CN101109941A - 一种使堆垛机快速精准定位与无级调速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使堆垛机快速精准定位与无级调速的方法，其特征在于，采用激光测距与定位控制技术，实现绝对认址方式，提高了堆垛机的定位与检测精度、运行速度、计数可靠性、运行稳定性、调速性能和编址的灵活性，使堆垛机的定位精度达到±3mm，运行速度达到200－280m/min；应用无级调速自动控制技术，优化调速曲线，提高起动与制动性能，改善高速运行中的冲击性和噪音，确保堆垛机的定位精度、平稳性和运动噪音等关键参数。堆垛机是自动化立体仓库中物料搬运的关键装备，广泛应用于机械、食品、烟草、电子、汽车、配送中心、药品、电器和仓储等领域。

Description

一种使堆垛机快速精准定位与无级调速的方法

技术领域

本发明涉及一种使堆垛机快速精准定位与无级调速的方法，尤其涉及一种用于自动化立体仓库中使堆垛机快速精准定位与激光测距、无级调速的方法，广泛应用于机械、食品、烟草、电子、汽车、配送中心、药品、电器和仓储等领域，属于堆垛机电气控制技术领域。

背景技术

如图1、2所示，为原自动化立体仓库结构示意图，所述的自动化立体仓库由立体库货架1、堆垛机2、货箱3、地轨4、出入库台5、输送机6组成，在自动化立体仓库内设有一排排的立体库货架1，每一排立体库货架1上设有一个个货箱3，在每两排立体库货架1之间设有地轨4，在地轨4的出入端设有出入库台5和输送机6，在地轨4上设有可以来回行驶的堆垛机2，其工作流程为：

入库作业流程：接收入库作业命令→出入库台5→取货箱3→堆垛机2→立体库货架1→存货箱3→返回出入库台5→入库作业完成待机；

出库作业流程：接收出库作业命令→去目的地址→立体库货架1→取货箱3→堆垛机2→出入库台5→存货箱3→输送机6→出入库台5→完成出库达入库台待机；

堆垛机是自动化立体仓库中的核心装备及主要搬运设备，其主要用途是在高层立体货架的巷道内来回穿梭运行，将位于巷道口的货物自动存取，并放入指定的货位即入库作业，或者取出货位内的货物运送到巷道口即出库作业，或者将货物从一个货位移位放入到另一个货位中即盘库移货作业，广泛应用于供应链物流、精确仓储、快速配送中。

目前，在堆垛机定位控制中采用读取货位检测片的方式来进行认址与计数，这种方式存在不少问题与缺点，其一这种方式属于离散的相对认址，定位精度较低，即定位精度≥±10mm，在高速运行中极易出现漏计、误计等情况，造成计数与定位与不准确，运行不可靠；其二受到计数检测元件精度与灵敏度的限制，限制了堆垛机的运行速度的提高，为运行速度≤100-120m/min，运行速度一高将造成计数错误；其三这种定位方式在定位换速时只能以货格间距为单位来进行换速控制，由于货格间距换速控制的离散性，造成堆垛机运行具有较大的冲击性、运行稳定性差、定位精度低、运行噪音大、对调设备损坏大等缺点，这些缺点影响了堆垛机的计数可靠性、定位精度、运行速度与效率、起动与制动的平稳性、运动噪音等关键参数。

如图3所示，为多级调速速度曲线图，在图3中有第0列地址即出入库台位置(L0)、第1列～第X列货位地址(L1～Lx)、第N列地址即假设为作业目的列位置Dest(LN)、第X列地址即堆垛机停靠的当前列位置Current(LX)、最小速度值(Vmin)、最大速度值(Vmax)、N个不同的运行过程速度值(V1～VN)、运行动态速度值(Vx)、距目的地位移差(ΔL)、列差(Δn)、列间距(ΔL0)、运行速度值(Vrpm)参数，在采用检测片来进行计数与定位时，其计数原理是在立体货架的每一个货格安装一个检测片，通过堆垛机上的光电认址器来进行信息读取，堆垛机在巷道内来回穿梭运行时每经过一检测片时计数器+1或-1，列差(Δn)也相应的+1或-1，当列差(Δn)为0时表示已达目的地，其位移差(ΔL＝Δn*ΔL0)是通过列差(Δn)乘上列间距(ΔL0)来求得；在运行过程中，计数信号和列差是离散的，也就是说调速控制时所采集到的控制信号也是离散的，在减速定位过程中必须在有计数信号处才可变速，这样就决定了其速度曲线也是离散的；为了达到低速平稳停车必须提前进行分段换速，而且只有在检测片处采集到计数信号才可换速，这样就形成了图3这样的多级分段的调速曲线，其速度沿着Vmax→Vn→……→V3→V2→V1→Vmin的过程分级换速并停止在目的列地址，由于其换速是离散多级的，必然造成多次换速阶跃并产生冲击，这将对大惯量高速运行的堆垛机在其运行稳定性、定位精度、运行噪音、对调备损坏等方面有很大的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种使堆垛机快速精准定位与无级调速的方法，它不仅能有效地解决计数与定位的精度与可靠性问题，而且能方便地进行自动调速控制，优化起动与制动性能，提升堆垛机的整机性能。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种使堆垛机快速精准定位与无级调速的方法，其特征在于，应用激光测距与定位控制技术，实现堆垛机绝对认址，实现堆垛机高速运行时连续的无级调速，其方法为：

第一步.将激光测距器安装在堆垛机的后端，将红外通讯器A安装在堆垛机的前端，将激光反射板安装在地轨的出入端口，在地轨的末端安装红外通讯器B和端头安全撞块，红外通讯器A和红外通讯器B成一直线相对应，红外通讯器B与上位监控机连接；

第二步.将激光测距器与堆垛机上电控柜中的PLC可编程控制器相连接，另外PLC可编程控制器也与水平运行变频器相连接，PLC可编程控制器通过DP双绞线与红外通讯器A连接：PLC可编程控制器与上位监控机的数据通讯是通过红外通讯器A、通过红外通讯器B通道进行的；

第三步.用PLC语句表语言进行PLC程序编制，并运行在PLC可编程控制器上，对整个定位测距与调速进行自动控制；

3.1.进行堆垛机的测距与定位：

3.1.1.在PLC上电初始化自检自测时通过激光测距器将其出入库台和每一个货格的绝对地址数据读出，并自动保存到PLC内部的目的列地址(L0-LN)的数据块(DB0-DBN)中，进行目的地址数据表的修改设置与保存固化，形成一张目的地址(L0-LN)数据表供堆垛机运行定位比较用；

3.1.2堆垛机的作业过程是：

当堆垛机接受到上位监控机或操作面板触摸屏下达的作业指令时，PLC可编程控制器接受指令并装入作业地址，设定与修改目标指针指向相应的目的地址数据表对应的作业目的地址数据(LN)，同时通过激光测距器读取堆垛机当前实际位置值(LX＝ID0)，采集到这些数据信息后在PLC内部自动计算与处理，通过公式(ΔL＝LX-LN)可以计算出当前位置(LX＝ID0)与目的地址(LN)位移差ΔL，其中目的地址数据(LN)是固定不变的，由公式(ΔL＝LX-LN)可知位移差ΔL是随着当前实际位置值(LX＝ID0)连续变化的；

3.2.实现堆垛机的无级调速：

通过PLC内部程序来自动计算其运行速度值(Vx)，

其速度控制计算函数如下： $V_X=\mathrm{Bx}*\sqrt{2*\mathrm{Ax}*\mathrm{\ΔL}}-(\mathrm{Cx}-\mathrm{Dx\ΔL})$

当计算结果    Vx＞Vmax时，取Vrpm＝Vmax(常数)；

当计算结果    Vmin≤Δpls≤Δmax时，取Vrpm＝Vx(连续变量)；

当计算结果    Vx＜Vmin时，取Vrpm＝Vmin(常数)；

式中：Vx---堆垛机计算速度(rpm)  Vrpm---运行速度值(转/分)

ΔL---堆垛机运行位移差(pls)  Ax---堆垛机水平运行加速度(m/s²)

Bx---单位转换系数  Cx、Dx---高低速修正系数(rpm)

所述的堆垛机水平运行加速度Ax为2.21m/s²，单位转换系数Bx为4.63，高低速修正系数Cx为1545、Dx为0.107。

由于堆垛机的运行速度值(Vx)是由位移差ΔL计算得出，所以运行速度值(Vx)是随着位移差ΔL的变化而连续变化的，这样就可以连续地控制堆垛机的运行速度并通过程序自动进行换速，从而实现堆垛机的无级变速。

本发明采用激光测距与定位控制技术、无级调速自动控制技术，采用激光测距实现了绝对认址方式，使得每一个货位地址相对于反光板的基准位置均是唯一的，提高其定位与检测精度、计数与定位可靠性，本发明由连续的绝对认址控制方式替代离散的相对认址控制方式，不仅提高了编址的灵活性，易于实现货格、出入库台地址数据和运行速度值的设置；易于实现数据比较、自动计数、自动换速及精准定位，使其定位精度可达到±3mm，运行速度达到200-280m/min，为实现高速运行提供了前提和关键技术，采集激光测距绝对认址的数据，应用无级调速自动控制技术，结合矢量变频器的闭环速度控制构成完整的速度自动控制与调速系统，优化调速曲线，实现堆垛机高速运行时的连续平滑调速，使堆垛机具有快速平稳的起动与制动性能，确保堆垛机的定位精度、平稳性和运动噪音等参数。

本发明的优点是提高了认址与定位的可靠性，优化调速曲线，改善了整机高速运行中的冲击性和噪音，提高了堆垛机的起动与制动性能，提高了控制的灵活性。

附图说明

图1为原自动化立体仓库结构示意图；

图2为原自动化立体仓库俯视图；

图3为多级调速速度曲线图；

图4为本发明自动化立体仓库结构示意图；

图5为堆垛机结构示意图；

图6为堆垛机电气控制DP总线连接结构图；

图7为程序流程图；

图8为激光测距与无级调速曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图4所示，为本发明自动化立体仓库结构示意图，所述的自动化立体仓库由立体库货架1、堆垛机2、货箱3、地轨4、出入库台5、输送机6、激光测距器7、激光反射板8、红外通讯器A9、红外通讯器B10、上位监控机11和端头安全撞块12组成，将激光测距器7安装在堆垛机2的后端，将红外通讯器A9安装在堆垛机2的前端，将激光反射板8安装在地轨4的出入端口、在地轨4的末端安装红外通讯器B10和端头安全撞块12，红外通讯器A9和红外通讯器B10成一直线相对应，红外通讯器B10与上位监控机11连接。

如图5所示，为堆垛机结构示意图，所述的堆垛机2为原有机械结构，它是由堆垛机立柱13、堆垛机载货台14、电控柜15、激光测距器7、堆垛机前行走轮16、堆垛机底梁17、堆垛机后行走轮18、红外通讯器A9组成，堆垛机立柱13设于堆垛机底梁17上，堆垛机立柱13上设有可上下移动的堆垛机载货台14，堆垛机底梁17上端设有电控柜15，下端设有堆垛机前行走轮16和堆垛机后行走轮18，堆垛机2在立体库的巷道内地轨4上来回穿梭的高速运行，通过激光测距器7来测量堆垛机2与激光反射板8的相对距离来实现测距，PLC可编程控制器读取激光测距器所测的长度值，并将数据用于定位比较与调速控制。

图6是堆垛机电气控制DP总线连接结构图，所述的电控柜15为原有结构，内设有PLC可编程控制器19、水平运行变频器20、货叉运行变频器21和升降运行变频器22和操作面板触摸屏23，激光测距器7通过DP双绞线24分别与PLC可编程控制器19和水平运行变频器20连接，水平运行变频器20通过DP双绞线24与升降运行变频器21连接，升降运行变频器21通过DP双绞线24与货叉运行变频器22连接，货叉运行变频器22通过DP双绞线24与操作面板触摸屏23连接，PLC可编程控制器19通过DP双绞线24与红外通讯器A9连接；PLC可编程控制器19是堆垛机核心控制器件，是信息交换与处理中心，用于接受上位监控机11或操作面板触摸屏23的作业指令，和接受外围信息通过内部程序的处理，并输出相关操作来对堆垛机整个系统的运行进行全面控制；上位监控机11与PLC可编程控制器19的数据信息通过红外通讯器9、10信息通道进行，堆垛机2的三个方向的驱动是通过PLC可编程控制器19来指挥与控制，PLC可编程控制器19与水平运行变频器20、货叉运行变频器22、升降运行变频器21不断进行信息交换与处理；堆垛机2运行中动态测距数据的获取是通过PLC控制器19与激光测距器7的DP通讯实现的，PLC控制器19读取激光测距器所测的长度值数据(Lx＝ID0)，通过PLC内部程序对测距数据的处理、位置比较、调速控制等环节来动态地控制堆垛机平稳运行，实现测距与定位、动态调速控制。

如图7所示，为程序流程图，用PLC语句表语言进行PLC程序编制，运行在PLC可编程控制器19上，对整个定位测距与调速进行自动控制。

如图8所示，为激光测距与调速曲线图，通过此图来说明激光测距与定位、无级调速实现过程。在图5中有基准地址即激光测距反射板8位置(LJ)、第0列地址即出入库台5位置(L0)、第1列～第X列货位地址(L1～Lx)、第N列地址(图中假设为作业目的列位置Dest)(LN)、第X列地址(图中假设为堆垛机停靠的当前列位置Current)(LX)、运行动态速度值(Vx)、最小速度值(Vmin)、最大速度值(Vmax)、N个不同的运行过程速度值(V1～VN)、距目的地位移差(单位为计数脉冲pls)(ΔL)、运行速度值(转/分)(Vrpm)等参数，堆垛机2在立体库的巷道内来回穿梭的高速运行，通过测量堆垛机2当前列位置Current(LX)与激光测距反射板8(LJ)间的距离，可得到堆垛机2的当前实际位置值(LX＝ID0)，PLC可编程控制器19通过DP现场总线读取到当前实际位置值(LX＝ID0)并保存到内部数据表中，供程序计算、比较、调速用。

自动化立体库货架安装固定好后每一个货位相对于激光测距反光板8的位置均已固定，在PLC上电初始化自检自测时通过激光测距器将其出入库台和每一个货格的绝对地址数据读出，并自动保存到PLC内部的目的列地址(L0-LN)的数据块(DB0-DBN)中，并进行目的地址数据表的修改设置并保存固化，形成一张目的地址(L0-LN)数据表供堆垛机运行比较用；堆垛机的作业过程是：当堆垛机接受到上位监控机或操作面板触摸屏作业指令时，PLC接受指令并装入作业地址，设定与修改目标指针指向相应的目的地址数据表对应的作业目的地址数据(LN)，同时通过激光测距器读取堆垛机当前实际位置值(LX＝ID0)，采集到这些数据信息后在PLC内部自动计算与处理，通过公式(ΔL＝LX-LN)可以计算出当前位置(LX＝ID0)与目的地址(LN)位移差ΔL，其中目的地址数据(LN)是固定不变的，由公式(ΔL＝LX-LN)可知位移差ΔL是随着当前实际位置值(LX＝ID0)连续变化的，通过PLC内部程序来进行自动计算其运行速度值(Vx)，由于堆垛机的运行速度值(Vx)是由位移差ΔL计算得出，所以运行速度值(Vx)是随着位移差的变化而连续变化的，这样就可以连续地控制堆垛机的运行速度并通过程序自动进行换速，从而实现堆垛机的无级变速，确保堆垛机的精准定位和快速平稳起动与制动性能。

其速度控制计算函数如下： $V_X=\mathrm{Bx}*\sqrt{2*\mathrm{Ax}*\mathrm{\ΔL}}-(\mathrm{Cx}-\mathrm{Dx\ΔL})$

当计算结果       Vx＞Vmax时，取Vrpm＝Vmax(常数)；

当计算结果       Vmin≤Δpls≤Δmax时，取Vrpm＝Vx(连续变量)；

当计算结果       Vx＜Vmin时，取Vrpm＝Vmin(常数)；

式中：Vx---堆垛机计算速度(rpm)  Vrpm---运行速度值(转/分)

ΔL---堆垛机运行位移差(pls)  Ax---堆垛机水平运行加速

度(m/s²)    Bx---单位转换系数    Cx、Dx---高低

速修正系数(rpm)

Δmax/Δmin---最高与最低速度时对应的位移差

Vmax/Vmin---最高运行速度与最低运行速度

Vmax是堆垛机运行的最大速度，因受堆垛机机构、电机性能、功率、负载等各方面的限制，有一个最大限速值。Vmin是堆垛机运行的最小速度，受到负载与拖动力矩等的影响，有一个最小速度限制，速度再小就无法拖动和正常工作。

实例分析：

例如堆垛机当前停在第5列(L5)待机，要求进行一次出库作业，堆垛机接到上位监控机的出库作业指令，作业命令是要从当前地址去第25列(L25)出库取货，取货毕要返回到出入库台(L0)卸货，卸货后出库作业完成并待机，试计算其运行过程速度及相关的参数？

计算如下：LJ.基准地址(激光测距反射板位置)   L0.第0列地址(出入库台位置)

L1～Lx.第1列～第X列货位地址  LN.第N列地址(图中假设为作业目的列位置Dest)  LX.第X列地址(图中假设为堆垛机停靠的当前列位置Current)  Vx.运行动态速度值   Vmin.最小速度值  Vmax.最大速度值  V1～Vn.为N个不同的运行过程速度值ΔL.距目的地位移差(单位为计数脉冲pls)  Vrpm.运行速度值(单位为转/分)Cx、Dx---高低速修正系数(rpm)

Ax---堆垛机水平运行加速度(m/s²)  Bx---单位转换系数

第一步：当从第5列→第25列取货时，堆垛机应往前去第25列，水平速度值为正，水平运行速度及位移差等参数计算如下：

LJ＝0pls  L0＝8000pls  LX＝L5＝58000pls  LN＝L25＝258000pls  Vmin＝60rpm  Vmax＝6000rpm  ΔL＝L25-L5＝200000pls  Ax＝2.21  Bx＝4.63  Cx＝1545  Dx＝0.107

当LX＝58000～208000pls时，即ΔL＞50000pls时，取Vrpm＝Vmax＝6000

rpm(最高速度值)；当LX＝208000～251000pls时，即7000≤ΔL≤50000时取Vrpm＝Vx(速度在60～6000rpm连续变化)；当LX＝251000～258000pls时，即ΔL＜7000pls时取Vrpm＝Vmin＝60rpm(最小速度值)；

第二步：当从第25列→第0列卸货时，堆垛机应后退到第0列(出入库台)卸货，水平速度值为负，水平运行速度及位移差等参数计算如下：LJ＝0pls  L0＝8000pls  LX＝L25＝258000pls  LN＝L0＝8000plsVmin＝60rpm  Vmax＝6000rpm  ΔL＝L25-L0＝250000plsAx＝2.21  Bx＝4.63  Cx＝1545  Dx＝0.107

当LX＝258000～58000pls时，即ΔL＞50000pls时，取Vrpm＝Vmax＝-6000rpm(最高速度值)；当LX＝58000～15000pls时，即7000≤ΔL≤50000时取Vrpm＝-Vx(速度在60～6000rpm连续变化)；当LX＝15000～8000pls时，即ΔL＜7000pls时取Vrpm＝Vmin＝-60rpm(最小速度值)。

本发明通过激光测距与定位技术的应用，能够方便可靠地实现光滑无级调速曲线，结合旋转编码器速度负反馈闭环矢量控制，与变频器的电流负反馈构成双闭环速度控制系统，实现连续调速过程，使堆垛机有更好的速度曲线，优化起动与制动性能，提升堆垛机的整机性能，确保堆垛机的定位精度、平稳性和运动噪音等关键参数。

Claims (2)

1.一种使堆垛机快速精准定位与无级调速的方法，其特征在于用激光测距与定位控制技术，实现堆垛机绝对认址，实现堆垛机高速运行时的无级调速，其方法为：

第一步.将激光测距器(7)安装在堆垛机(2)的后端，将红外通讯器A(9)安装在堆垛机(2)的前端，将激光反射板(8)安装在地轨(4)的出入端口、在地轨(4)的末端安装红外通讯器B(10)和端头安全撞块(12)，红外通讯器A(9)和红外通讯器B(10)成一直线相对应，红外通讯器B(10)与上位监控机(11)连接；

第二步.将激光测距器(7)与堆垛机(2)上电控柜(15)中的PLC可编程控制器(19)相连接，另外PLC可编程控制器(19)也与水平运行变频器(20)相连接，PLC可编程控制器(19)通过DP双绞线(24)与红外通讯器A(9)连接；PLC可编程控制器(19)与上位监控机(11)的数据通讯是通过红外通讯器A(9)、通过红外通讯器B(10)通道进行的；

第三步.用PLC语句表语言进行PLC程序编制，并运行在PLC可编程控制器(19)上，对整个定位测距与调速进行自动控制；

3.1.进行堆垛机(2)的测距与定位：

3.1.1.在PLC上电初始化自检自测时通过激光测距器将其出入库台和每一个货格的绝对地址数据读出，并自动保存到PLC内部的目的列地址(L₀-L_N)的数据块(DB0-DBN)中，进行目的地址数据表的修改设置与保存固化，形成一张目的地址(L₀-L_N)数据表供堆垛机运行定位比较用；

3.1.2堆垛机的作业过程是：

当堆垛机接受到上位监控机或操作面板触摸屏下达的作业指令时，PLC可编程控制器接受指令并装入作业地址，设定与修改目标指针指向相应的目的地址数据表对应的作业目的地址数据(L_N)，同时通过激光测距器读取堆垛机当前实际位置值(L_X＝ID0)，采集到这些数据信息后在PLC内部自动计算与处理，通过公式(ΔL＝L_X-L_N)可以计算出当前位置(L_X＝ID0)与目的地址(L_N)位移差ΔL，其中目的地址数据(L_N)是固定不变的，由公式(ΔL＝L_X-L_N)可知位移差ΔL是随着当前实际位置值(L_X＝ID0)连续变化的；

3.2.实现堆垛机的无级调速：

通过PLC内部程序来进行自动计算其运行速度值(Vx)，

其速度控制计算函数如下：

$V_X=\mathrm{Bx}*\sqrt{2*\mathrm{Ax}*\mathrm{\ΔL}}-(\mathrm{Cx}-\mathrm{Dx\ΔL})$

当计算结果Vx＞Vmax时，取Vrpm＝Vmax(常数)；

当计算结果Vmin≤Δpls≤Δmax时，取Vrpm＝Vx(连续变量)；

当计算结果  Vx＜Vmin时，取Vrpm＝Vmin(常数)；

式中：Vx---堆垛机计算速度(rpm)Vrpm---运行速度值(转/分)

ΔL---堆垛机运行位移差(pls)Ax---堆垛机水平运

行加速度(m/s²)Bx---单位转换系数

Cx、Dx---高低速修正系数(rpm)

运行速度值(Vx)是随着位移差ΔL的变化而连续变化，连续控制堆垛机的运行速度并通过程序自动进行换速，实现堆垛机的无级变速。

2.根据权利要求1所述的一种使堆垛机快速精准定位与无级调速的方法，其特征在于，堆垛机(2)的定位精度≤±3mm，运行速度≥200-280m/min，水平运行加速度为2.21m/s²，单位转换系数为4.63，高低速修正系数Cx为1545、Dx为0.107。

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