基于雙伺服驅(qū)動的快速堆垛機(jī)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

管樹林

（上海精星倉儲設(shè)備工程有限公司，上海 201611）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)和物流技術(shù)的快速發(fā)展，自動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、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

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

自動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，形成一套全自動的倉儲物流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物料的信息化自動存取作業(yè)。而快速堆垛機(jī)作為自動化立體倉庫系統(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)動實(shí)現(xiàn)貨物的自動存取目的。

圖1所示為自動化立體倉庫平面圖。

圖1 自動化立體倉庫平面圖

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。

表1 整機(jī)總體技術(shù)指標(biāo)

1.3 電氣控制總體架構(gòu)

電氣控制方面，由伺服驅(qū)動控制器、S7-1500 PLC、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)[1-2]。為了實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行中驅(qū)動摩擦力的增大，水平運(yùn)行X軸采用雙軸伺服雙電機(jī)驅(qū)動，垂直升降Y軸采用齒形帶單軸驅(qū)動，貨叉Z軸采用單軸驅(qū)動，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[3]。

圖2 總體控制架構(gòu)圖

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，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。

圖3 堆垛機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)總效果圖

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，為了達(dá)到高速目標(biāo)，增加驅(qū)動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)動輪接觸面，來增加側(cè)面驅(qū)動輪摩擦力。

圖4 堆垛機(jī)底梁設(shè)計(jì)總效果圖

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。載貨臺及貨叉結(jié)構(gòu)總圖如圖5所示。

圖5 載貨臺及貨叉結(jié)構(gòu)總圖

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：CPU1510SP-PN、TP900、IM155-6PN、S120 CU320-2 PN、AMS348i、V90 PN等；所有智能IO設(shè)備組成Profinet網(wǎng)絡(luò)，通過PN通信、等時同步實(shí)時通信、通信報(bào)文接口進(jìn)行控制[4-5]。PLC及各分布式PN站組態(tài)組圖如圖6所示。

圖6 PLC及各分布式PN站組態(tài)組圖

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。

圖7 CU320伺服控制站組態(tài)圖

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)動器通信硬件上選用Drive-CLiQ專用電纜和專用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)西門子S120站各軸間的實(shí)時通信；其次，在PLC控制器及各伺服驅(qū)動單元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通信采用等時同步模式，以便實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)實(shí)時功能。電氣拓?fù)浣M態(tài)及配置圖如圖8所示。

圖8 電氣拓?fù)浣M態(tài)及配置圖

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三軸的動作，并且根據(jù)控制指令實(shí)時實(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，所有的取放貨動作定位均以這個目標(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)錯亂，那么這種問題就是致命的，將造成誤定位而伸叉取貨時頂貨等危險。為了徹底解決這個問題，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)試過程中會遇到不少問題，如設(shè)計(jì)不當(dāng)會引起振蕩、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[6]如圖9所示。

圖9 工藝對象組態(tài)配置圖

3.5 PLC及驅(qū)動器間的通信

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)動器主要功能則是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動動作和位置環(huán)計(jì)算，根據(jù)上位PLC位置指令，由驅(qū)動器自行完成速度環(huán)、位置環(huán)的計(jì)算。在各個控制層面之間，驅(qū)動器與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)動作，同時又不會引起整機(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)時通信，實(shí)現(xiàn)出入口動作互聯(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，完成全自動作業(yè)任務(wù)。

4 快速堆垛機(jī)系統(tǒng)樣機(jī)及測試平臺

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

圖10 基于雙伺服驅(qū)動的快速堆垛機(jī)系統(tǒng)樣機(jī)及測試平臺

5 結(jié)語

基于雙伺服驅(qū)動的快速堆垛機(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。