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（廈門航天思爾特機(jī)器人系統(tǒng)股份公司，福建廈門 361023）

0 引言

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)采用多層、十多層、幾十層等貨架儲(chǔ)存貨物，并配備了堆垛機(jī)、輸送機(jī)和輕型卡車等一系列物料搬運(yùn)設(shè)備，對(duì)貨物進(jìn)行整理和儲(chǔ)存，本文將主要介紹和解釋自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)中的核心存儲(chǔ)設(shè)備。

1 堆垛機(jī)的相關(guān)概念

1.1 堆垛機(jī)的工作原理

在立體倉(cāng)庫(kù)中設(shè)置有巷道、堆垛機(jī)、高層貨架等。一般情況下，巷道內(nèi)的堆垛機(jī)由行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)車輪在軌道上水平移動(dòng)，貨運(yùn)平臺(tái)利用提升電機(jī)的鋼絲繩垂直上下移動(dòng)。堆垛機(jī)的工作原理就是利用上述多種三維運(yùn)動(dòng)方式提取和運(yùn)輸貨物，通過移動(dòng)接收器和提升接收器來控制堆垛機(jī)的水平移動(dòng)和貨物平臺(tái)的提升位置，貨運(yùn)平臺(tái)上相應(yīng)的鉸接開關(guān)可用于控制貨叉的方向。

1.2 堆垛機(jī)控制的功能

堆垛機(jī)在控制方面擁有很多功能，主要功能有4 點(diǎn)：①通信功能，堆垛機(jī)的通信功能保證堆垛機(jī)在使用過程中順利地和其他設(shè)備保持順暢的交流和溝通；②三維動(dòng)作控制，主要對(duì)堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)的各種動(dòng)作進(jìn)行控制，例如前進(jìn)、退后、轉(zhuǎn)彎、上升等；③位置控制，當(dāng)堆垛機(jī)移動(dòng)時(shí)，對(duì)其目的地進(jìn)行精確地定位和導(dǎo)航；④保護(hù)功能，堆垛機(jī)在進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)堆垛機(jī)提供保護(hù)，避免發(fā)生安全事故。

2 堆垛機(jī)的認(rèn)址

堆垛機(jī)在整理和堆放貨物時(shí)，需要精確定位。堆垛機(jī)能否準(zhǔn)確地到達(dá)目的地，與其內(nèi)部的PLC 或自動(dòng)操作系統(tǒng)有密切聯(lián)系，只有在這兩者的操作下自動(dòng)進(jìn)行，才能夠保證堆垛機(jī)的精確定位。立體倉(cāng)庫(kù)的貨架上一般都設(shè)置有堆垛機(jī)能識(shí)別的條碼，順著巷道不同的延展方向，將其分別設(shè)為x、y、z 巷道，對(duì)應(yīng)的分別是排、層、列的位置。通過識(shí)別出貨物所處的位置，將其準(zhǔn)確地運(yùn)送到目的地，堆垛機(jī)能夠準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行識(shí)別和運(yùn)行。目前堆垛機(jī)確認(rèn)貨物的方式主要有兩種，一種是絕對(duì)認(rèn)址，一種是相對(duì)認(rèn)址。

2.1 絕對(duì)認(rèn)址

絕對(duì)認(rèn)址能夠?qū)⑺胸浥撋系臋M梁和安裝在立柱上的每層上橫梁開關(guān)進(jìn)行識(shí)別，還能夠識(shí)別分別設(shè)置在蓄電池側(cè)和蓄電池升降平臺(tái)側(cè)的固定地址標(biāo)志牌。當(dāng)堆垛機(jī)通過時(shí)，認(rèn)址標(biāo)志可以阻擋或傳送光電開關(guān)，形成17 位二進(jìn)制代碼，由PLC 計(jì)算x和z 坐標(biāo)，以確定機(jī)器運(yùn)行的位置。這種地址識(shí)別方法使PLC編程更簡(jiǎn)單，地址識(shí)別更可靠。但這種地址識(shí)別方法需要更多的光電開關(guān)，所以硬件成本高，調(diào)試設(shè)備復(fù)雜，特別是當(dāng)整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)被替換時(shí)，這種地址識(shí)別方法的可移植性很低。

2.2 相對(duì)認(rèn)址

相對(duì)認(rèn)址是在各層所有走廊貨艙和相應(yīng)懸掛柱的對(duì)應(yīng)位置，以及一些固定地址，設(shè)置標(biāo)識(shí)擋板和兩個(gè)光電開關(guān)（一個(gè)為靜態(tài)光開關(guān)），分別安裝在起重機(jī)和平臺(tái)旁。在升降機(jī)前后、上下移動(dòng)時(shí)，貨艙內(nèi)的每個(gè)光電脈沖應(yīng)減少以獲得地址，如果發(fā)生錯(cuò)誤，會(huì)使所有地址都是錯(cuò)誤的，因此這種地址識(shí)別方法的可靠性非常低。為了提高地址的可靠性，采用兩個(gè)光電開關(guān)同時(shí)進(jìn)行認(rèn)址確認(rèn)和互檢，當(dāng)兩臺(tái)計(jì)時(shí)器出現(xiàn)差異時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)。

2.3 本文的認(rèn)址方式

本文選用上海加倍福公司的絕對(duì)認(rèn)址識(shí)別方法、激光測(cè)距技術(shù)和Ed2401p 激光測(cè)距儀，并將其安裝在激光測(cè)距發(fā)射機(jī)的堆垛機(jī)上。接收器位于通道的近端，進(jìn)行直接固定輸出，并連接到Profibus DP 總線。

3 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)的控制與設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

堆垛機(jī)在進(jìn)行控制時(shí)，其控制的方法主要有兩種，一種是單片機(jī)的控制形式，另一種是利用可編程邏輯控制器來進(jìn)行，其采用的是S7-300PLC，但是考慮到其CPU 與HMI、上位機(jī)之間存在著通信上的問題，所以一般會(huì)設(shè)置兩個(gè)接口供通信使用。總的來看，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)主要包括貨架貨廂、巷道式堆垛機(jī)、出入庫(kù)輥道鏈條輸送機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)。

因此，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了自由口的模型，并選擇了Poel 和HM 等通信方式。其中，POI 負(fù)責(zé)與紅外通信單元的通信，自由口的通信采用RS-485 硬件，因?yàn)樗哂卸喾N通信方式的特點(diǎn)。在自由口的通信過程中，用戶可以簡(jiǎn)單地定義通信協(xié)議，如數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)等，完全控制用戶自己的通信功能程序。與此同時(shí)，還可以選用OP3 的自由操作板面，選擇該操作面板不僅使用簡(jiǎn)單，而且使用PROTOOL 軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編輯或操作非常方便，完全滿足移動(dòng)設(shè)備與主機(jī)通信的需要。這3 種解決方案廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，即紅外通信、滑線通信和射頻通信。但需要考慮以下因素：①長(zhǎng)時(shí)間通信后滑道上的碳刷會(huì)磨損，影響通信效果；②經(jīng)濟(jì)性，無線通信設(shè)備的采購(gòu)價(jià)格遠(yuǎn)高于紅外通信設(shè)備。某項(xiàng)目采用立體倉(cāng)庫(kù)作為冷藏庫(kù)，現(xiàn)場(chǎng)無嚴(yán)重的粉塵污染，也不會(huì)影響通信效果，所以最終確定使用紅外通信方式。

3.2 系統(tǒng)工作的原理

（1）定位檢測(cè)。操作面板和上位機(jī)發(fā)送接入信號(hào)和地址后，自卸車內(nèi)的可編程控制器按指定方向在裝載位置運(yùn)行。其中，地址命名和定位技術(shù)是保證堆垛機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵，地址識(shí)別技術(shù)是由旋轉(zhuǎn)編碼器、光電傳感器和激光測(cè)距共同發(fā)揮作用的，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了光電傳感器的地址識(shí)別技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)集中器的精確操作，還可以實(shí)現(xiàn)單光電地址和雙光電地址，因此無論是價(jià)格方面還是運(yùn)行方面都比較合適。

（2）變頻驅(qū)動(dòng)。在出庫(kù)和入庫(kù)過程中，堆垛機(jī)可根據(jù)到目標(biāo)地址的特定距離控制通用開關(guān)，使貨物水平來回移動(dòng)，包括高速、中速和同步移動(dòng)，另一個(gè)總開關(guān)可用于在四種垂直速度下操作貨物，即高速上升、高速下降、低速上升和低速下降。在工作期間，變頻器根據(jù)傳感器的信號(hào)檢測(cè)來檢測(cè)狀態(tài)，電機(jī)只需確定速度，不反饋速度的具體值。因此，實(shí)現(xiàn)開環(huán)系統(tǒng)精度的關(guān)鍵步驟是檢測(cè)傳感器，驗(yàn)證傳感器的正確位置，速度調(diào)節(jié)從目標(biāo)貨艙的前艙開始。由于變頻器輸出頻率低，低速堆垛機(jī)慣性小，傳感器檢測(cè)精度高，能夠滿足精確定位的要求。電機(jī)有1 速、2 速和3速3 種速度，可單獨(dú)設(shè)置，利用變頻器還可以增設(shè)4 速、5 速、6速3 種速度。由于變頻器的速度輸入只有3 個(gè)端子，因此需要使用PLC 的輸出點(diǎn)來控制變頻器。

4 堆垛機(jī)的變頻調(diào)速閉環(huán)控制

4.1 變頻控制的應(yīng)用及其存在的問題

目前，必須通過變頻調(diào)速手動(dòng)設(shè)置多個(gè)固定頻率，如3 個(gè)中速和低速頻率，以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)通道的自動(dòng)反轉(zhuǎn)。根據(jù)變頻器運(yùn)行的目的，可根據(jù)3 個(gè)頻率進(jìn)行PLC 調(diào)節(jié)。然而，隨著堆垛機(jī)運(yùn)行速度的提高，開環(huán)和閉環(huán)的分層調(diào)整方法已不能滿足控制要求。

4.2 閉環(huán)無級(jí)控制原理

根據(jù)反饋的存在性，一般工業(yè)控制系統(tǒng)可分為開放控制和封閉控制。在開放式控制系統(tǒng)的輸出和輸入端沒有反饋電路，在閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出端有反饋電路。輸入端之間有反饋電路，輸出端直接影響控制效果，利用反饋信息可以減小輸出差異，其顯著優(yōu)點(diǎn)是精度高。該系統(tǒng)由兩部分閉環(huán)控制組成，堆垛機(jī)運(yùn)行速度的閉環(huán)控制要求激光測(cè)距儀根據(jù)堆垛機(jī)當(dāng)前速度信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整變頻器的頻率值，使堆垛機(jī)在要求的速度下快速穩(wěn)定運(yùn)行。通過移動(dòng)集中器，當(dāng)堆垛機(jī)到達(dá)目標(biāo)地址時(shí)，激光測(cè)距儀根據(jù)堆垛機(jī)反饋的距離信號(hào)和預(yù)設(shè)的控制策略調(diào)整堆垛變頻器的頻率值。機(jī)器首先以更高的速度接近目標(biāo)地址，然后平穩(wěn)減速，到達(dá)目的地停止制動(dòng)，采用閉環(huán)控制方式，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)道路集料機(jī)的高速運(yùn)行自動(dòng)化、變速平穩(wěn)、低速停車，滿足調(diào)速要求。

4.3 速度控制技術(shù)

堆垛機(jī)速度控制中，由于伸縮叉運(yùn)動(dòng)行程短，采用恒速低速控制。貨艙的提升運(yùn)動(dòng)由雙速電機(jī)控制，本研究的重點(diǎn)是輪式堆垛機(jī)的操作。根據(jù)倉(cāng)庫(kù)物流實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，確定了30 m/min的高速、15 m/min 的中速和5 m/min 的慢速指標(biāo)。

4.4 高速度控制的硬件實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高速振動(dòng)和噪聲的有效控制，有必要對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和性能提出更嚴(yán)格的要求，并加以控制。綜合協(xié)調(diào)管理多個(gè)相關(guān)單元，將堆垛機(jī)作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，明確各單元與整體的關(guān)系，確保正常運(yùn)行。根據(jù)堆垛機(jī)的操作程序，當(dāng)工作速度超過100 m/min 時(shí)，噪聲曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)和振蕩，噪聲急劇上升。噪聲控制的基礎(chǔ)是有效的振動(dòng)控制，減振是成功的關(guān)鍵。

結(jié)合蓄能器結(jié)構(gòu)振動(dòng)力學(xué)模型，綜合分析相關(guān)因素，采取以下機(jī)械減振措施：①堆垛機(jī)、塔架和滑行道是一個(gè)有機(jī)整體，這3 個(gè)部分的固有頻率接近時(shí)發(fā)生共振，為了避免共振，必須以不同的方式采取特殊的隔離措施；②堆垛機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用型材，提高強(qiáng)度，減輕自重；③波形設(shè)計(jì)應(yīng)避免共振速度；④車軸平行精度穩(wěn)定，下橫梁軸孔由數(shù)控鏜銑床一次夾緊完成所有加工，與運(yùn)動(dòng)部件相關(guān)的裝配精度，尤其是輪軸的平行度，要一次滿足所有要求；⑤斷繩保護(hù)接口處以鉗口的方式進(jìn)行連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用重力自由同步制動(dòng)專利技術(shù)，輥?zhàn)觾A斜度獨(dú)立，取消所有連桿和彈簧以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；⑥為了降低整機(jī)的傳動(dòng)和提升功率，采用了專業(yè)的彈性牽引技術(shù)，其重量是傳統(tǒng)牽引裝置的1/10，位于立柱底部，結(jié)構(gòu)緊湊；⑦構(gòu)件連接采用彈性阻尼法；⑧胎面采用特殊的加工工藝提高穩(wěn)定性，并采用特殊的振鏡結(jié)構(gòu)，避免與支架共振。

5 結(jié)束語

隨著我國(guó)物流業(yè)和生產(chǎn)行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的功能和數(shù)量要求越來越高。為了適應(yīng)智能化的發(fā)展趨勢(shì)，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)水平、整機(jī)技術(shù)和嵌入式設(shè)備的功能都需要不斷提高。本文主要設(shè)計(jì)了三維倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)堆垛機(jī)和嵌入式設(shè)備的控制功能，包括通信功能、三維動(dòng)作控制、位置控制和保護(hù)功能，以及人機(jī)界面，希望為立體倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)提供參考。