引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)和物流技術(shù)的快速發(fā)展,自動(dòng)化物流需求與日俱增。高效物流配送涉及方方面面,特別是貨到人或機(jī)器到人快速揀選方案,在各行各業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用,快速堆垛機(jī)作為自動(dòng)化立體庫中的關(guān)鍵搬運(yùn)設(shè)備,其作業(yè)效率及性能高低至關(guān)重要。

快速堆垛機(jī)作為物流裝備市場的寵兒,廣泛應(yīng)用于新能源、快速消費(fèi)品、生物醫(yī)藥機(jī)械、電子商務(wù)、食品飲料、機(jī)械電器等領(lǐng)域,因此,對快速堆垛機(jī)的開發(fā)需求極為迫切。本文將重點(diǎn)介紹一種基于雙伺服驅(qū)動(dòng)的新型快速料箱式堆垛機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用,該系統(tǒng)融入了高效、綠色、智能等設(shè)計(jì)理念,集成應(yīng)用了前沿電氣控制、電子通信、伺服驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)通信、仿真分析等綜合技術(shù)手段。

1應(yīng)用場景與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

1.1AS/RS自動(dòng)化立體倉庫概述及快速堆垛機(jī)應(yīng)用場景

自動(dòng)化立體倉庫一般由高位貨架、巷道堆垛機(jī)、貨箱、天地軌、安全緩沖裝置、輸送機(jī)、出入口、通信系統(tǒng)、信息化管控系統(tǒng)等組成,形成一套全自動(dòng)的倉儲(chǔ)物流系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)物料的信息化自動(dòng)存取作業(yè)。而快速堆垛機(jī)作為自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,可以在巷道內(nèi)快速穿梭運(yùn)行,通過x、Y、Z三軸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)存取目的。

圖1所示為自動(dòng)化立體倉庫平面圖。

1.2整機(jī)總體技術(shù)指標(biāo)

整機(jī)總體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.3電氣控制總體架構(gòu)

電氣控制方面,由伺服驅(qū)動(dòng)控制器、s7-1500PLC、PN/ssI激光測距器、觸摸屏HMI、外圍光電傳感器、編碼器等組成PN網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行中驅(qū)動(dòng)摩擦力的增大,水平運(yùn)行x軸采用雙軸伺服雙電機(jī)驅(qū)動(dòng),垂直升降Y軸采用齒形帶單軸驅(qū)動(dòng),貨叉Z軸采用單軸驅(qū)動(dòng),并通過EPOS定位功能、雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)定位。總體控制架構(gòu)圖如圖2所示。

2機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1整機(jī)輕量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)

在快速堆垛機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)中,整機(jī)設(shè)計(jì)方面總體思路如下:利用三維仿真分析軟件平臺(tái)化設(shè)計(jì),整體機(jī)架采用輕量化設(shè)計(jì)理念,最大限度減小整機(jī)重量,節(jié)能降耗。整機(jī)重量減輕、提升機(jī)構(gòu)減輕,能夠減小電機(jī)無用功率,滿足高速響應(yīng)要求,減少慣性沖擊。同時(shí),采用低重心設(shè)計(jì),底盤重、上部輕,以降低整機(jī)重心,達(dá)到快速精準(zhǔn)停車及減少搖晃的效果。堆垛機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)總效果圖如圖3所示。

2.2雙伺服電機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高速性能

電機(jī)拖動(dòng)方面全部采用伺服電機(jī),以達(dá)到快速響應(yīng)的效果。同時(shí),為了達(dá)到高速目標(biāo),增加驅(qū)動(dòng)行走輪的抓地摩擦力,采用以下辦法:一是采用夾抱式雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),通過軌道兩側(cè)張緊裝置增加側(cè)面電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪摩擦力,以發(fā)揮電機(jī)最大直驅(qū)力,堆垛機(jī)底梁設(shè)計(jì)總效果圖如圖4所示:二是定制鋁合金地軌,在地軌截面設(shè)計(jì)中通過增大鋁合金與驅(qū)動(dòng)輪接觸面,來增加側(cè)面驅(qū)動(dòng)輪摩擦力。

2.3耐磨輪與鋁合金地軌實(shí)現(xiàn)降噪

降噪方面,水平行走輪及導(dǎo)向輪均采用耐磨聚氨酯尼龍輪,而行走軌道采用定制開發(fā)的鋁合金地軌,能夠大大降低高速運(yùn)行堆垛機(jī)的噪聲。

2.4夾抱式勾叉設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)料箱快速取放

貨叉采用夾抱式勾叉結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于叉體復(fù)雜的傳動(dòng)結(jié)構(gòu),其采用多叉體齒形帶方式,達(dá)到3級或4級平面拉伸,實(shí)現(xiàn)單深位或雙深位的叉取功能。另外,勾叉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)極為重要,勾叉設(shè)計(jì)要輕巧、可靠、緊湊。載貨臺(tái)及貨叉結(jié)構(gòu)總圖如圖5所示。

3電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1電控系統(tǒng)總體配置及架構(gòu)

控制系統(tǒng)主要包括PLC主站、分布式Io從站、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、外部激光測距器、傳感器信號采集、觸摸屏HMI、供電滑觸線、電源部分、通信部分等。

硬件基本配置:CPU151OSP-PN、TP900、IM155-6PN、s120CU320-2PN、AMs348i、V90PN等:所有智能Io設(shè)備組成Profinet網(wǎng)絡(luò),通過PN通信、等時(shí)同步實(shí)時(shí)通信、通信報(bào)文接口進(jìn)行控制。PLC及各分布式PN站組態(tài)組圖如圖6所示。

3.2伺服控制系統(tǒng)配置

在本控制系統(tǒng)開發(fā)中,伺服控制組件選型及組網(wǎng)極為關(guān)鍵,堆垛機(jī)X、y、Z三維運(yùn)行軸均采用伺服控制:水平X軸和垂直y軸選用西門子s120高端書本型驅(qū)動(dòng)器,采用CU320雙軸電機(jī)模塊伺服控制方案,特別是水平方向,為達(dá)到高速目標(biāo),水平X軸特別采用單軸雙電機(jī)同步跟隨方案,垂直y軸為單軸單電機(jī)拖動(dòng)方案:貨叉Z軸選用V90伺服單軸單電機(jī)控制方案。CU320伺服控制站組態(tài)圖如圖7所示。

3.3網(wǎng)絡(luò)通信及同步響應(yīng)

為了實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)動(dòng)作快速響應(yīng),各工藝軸要達(dá)到快速啟停和高速續(xù)航的效果,除了有高剛性的機(jī)械結(jié)構(gòu)做支撐外,還需要控制網(wǎng)絡(luò)層信息交互的快速實(shí)時(shí)響應(yīng),才能保證從PLC指令到伺服電機(jī)執(zhí)行反饋調(diào)整等一系列過程動(dòng)作敏捷。為此,經(jīng)調(diào)試,本方案主要采取以下措施:首先,在驅(qū)動(dòng)器通信硬件上選用Drive一CLio專用電纜和專用網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)西門子sl20站各軸間的實(shí)時(shí)通信:其次,在PLC控制器及各伺服驅(qū)動(dòng)單元PN接口組網(wǎng)中,各通信站間進(jìn)行軟硬件拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)組態(tài),PN通信采用等時(shí)同步模式,以便實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)功能。電氣拓?fù)浣M態(tài)及配置圖如圖8所示。

3.4伺服軸控制及多軸同步

堆垛機(jī)的功能是能有效實(shí)現(xiàn)x、y、Z三軸的動(dòng)作,并且根據(jù)控制指令實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)上級下達(dá)的各種運(yùn)行、加減速、停車、存取貨等動(dòng)作,從而完成高響應(yīng)作業(yè)。堆垛機(jī)的作用是到固定的物理貨位取貨卸貨,一旦貨架貨位安裝完畢其位置就固定了,所有的取放貨動(dòng)作定位均以這個(gè)目標(biāo)位置為基礎(chǔ)進(jìn)行。

在定位控制中遇到的問題是,如果采用軸電機(jī)自身的絕對編碼器作為位置反饋,若堆垛機(jī)運(yùn)行中在地軌上打滑,進(jìn)而造成定位數(shù)據(jù)錯(cuò)亂,那么這種問題就是致命的,將造成誤定位而伸叉取貨時(shí)頂貨等危險(xiǎn)。為了徹底解決這個(gè)問題,最終采用帶PN/ssI接口的激光測距作為位置測量系統(tǒng),一方面,激光測距ssI接口連伺服軸,作為伺服位置環(huán)測量系統(tǒng)進(jìn)行反饋,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制工藝位置軸的定位,而伺服內(nèi)部絕對編碼器僅用作速度環(huán):另一方面,激光測距PN接口連接至PLC,采集的激光位置數(shù)據(jù)用作物理位置停準(zhǔn)時(shí)到位與否校驗(yàn),通過雙重校驗(yàn)對準(zhǔn)才能確認(rèn)伸叉。以上方案在實(shí)際應(yīng)用中定位效果良好。

另外一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是水平方向雙電機(jī)之間的同步問題,能否絕對同步關(guān)系到控制方案的成敗,通過工藝對象設(shè)置與關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)水平軸X1和X2軸的一致同步性。由于外部各種因素,兩軸之間需要調(diào)節(jié)各種相關(guān)參數(shù),如工藝軸方向、傳動(dòng)比、測量比例、增量間距比例、主從互聯(lián)、加減速等。在調(diào)試過程中會(huì)遇到不少問題,如設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)引起振蕩、兩軸不同步、過流過沖、故障率高等,為此需要通過不斷測試,優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)配合,以達(dá)到最優(yōu)效果。工藝對象組態(tài)配置圖如圖9所示。

3.5PLC及驅(qū)動(dòng)器間的通信

在電控系統(tǒng)中,PLC主要功能為邏輯控制及信息采集處理,以實(shí)現(xiàn)控制流程和邏輯功能為主:而驅(qū)動(dòng)器主要功能則是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)動(dòng)作和位置環(huán)計(jì)算,根據(jù)上位PLC位置指令,由驅(qū)動(dòng)器自行完成速度環(huán)、位置環(huán)的計(jì)算。

在各個(gè)控制層面之間,驅(qū)動(dòng)器與pLC的通信主要是采用西門子相關(guān)報(bào)文實(shí)現(xiàn),需要解決工藝模塊、報(bào)文結(jié)構(gòu)、編程方式等問題。

在本案例中其報(bào)文如下:pLC和驅(qū)動(dòng)器軸工藝對象中采用了TEL81報(bào)文、105報(bào)文,來實(shí)現(xiàn)信息交互:s120伺服CU320控制單元中的報(bào)文有390報(bào)文、電源模塊370報(bào)文、標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文3、報(bào)文105等。

3.6電氣設(shè)計(jì)中的其他技術(shù)應(yīng)用

除了上述幾點(diǎn)外,本方案開發(fā)中還有很多細(xì)節(jié),例如在程序開發(fā)方面,有數(shù)據(jù)通信、驅(qū)動(dòng)器參數(shù)優(yōu)化、故障處理、定位控制、防搖優(yōu)化、能量反饋、安全保護(hù)、可視化操作、防滑處理、數(shù)據(jù)初始化、設(shè)備狀態(tài)顯示、遠(yuǎn)程診斷等等:在調(diào)試過程中也需要解決機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)架剛度、機(jī)電速度曲線配合等問題才能實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)動(dòng)作,同時(shí)又不會(huì)引起整機(jī)振蕩及過大的沖擊等。

外部聯(lián)網(wǎng)通信方面,與地面網(wǎng)絡(luò)站采用載波通信,一方面,與地面輸送機(jī)PLC站實(shí)時(shí)通信,實(shí)現(xiàn)出入口動(dòng)作互聯(lián)及數(shù)據(jù)交互:另一方面,與上位監(jiān)控調(diào)度wCS軟件進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)交互,通過定制的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議進(jìn)行任務(wù)下達(dá)與狀態(tài)回傳,完成全自動(dòng)作業(yè)任務(wù)。

4快速堆垛機(jī)系統(tǒng)樣機(jī)及測試平臺(tái)

基于雙伺服驅(qū)動(dòng)的快速堆垛機(jī)系統(tǒng)樣機(jī)及測試平臺(tái)如圖10所示。

5結(jié)語

基于雙伺服驅(qū)動(dòng)的快速堆垛機(jī)系統(tǒng)的開發(fā),歷經(jīng)了設(shè)計(jì)初的仿真分析、方案可行性論證、各種結(jié)構(gòu)/選型配置、品牌比較等環(huán)節(jié),設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段的各項(xiàng)工藝零部件的精準(zhǔn)把關(guān),最后在電控單機(jī)調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試中基于大量試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過以上各項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)和優(yōu)化應(yīng)用,新一代快準(zhǔn)穩(wěn)的伺服堆垛機(jī)得以成功開發(fā)并應(yīng)用于各個(gè)物流現(xiàn)場。

本文所述高端堆垛機(jī)的開發(fā),將為行業(yè)用戶帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,進(jìn)一步促進(jìn)物流裝備的快速發(fā)展和技術(shù)迭代。另外,感謝開發(fā)過程中各位同仁的鼎力協(xié)作,感謝供應(yīng)商如西門子、勞易測工程師們的大力支持。本文也只是拋磚引玉,如有不當(dāng)之處,敬請批評指正。希望本文提出的一些拙見對設(shè)備開發(fā)者有借鑒意義。