張洪波

（勝斐邇倉儲(chǔ)系統(tǒng)（昆山）有限公司上海分公司，上海 200071）

0 引言

自動(dòng)化立體倉庫，誕生于上個(gè)世紀(jì)，是能自動(dòng)完成物料的入庫和出庫，將信息技術(shù)、AGV（Automatic Guide Vehicle）自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)、機(jī)械手技術(shù)和自動(dòng)倉儲(chǔ)技術(shù)匯聚于一身的集成化系統(tǒng)[1]。

1 自動(dòng)化立體倉庫的硬件設(shè)計(jì)

本自動(dòng)化立體倉庫的平臺(tái)包括：單元貨格式倉庫、可編程控制器、光電傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、紅外通訊設(shè)備、變頻器、觸摸屏、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器等。

1.1 移動(dòng)貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本論文研究的貨物存儲(chǔ)單元為移動(dòng)貨架。本系統(tǒng)由多排沿寬度方向水平移動(dòng)的貨架組成，如圖1。貨架由三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，安裝在貨架底部，電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)動(dòng)改為沿寬度方向水平移動(dòng)。

圖1 立體倉庫示意圖

1.1.1 移動(dòng)貨架驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

貨架的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，滑軌1用于限制貨架的水平移動(dòng)方向；箱體2主要用于安全防護(hù)及對(duì)灰塵、異物的阻隔；電機(jī)4為驅(qū)動(dòng)力的來源；減速機(jī)5用于放大扭矩；絲桿螺母或其他變向機(jī)構(gòu)，將電機(jī)4的驅(qū)動(dòng)力傳遞到鏈輪或帶輪3上；在機(jī)構(gòu)3的帶動(dòng)下，整個(gè)移動(dòng)貨架可在水平方向上移動(dòng)。

圖2 移動(dòng)貨架驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

移動(dòng)貨架在移動(dòng)過程中的阻力主要是移動(dòng)貨架及物料的重力在滑軌上產(chǎn)生的摩擦力f，電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中只要克服此摩擦力即可，逐步反推可進(jìn)行電機(jī)的選型設(shè)計(jì)。

摩擦力f計(jì)算：

其中μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)N為施加在導(dǎo)軌1上的重力。

其中G移動(dòng)貨架為移動(dòng)貨架的重力，G移動(dòng)物品為待轉(zhuǎn)移物品的最大重力。

鏈輪或帶輪3產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力為F，考慮靜摩擦力因素，建議其在摩擦力的1.5倍以上，即：

則變向機(jī)構(gòu)6需要提供的驅(qū)動(dòng)力F1，應(yīng)為：

其中i為變向機(jī)構(gòu)6與鏈輪之間的傳動(dòng)比。

用F1反向推算，可得電機(jī)需要的扭矩，以此完成電機(jī)的選型。

1.1.2 移動(dòng)貨架支撐及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

除上文提及的移動(dòng)貨架驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)箱體外，還需設(shè)計(jì)支撐及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以使貨架可以有效平穩(wěn)地水平移動(dòng)。如圖3所示。

圖3 移動(dòng)貨架支撐及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)示意圖

其中1為前后左右對(duì)稱布置的四個(gè)水平導(dǎo)向輪，可以保障移動(dòng)貨架在水平運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)發(fā)生偏斜，并沿固定路線行駛；2為兩個(gè)承重的滾動(dòng)支撐輪，將移動(dòng)貨架支撐起來，采用滾動(dòng)方式可降低水平運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦力；3為連接裝置，用以連接上文描述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過鍵槽將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳遞到支撐和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上；4為移動(dòng)貨架的支撐梁。

水平導(dǎo)向輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水平導(dǎo)向輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳圖

其中9為導(dǎo)向用軸承，因?yàn)槭菍?duì)稱布置，無論向哪一側(cè)偏斜，導(dǎo)向輪都會(huì)與支撐梁接觸，進(jìn)而糾正移動(dòng)貨架水平移動(dòng)的偏斜；1為導(dǎo)向軸承外的滾動(dòng)輪，加大了導(dǎo)向半徑，可以在支撐梁較粗、軸承接觸不到時(shí)，添加使用；導(dǎo)向軸承及導(dǎo)向輪通過緊固件固定在移動(dòng)貨架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上。

承重滾動(dòng)支撐輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 承重滾動(dòng)支撐輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳圖

其中9為承重滾動(dòng)支撐軸承，當(dāng)支撐梁較粗，單軸承居中受力不良時(shí)，可將承重滾動(dòng)支撐軸承改為兩個(gè)或兩個(gè)以上，進(jìn)而保證承重支撐結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性；21為承重滾動(dòng)支撐軸承外的滾動(dòng)輪，加大了支撐半徑，可以在支撐梁較粗、軸承接觸不到時(shí)，添加使用；支撐軸承及支撐輪通過緊固件固定在移動(dòng)

貨架的支撐機(jī)構(gòu)上。

1.2 堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

堆垛機(jī)[2]是自動(dòng)化立體倉庫中的重要組成部分，本論文分析的是采用頂部驅(qū)動(dòng)的懸掛式堆垛機(jī)。堆垛機(jī)在頂部行車的驅(qū)動(dòng)下，可以在水平的兩個(gè)方向上自由運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示：

圖6 堆垛機(jī)簡圖

圖6中的提升機(jī)構(gòu)，如圖7所示，主要包括固定在兩側(cè)的4個(gè)鏈輪，呈對(duì)稱布置，可有效保證堆垛機(jī)在升降過程中不會(huì)發(fā)生偏移和傾斜。在堆垛機(jī)的上下極限行程處，分別安裝限位開關(guān)，當(dāng)升降到極限位置時(shí)，觸發(fā)信號(hào)，反饋到控制系統(tǒng)，避免升降超出安全行程范圍。

圖7 提升機(jī)構(gòu)詳圖

圖7中，1為四個(gè)導(dǎo)向輪，起到防傾斜、傾倒的功能；2為提升機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪/主動(dòng)輪機(jī)構(gòu)，完成垂直方向的驅(qū)動(dòng)力傳遞；3為提升機(jī)構(gòu)罩殼。

提升機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)選型時(shí)，可參照上文移動(dòng)貨架水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行，且更加簡單，本文暫不重復(fù)描述。

1.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在完成自動(dòng)立體倉庫的移動(dòng)貨架及堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，本論文后續(xù)主要分析它們運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。以上設(shè)備的控制系統(tǒng)均用可編程控制器PLC（Programmable Logic Controller）作為控制單元[3]。以下是兩個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的框圖：

移動(dòng)貨架運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，見圖8。

圖8 移動(dòng)貨架控制系統(tǒng)框圖

操作人員在上位機(jī)上進(jìn)行相關(guān)操作，操作指令形成0-1代碼，驅(qū)動(dòng)PLC輸出信號(hào)至變頻器，進(jìn)而控制三相電機(jī)的啟停，通過上文介紹的移動(dòng)貨架水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)移動(dòng)貨架移動(dòng)。在此過程中，通過編碼器詳細(xì)精準(zhǔn)記錄移動(dòng)行程，并將數(shù)據(jù)信號(hào)反饋給PLC系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，達(dá)到精準(zhǔn)定位的目的。

堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，見圖9。

圖9 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)框圖

操作人員在上位機(jī)上進(jìn)行相關(guān)操作，操作指令形成0-1代碼，驅(qū)動(dòng)PLC輸出信號(hào)至伺服驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而間接控制伺服電機(jī)啟停，通過上文介紹的堆垛機(jī)垂直方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)堆垛機(jī)升降。在此過程中，通過編碼器和認(rèn)址器詳細(xì)精準(zhǔn)記錄移動(dòng)行程，并將數(shù)據(jù)信號(hào)反饋給PLC系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，達(dá)到精準(zhǔn)定位的目的。本論文涉及的兩個(gè)控制系統(tǒng)均釆用半閉環(huán)控制。詳細(xì)闡述為：將編碼器和變頻器直接相連，在很大程度上降低了上位機(jī)的計(jì)算量，提高了響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。采用光電開關(guān)來控制準(zhǔn)停，從而不受控制單元計(jì)算速度的影響，精度更高。

1.4 其他

在本論文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)中，除了上文提及的PLC控制單元外，還添置了工業(yè)平板電腦IPC，可用于數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)，也可用作人工操作界面。使用工業(yè)平板電腦提升了操作的便利性，也為后續(xù)的立體倉庫以外的整個(gè)車間數(shù)據(jù)集成及MES系統(tǒng)的建立，提供了硬件基礎(chǔ)。

1.5 自動(dòng)化立體倉庫的控制邏輯

本論文用計(jì)算機(jī)作為控制和監(jiān)控中心，采用各種通信接口來間接觸發(fā)可編程控制器以及硬件結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)達(dá)到指定位置的功能[4]。自動(dòng)化立體倉庫，控制系統(tǒng)的最底層為監(jiān)控及信號(hào)反饋單元，上一級(jí)為移動(dòng)貨架及堆垛機(jī)的PLC控制器[5]，再上一級(jí)為工控電腦，最高級(jí)可為整個(gè)車間或立體倉庫的管理計(jì)算機(jī)。

2 自動(dòng)化立體倉庫人機(jī)界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人機(jī)界面時(shí)，從以下幾個(gè)方面要著重考慮：

（1）人機(jī)界面主題定義為自動(dòng)立體倉庫控制系統(tǒng)，位于人機(jī)界面a區(qū)域。

（2）考慮貨架號(hào)與人機(jī)界面的一一對(duì)應(yīng)性，在設(shè)計(jì)人機(jī)界面時(shí)，上位機(jī)主界面可顯示貨架號(hào)，可以給操作人員一種清晰明了的感覺；當(dāng)選擇貨架號(hào)成功后，貨架號(hào)在人機(jī)界面上的位置將被點(diǎn)亮；貨架號(hào)位于人機(jī)界面b區(qū)域。

（3）為了防止操作人員誤操作，避免對(duì)應(yīng)貨架沒有物料而去取貨以及對(duì)應(yīng)貨架有物料而去重復(fù)放料及由此造成的物品滑落、損傷等風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)操作人員選擇相應(yīng)的貨架號(hào)后，人機(jī)界面上需要顯示該貨架號(hào)內(nèi)是否有物品。該功能位于人機(jī)界面c區(qū)域。

（4）操作人員首先選擇貨架號(hào)，然后選擇是取貨還是放貨，機(jī)械手會(huì)精確找到對(duì)應(yīng)的工位并完成取貨或放貨操作；該功能位于人機(jī)界面d區(qū)域。

（5）當(dāng)操作人員未注意到貨架內(nèi)有無物料信息，而誤選擇取貨或放貨時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)根據(jù)邏輯判斷，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警且在人機(jī)界面上顯示報(bào)警信息；位于人機(jī)界面e區(qū)域。

（6）系統(tǒng)還需具有原點(diǎn)位置，對(duì)應(yīng)回零操作；位于人機(jī)界面d區(qū)域。

（7）為了避免無意觸碰造成的運(yùn)動(dòng)，需要在人機(jī)界面上設(shè)置啟動(dòng)按鈕，只有當(dāng)啟動(dòng)按鈕點(diǎn)亮后，人機(jī)界面上的相關(guān)操作才會(huì)生效；位于人機(jī)界面d區(qū)域。

（8）人機(jī)界面還需設(shè)有急停按鈕，用于緊急情況下的制動(dòng)；位于人機(jī)界面d區(qū)域。

對(duì)應(yīng)的上位機(jī)主界面（以a=8，b=4為例）設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 上位機(jī)主界面

若貨架單向超過10位，在人機(jī)界面上全部顯示，會(huì)比較擁擠，也為誤操作埋下隱患，此時(shí)貨架區(qū)需要設(shè)計(jì)為帶下拉按鈕樣式。

3 結(jié)語

本文首先介紹了自動(dòng)化立體倉庫的定義，隨后詳細(xì)介紹了移動(dòng)貨架及堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繼而分析了自動(dòng)化立體倉庫的總控系統(tǒng)及控制邏輯框圖，最后闡述了人機(jī)界面設(shè)計(jì)的思路。本文詳細(xì)闡述了現(xiàn)代自動(dòng)化立體倉庫的設(shè)計(jì)過程，可供相關(guān)人員參考。