于海雨

（廣西科技大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，廣西 柳州 545000）

0 引言

自動(dòng)存取系統(tǒng)（Automated Storage and Retrieval System AS/RS）是一個(gè)多設(shè)備集成的系統(tǒng)。它以成套裝卸設(shè)備為基礎(chǔ)，以多系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制為標(biāo)志。它在現(xiàn)代物流倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。堆垛機(jī)作為As / RS的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)高層貨架的存儲(chǔ)和檢索，極大的提升了倉(cāng)庫(kù)的土地利用率和貨品的揀取效率。

為了跟上物流行業(yè)的快速發(fā)展，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，高校更加重視物流實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，但現(xiàn)有的堆垛機(jī)設(shè)備由于其體積龐大，控制系統(tǒng)復(fù)雜，不便于直觀的進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)。因此，對(duì)于有限的教學(xué)實(shí)驗(yàn)用地，設(shè)計(jì)一個(gè)功能齊全、操作簡(jiǎn)單、具有實(shí)際工程意義的模擬堆放平臺(tái)顯得尤為重要。目前，教學(xué)實(shí)驗(yàn)堆放平臺(tái)的設(shè)計(jì)大致可分為兩種技術(shù)方式：①小型化物理教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)[1-2]，盡量還原工業(yè)堆垛機(jī)的主要參數(shù)，簡(jiǎn)化關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，保證堆垛平臺(tái)的完整性，控制系統(tǒng)采用半自動(dòng)控制方式，方便學(xué)生的物理操作，從而對(duì)堆疊系統(tǒng)的組成部分有一個(gè)更清晰的認(rèn)識(shí)。缺陷是物理設(shè)計(jì)后內(nèi)部部件無(wú)法更換，控制系統(tǒng)一旦確定不容易更改，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的物理平臺(tái)隨著時(shí)間的推移而陳舊落后。②虛擬化的仿真教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)[3-5]，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，建立虛擬堆疊教學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，選擇虛擬端口連接各種型號(hào)的仿真PLC，或?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)（I/O箱）與各種型號(hào)的實(shí)體PLC連接。搭建的高層貨架、堆垛機(jī)、貨物輸送帶等都是虛擬設(shè)備，它可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行模塊化，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度跟蹤教學(xué)，大大節(jié)約了教學(xué)成本。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)最早起源于美國(guó)，1965年Ivan Sutherland一篇Ultimate Dispaly會(huì)議論文討論了交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及擁有聲音功能的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)想，被認(rèn)為是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開(kāi)端，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality）即使在虛擬現(xiàn)實(shí)上增加網(wǎng)絡(luò)的跟蹤定位等技術(shù)，增加計(jì)算機(jī)形成的虛擬信息來(lái)補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)世界，具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互和三位配準(zhǔn)三大特點(diǎn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)可以沉浸于虛擬世界中并直觀的實(shí)時(shí)感知，目前基于VR/AR技術(shù)的教學(xué)研究趨向于強(qiáng)調(diào)逼真的虛擬場(chǎng)景，繪制清晰的三維圖像，以達(dá)到接近現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)應(yīng)用的教學(xué)目的[6-7]，文獻(xiàn)提出將VR/AR技術(shù)引入到機(jī)械專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中，結(jié)合教學(xué)實(shí)例從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)三個(gè)方面展開(kāi)論述，但沒(méi)有給出具體采用何種實(shí)施方式體現(xiàn)VR/AR教學(xué)。文獻(xiàn)提出將虛擬課堂引入高校攝影教學(xué)中，借助VR/AR技術(shù)降低教學(xué)成本，并給出使用Cult 3D為基礎(chǔ)的具體實(shí)施例，但文章中沒(méi)有考慮學(xué)生參與式教學(xué)，故而對(duì)教學(xué)的效果沒(méi)有給出清晰的回應(yīng)。

本文設(shè)計(jì)基于三菱FX3U系列PLC為控制器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)型自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛平臺(tái)，其特征在于采用虛擬化的仿真教學(xué)平臺(tái)，結(jié)合VR/AR技術(shù)，可以在屏幕上使虛擬設(shè)備場(chǎng)景與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)。教學(xué)試驗(yàn)表明，采用該種方式可以有效降低教學(xué)成本，提高學(xué)生對(duì)堆垛機(jī)的認(rèn)識(shí)，豐富教學(xué)方法體系與教學(xué)效果。

1 堆垛平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 虛擬仿真平臺(tái)搭建

堆垛平臺(tái)作為自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中最重要的起重運(yùn)輸設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)高效運(yùn)行的關(guān)鍵。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中，常見(jiàn)的堆垛機(jī)高度為20m左右，不便向?qū)W生展示升降機(jī)構(gòu)、電控模塊以及天軌走形部的具體構(gòu)造。采用虛擬仿真平臺(tái)方式，針對(duì)在不同場(chǎng)景下選擇對(duì)應(yīng)的模塊化組裝模具，學(xué)生可以根據(jù)教學(xué)進(jìn)度創(chuàng)建堆垛平臺(tái)，直觀的認(rèn)識(shí)堆垛機(jī)各部件組成和控制方式。以下將給出具體實(shí)施方式，虛擬仿真平臺(tái)涉及的各設(shè)備如表1所示。

表1 仿真平臺(tái)設(shè)備清單

根據(jù)表1，將相應(yīng)的各設(shè)備在虛擬平臺(tái)上搭建，并對(duì)各設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的屬性，最終布局效果如圖1所示。

圖1搭建的是單排立體貨架，以及成套的堆垛裝置，可以演示進(jìn)取貨動(dòng)作、庫(kù)內(nèi)搬移、揀選出庫(kù)、添加入庫(kù)等操作。生成器可以根據(jù)命令生成貨物，貨物將從滾筒線移動(dòng)到接駁線，接駁線上裝有紅外傳感器，傳感器感知貨物位置并提示堆垛機(jī)工作，堆垛機(jī)根據(jù)操作指令，進(jìn)行對(duì)應(yīng)揀選作業(yè)，消失器可以將多余貨物消失。平臺(tái)各設(shè)備可根據(jù)學(xué)習(xí)要求進(jìn)行修改，例如添加或修改貨架數(shù)量和高度。全景模式下可以轉(zhuǎn)換視角，清晰的觀察動(dòng)作方式和工作流程，便于學(xué)生對(duì)堆垛機(jī)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并結(jié)合所設(shè)計(jì)的方案優(yōu)缺點(diǎn)作出修正和改進(jìn)，借此來(lái)進(jìn)一步提高堆垛平臺(tái)的利用率和運(yùn)行銷(xiāo)量，并使之獲得較好的應(yīng)用。

圖1 虛擬仿真平臺(tái)

1.2 可編程邏輯控制器設(shè)計(jì)

采用三菱FX3U作為電氣控制器，考慮到該型號(hào)的PLC提供了多達(dá)384個(gè)I/O口，便于學(xué)生擴(kuò)展設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，并支持遠(yuǎn)程程序傳輸和PLC運(yùn)行監(jiān)控，對(duì)教師監(jiān)督教學(xué)非常重要。實(shí)例中各系統(tǒng)的I/O端口類(lèi)型分配表如表2所示。

表2 I/O端口類(lèi)型分配表

GXWorks2軟件是三菱電機(jī)公司為三菱PLC推出的集設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)的編程軟件，該軟件具有簡(jiǎn)單工程（Simple Project）和結(jié)構(gòu)化工程（Structured Project）兩種編程方式，支持梯形圖、指令表、SFC等編程語(yǔ)言，幫助學(xué)生設(shè)計(jì)虛擬堆疊平臺(tái)的電氣控制。圖2給出實(shí)例部分梯形圖。

圖2 PLC部分梯形圖

實(shí)例中堆垛平臺(tái)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示，一方面，堆垛平臺(tái)開(kāi)始工作后，傳送帶上生成器等待命令生成貨品，輸送帶可以檢測(cè)是否出物料，判斷發(fā)電機(jī)是否輸送成功。貨物通過(guò)傳送帶運(yùn)送到堆垛機(jī)，堆垛機(jī)即可進(jìn)行存料作業(yè)，增加反饋環(huán)節(jié)為確保回收和投料作業(yè)有序完成。每個(gè)貨物小區(qū)具有起始信號(hào)采集，以確定貨物小區(qū)是否被存儲(chǔ)。增加此功能，還可以進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)搬運(yùn)操作，將貨物物料從當(dāng)前的貨倉(cāng)轉(zhuǎn)移到其他空位。取料后作出判斷，補(bǔ)充備用位置，并在貨物上添加消失裝置，模擬貨物出庫(kù)。另一方面，首先檢測(cè)傳送帶是否上電，然后檢測(cè)傳送帶到是否到料。待生成器等待物料信號(hào)輸入，傳送帶取料、存料并給予完成反饋并檢測(cè)貨架是否存滿(mǎn)，開(kāi)始下一次循環(huán)。

圖3 堆垛機(jī)平臺(tái)流程圖

基于三菱FX3U的實(shí)例控制單元接線圖如圖4所示，可編程邏輯控制器連接生成器、滾筒線、接駁線、堆垛機(jī)和傳感器。在實(shí)際的教學(xué)中，學(xué)生可以添加調(diào)速器、液壓泵等設(shè)備來(lái)改進(jìn)虛擬堆垛平臺(tái)，也可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)方案修改伺服電機(jī)、控制單元等部件的參數(shù)，從而獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)。借助系統(tǒng)仿真軟件，對(duì)堆垛平臺(tái)的控制和連接方式提供多角度的解決方案，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)提高掌握程度，為自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的物流設(shè)計(jì)和性能分析提供參考方法。

圖4 控制單元信號(hào)接線圖

1.3 VR/AR技術(shù)在虛擬堆垛平臺(tái)的應(yīng)用分析

VR/AR技術(shù)能夠與學(xué)生進(jìn)行交互式體驗(yàn)，并創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)場(chǎng)景、增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)、激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，為學(xué)生營(yíng)造自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，因此在教育教學(xué)應(yīng)用中潛力巨大、前景廣闊。本文所采用的是桌面式VR/AR設(shè)備在教學(xué)中的應(yīng)用，具體是結(jié)合steam教育平臺(tái)，通過(guò)zspace產(chǎn)品向?qū)W生展示堆疊平臺(tái)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并通過(guò)人機(jī)交互對(duì)平臺(tái)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試和修改，在增強(qiáng)學(xué)生參與性的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生的深度思維，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。該軟件具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能，可以將真實(shí)的環(huán)境和虛擬的層次疊加起來(lái)，展示給學(xué)生。學(xué)生可以使用頭戴式虛擬設(shè)備和手柄，通過(guò)視覺(jué)入侵，有身臨其境的真實(shí)感。他們能看到空間分離操作模型的效果，能觸摸、互動(dòng)、感知教學(xué)內(nèi)容，充分發(fā)揮想象力，構(gòu)建理想的模型，驗(yàn)證自己搭建的堆垛平臺(tái)的合理性，避免真實(shí)環(huán)境中機(jī)械零件的缺陷。實(shí)際的堆垛平臺(tái)設(shè)備價(jià)格昂貴，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)操作仍然是危險(xiǎn)的。VR/AR技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)場(chǎng)景，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程意識(shí)。

2 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)物流教學(xué)中現(xiàn)存的學(xué)生實(shí)際交互式操作學(xué)習(xí)較少、無(wú)法自行根據(jù)教學(xué)進(jìn)度進(jìn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)等問(wèn)題，提出一種基于三菱FX3U的教學(xué)實(shí)驗(yàn)型自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛平臺(tái)。該平臺(tái)采用虛擬設(shè)備搭建教學(xué)場(chǎng)景，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)連接外部可編程邏輯控制器FX3U，并加入VR/AR技術(shù)增加教學(xué)效果。與傳統(tǒng)的教學(xué)試驗(yàn)設(shè)備相比，采用虛擬場(chǎng)景可以方便學(xué)生根據(jù)教學(xué)進(jìn)度自行設(shè)計(jì)堆垛方案，拖動(dòng)虛擬設(shè)備可以任意更改替換場(chǎng)景平臺(tái)內(nèi)的走形部分、輸送部分以及揀貨部分。對(duì)學(xué)校而言，虛擬場(chǎng)景的使用可以減少教學(xué)事故，降低教學(xué)成本，減少科研經(jīng)費(fèi)。對(duì)教師而言，可以靈活運(yùn)用遠(yuǎn)程終端向虛擬堆垛平臺(tái)進(jìn)行程序傳輸和在線監(jiān)管功能，減輕教師工作負(fù)擔(dān)，提高教學(xué)質(zhì)量。

本文給出具有進(jìn)取貨動(dòng)作、庫(kù)內(nèi)搬移、揀選出庫(kù)、添加入庫(kù)等功能的實(shí)例，通過(guò)該實(shí)例可以看出本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)/AR技術(shù)引入物流倉(cāng)儲(chǔ)課程的教學(xué)可以彌補(bǔ)學(xué)生缺少時(shí)間鍛煉和直觀的了解，以便學(xué)生能更好地理解和掌握疊加原理，使用和操作，極大地刺激學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（2）利用虛擬仿真設(shè)備對(duì)自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)堆垛平臺(tái)進(jìn)行建模和優(yōu)化，提供對(duì)比方案，降低教學(xué)投資成本，并根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度改變教學(xué)場(chǎng)景。

（3）整合物流工程、檢測(cè)技術(shù)、機(jī)電傳動(dòng)、光電檢測(cè)技術(shù)、伺服技術(shù)等專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。