旋絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，其螺距為4mm。這就表示假如步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，則載物臺(tái)位會(huì)移動(dòng)4mm。這樣，倉(cāng)庫(kù)管理人員要把物資送到自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中的指定位置時(shí)，就可以通過控制載物臺(tái)在X軸、Z軸的移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)物資的轉(zhuǎn)移。

如表2，可以通過撥動(dòng)開關(guān)設(shè)定步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的輸出電流設(shè)定，具體可將開關(guān)設(shè)為SW 4、SW 5和SW 6，其中設(shè)SW 4為關(guān)、SW 5為開、SW 6為關(guān)，其輸出電流是1.47A。

表1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分設(shè)定表

表2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出電流設(shè)定表

2.3 絲桿驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而在絲桿驅(qū)動(dòng)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€的反復(fù)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樾枰獌蓚€(gè)絲桿驅(qū)動(dòng)模塊同時(shí)運(yùn)作，那么在安裝這兩個(gè)絲桿驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)，它們可以成直角垂直安裝，進(jìn)而形成XZ軸的平面運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。為了能夠提供位置的參考點(diǎn)并校正其他運(yùn)動(dòng)的位置，可以同時(shí)在這兩個(gè)絲桿驅(qū)動(dòng)模塊都設(shè)定一個(gè)0點(diǎn)。此外，在絲桿驅(qū)動(dòng)模塊的極限位置上設(shè)置保護(hù)開關(guān)，這不僅可以預(yù)防該模塊的過沖情況，還能夠預(yù)防機(jī)械物理?yè)p傷。

2.4 工件推出模塊

工件推出模塊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣動(dòng)控制系統(tǒng)，其磁感應(yīng)式接近開關(guān)是1B1和1B2，雙作用氣缸為1A，兩位五通電磁換向閥控制雙作用氣缸運(yùn)動(dòng)是用1Y 1表示。因此，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)的氣動(dòng)控制原理如圖3所示。

3 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 I/O分配

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)的可編程邏輯控制模塊的I/O口分配表見表3。

3.2 程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的組成有主程序、Q 0.1控 制 Z軸電機(jī)輸出脈沖子程序以及Q 0.0控 制 X軸電機(jī)輸出脈沖子程序等。

設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的主程序時(shí)，首先要檢測(cè)絲桿的運(yùn)動(dòng)方向，然后輸入脈沖串值，再之后調(diào)用Q 0.1和Q 0.0輸出脈沖子程序，這時(shí)就可以對(duì)是否完成脈沖串輸出進(jìn)行判斷，最后可以判斷定位的完成情況。其主程序流程如圖4所示。

圖3 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)氣動(dòng)控制原理圖

S7-200 CPU會(huì) 提 供 Q 0.1和Q 0.0這兩個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)，并利用可編程邏輯控制模塊控制脈沖的頻率和個(gè)數(shù)，之后利用脈沖輸出指令，并采用PTO編程在Q 0.1和Q 0.0這兩個(gè)高速脈沖串的輸出，進(jìn)而促使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

表3 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)定位存儲(chǔ)系統(tǒng)I/O端口分配表

圖4 主程序流程圖

表4 多段操作包絡(luò)表設(shè)置

PTO編程的具體過程如下：首先設(shè)置其控制字，輸入周期值和脈沖串計(jì)數(shù)值，然后連接中斷事件、服務(wù)程序等，這時(shí)允許中斷，最后執(zhí)行該指令，實(shí)現(xiàn)PTO的編程。在設(shè)置控制字時(shí)，允許其多段操作。而設(shè)置多段操作包絡(luò)表可以控制脈沖輸出串，具體見表4。

圖5 Q0.0（控制X軸）輸出脈沖子程序流程圖

圖6 Q0.1（控制Z軸）輸出脈沖子程序流程圖

Q 0.0輸出脈沖串可以控制X軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，其子程序的脈沖流程圖如圖5所示。Q 0.1輸出脈沖串可以控制Z軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，其子程序的脈沖流程如圖6所示。

4 結(jié)論

正泰集團(tuán)的具體實(shí)踐，表明本文所研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)較為穩(wěn)定流暢，運(yùn)行效果較好，實(shí)際運(yùn)用價(jià)值較高。雖然本文的主要研究對(duì)象為正泰集團(tuán)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，但是該系統(tǒng)的原理和方法能夠擴(kuò)展到其他產(chǎn)品制造領(lǐng)域，如機(jī)械、化工、印刷、牛奶等，以及物流配送領(lǐng)域，如機(jī)場(chǎng)貨運(yùn)、地鐵、港口、航天航空等，還能應(yīng)用到后勤、裝備等軍事領(lǐng)域。在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中運(yùn)用該定位存儲(chǔ)系統(tǒng)不僅能夠在很大程度上減少出錯(cuò)率，提高物資入庫(kù)的準(zhǔn)確性，還能極大地提高存取效率和工作效率，其應(yīng)用前景廣闊。