CN104635563A - 一种采用双位置闭环控制系统的堆栈机 - Google Patents

一种采用双位置闭环控制系统的堆栈机 Download PDF

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邹风山
陈睿
陈廷辉
徐方
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Abstract

本发明提供了一种采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其包括主控系统和执行系统；所述主控系统进一步包括：第一光通信模块、主控制器、远程输入输出装置、传感器和外设装置；所述执行系统进一步包括：第二光通信模块、示教盒、机器人控制器、若干个位控板、行走轴电机驱动器、提升轴电机驱动器、货叉轴电机驱动器、旋转轴电机驱动器、行走轴磁栅和提升轴磁栅；所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机易于扩展，且通过双位置闭环控制系统实现洁净堆栈机的高速运行，减小位置超调。其中，内位置环的存在降低了对外位置环的控制周期要求。另外，由于有外部磁栅定位的存在，消除了累计误差，避免了繁琐的定期示教作业，具有很好的市场推广应用前景。

Description

一种采用双位置闭环控制系统的堆栈机
技术领域
本发明涉及堆栈机技术领域，尤其涉及一种采用双位置闭环控制系统的堆栈机。
背景技术
堆栈机是自动化立体仓库的核心设备，通过在立体仓库中做X、Y、Z方向的三维运动以实现取送货物的功能。主要分为单立柱堆垛机和双立柱堆垛机，由行走、提升和货叉三个驱动机构完成作业要求。
现有的洁净堆栈机位置控制系统是半闭环控制系统，当堆栈机较重量较轻时，暴露出如下缺点：由于车轮会与轨道之间出现打滑现象，由于打滑是随机发生的，造成堆栈机位置控制系统控制精度无法预测，会出现堆栈机X﹑Z轴欠定位现象，轻则堆栈机报警停车，重则发生存储碰撞，撞坏存储货物。
另外，现有的洁净堆栈机板卡间通信多采用CAN总线连接在一起，通讯速率最高只有40M/1Mbp/s，网络节点数实际可达110个，接插件﹑线缆不常见，没有形成统一的规格。洁净堆栈机是AMHS（自动物料搬运系统）的中枢环节，堆栈机运行的快慢直接关系到AMHS系统的节拍，从AMHS系统来讲，要求堆栈机的搬运速度尽可能的快，这就要求板卡间通信速率尽可能的高，如果板卡间同信速率无法满足堆栈机高速运动的数据交互速率，就会造成系统工作不稳定，轻则造成定位不准确，重则造成堆栈机无法停止，超程碰撞。洁净STOCKER（即洁净堆栈机）中有成百上千个货位，每个货位有3个检测FOUP（晶圆传送盒）是否正确放置的传感器，这些传感器最终要通过总线连接在一起，除了这些传感器以外，还有堆栈机多个限位传感器，控制柜的若干个板卡，手动﹑自动载入口的气缸，安全门，光幕灯这些信号的汇总都需要CAN节点，在实际使用中CAN总线节点数量捉襟见肘，往往刚刚满足需求，没有再给未来的系统扩充留有余量。洁净STOCKER中由于需要集中成百上千个节点，这些节点分布的非常广泛，需要大量的接插件与总线线缆，这些CAN线由于没有统一的标准，只能自己用屏蔽双绞线缆制作，接插件的规格也没有定论，接插件往往五花八门，这中没有统一标准的布线给工厂的后期保养造成了很大的困难，这些非标的线缆﹑接插件工厂往往没有库存，需要从线缆﹑接插件厂家定制，不仅给保养工作增添了成本与负担，还有可能因为等待线缆与接插件耽误整个AMHS系统的运行，这给高成本建厂和更新迅速的半导体工厂来说，无疑是致命的。
有鉴于此，现有技术有待改进和提高。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明目的在于提供一种采用双位置闭环控制系统的堆栈机，以解决现有技术的采用半闭环控制系统的洁净堆栈机由于打滑是随机发生的，造成堆栈机位置控制系统控制精度无法预测的问题。
本发明的技术方案如下：
一种采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其中，包括：主控系统和执行系统；
其中，所述主控系统进一步包括：第一光通信模块、主控制器、远程输入输出装置、传感器和外设装置；所述第一光通信模块连接主控制器，所述主控制器通过远程输入输出装置连接传感器和外设装置；
所述执行系统进一步包括：第二光通信模块、示教盒、机器人控制器、若干个位控板、行走轴电机驱动器、提升轴电机驱动器、货叉轴电机驱动器、旋转轴电机驱动器、行走轴磁栅和提升轴磁栅；所述第二光通信模块、示教盒分别与机器人控制器连接；所述机器人控制器通过若干个位控板连接所述行走轴电机驱动器、提升轴电机驱动器、货叉轴电机驱动器和旋转轴电机驱动器；所述行走轴磁栅、提升轴磁栅分别连接机器人控制器；
所述第一光通信模块与第二光通信模块之间进行光通信。
所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其中，所述主控制器包括一MCS单片机和与所述MCS单片机相连的PC；其中，所述PC进一步包括一触摸屏；所述外设装置包括灯及按钮。
所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其中，所述主控制器通过RS232端口连接第一光通信模块；主控制器通过工业以太网连接所述远程输入输出装置。
所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其中，所述位控板的个数为两个，其包括第一位控板和第二位控板；所述第一位控板分别连接行走轴电机驱动器和提升轴电机驱动器，所述第二位控板分别连接提升轴电机驱动器和货叉轴电机驱动器。
所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其中，所述第一位控板、第二位控板与机器人控制器的连接采用EtherCAT接口。
所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其中，所述行走轴磁栅、提升轴磁栅与机器人控制器的连接采用EtherCAT接口。
所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其中，所述第二光通信模块与机器人控制器的连接通过RS232端口连接。
有益效果：本发明提供的一种采用双位置闭环控制系统的堆栈机，易于扩展，如机器人视觉系统等。另外，通过双位置闭环控制系统实现洁净堆栈机的高速运行，且减小位置超调。其中，内位置环的存在降低了对外位置环的控制周期要求。另外，由于有外部磁栅定位的存在，消除了累计误差，避免了繁琐的定期示教作业，具有很好的市场推广应用前景。
附图说明
图1为本发明的采用双位置闭环控制系统的堆栈机的较佳实施例的示意图。
图2为本发明的采用双位置闭环控制系统的堆栈机的较佳实施例中行走﹑提升轴的控制框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，其为本发明的采用双位置闭环控制系统的堆栈机的较佳实施例的示意图。如图所示，所述采用双位置闭环控制系统的堆栈机包括：主控系统和执行系统（图中未示出）；其中，所述主控系统进一步包括：第一光通信模块、主控制器、远程输入输出装置（图中用远程IO表示）、传感器和外设装置；所述第一光通信模块连接主控制器，所述主控制器通过远程输入输出装置连接传感器和外设装置；所述执行系统进一步包括：第二光通信模块、示教盒、机器人控制器（图中用RC表示）、若干个位控板、行走轴电机驱动器、提升轴电机驱动器、货叉轴电机驱动器、旋转轴电机驱动器、行走轴磁栅和提升轴磁栅；所述第二光通信模块、示教盒分别与机器人控制器连接；所述机器人控制器通过若干个位控板连接所述行走轴电机驱动器、提升轴电机驱动器、货叉轴电机驱动器和旋转轴电机驱动器；所述行走轴磁栅、提升轴磁栅分别连接机器人控制器；所述第一光通信模块与第二光通信模块之间进行光通信。
所述主控系统用于接收用户的输入指令，同时根据传感器输入的信号来控制执行系统进行相应的操作。所述第一光通信模块与第二光通信模块将主控系统和执行系统连接起来（通过光通信连接）。在本实施例中，所述主控制器包括一MCS单片机和与所述MCS单片机相连的PC（图中用MCS PC表示）；其中，所述PC进一步连接一触摸屏；所述外设装置包括灯及按钮。另外，所述主控制器通过RS232端口连接第一光通信模块；主控制器通过工业以太网连接所述远程输入输出装置。RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。
所述执行系统是发明的关键，一般来说，洁净堆栈机在运行过程中由于驱动轮与轨道间会发生打滑现象，如果靠电机的位置闭环实现定位，就变成了一个开环系统。而本发明则增加两个外部磁栅：行走轴磁栅和提升轴磁栅；通过在固定的位置加铺设了磁栅进行位置纠偏，这样即使驱动轮与轨道间会发生打滑现象，也会因为有外部磁栅的纠偏作用，消除了这种误差，实现了精确定位。所述机器人控制器通过若干个位控板连接并控制所述行走轴电机驱动器、提升轴电机驱动器、货叉轴电机驱动器和旋转轴电机驱动器。
进一步地，如图1所示，所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机中，所述位控板的个数为两个，其包括第一位控板（图中用位控板1表示）和第二位控板（图中用位控板2表示）；所述第一位控板分别连接行走轴电机驱动器和提升轴电机驱动器，所述第二位控板分别连接提升轴电机驱动器和货叉轴电机驱动器。
进一步地，所述第一位控板、第二位控板与机器人控制器的连接采用EtherCAT接口。EtherCAT是开放的实时以太网络通讯协议，最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。Ethercat主张"以太网控制自动化技术"。它是一个开放源代码，高性能的系统，目的是利用以太网协议（最惠国待遇系统局域网）在一个工业环境，特别是对工厂和其他制造业的关注，其中利用机器人和其他装备线上的技术。另外，所述行走轴磁栅、提升轴磁栅与机器人控制器的连接采用EtherCAT接口。如此一来，由于外部磁栅RC位置环通过EtherCAT总线与RC建立连接，EtherCAT的传输延迟在微秒级，可以快速完成纠偏，实现精确定位。
下面通过一行走轴、提升轴的控制来说明本发明是如何实现双位置闭环控制的。
请参阅图2，其为本发明的采用双位置闭环控制系统的堆栈机的较佳实施例中行走﹑提升轴的控制框图。如图所示，所述驱动器电流环（图中用电流环表示）、驱动器速度环（图中用速度环表示）、编码器位控板位置环（图中用位置环表示）外部磁栅RC通过EtherCAT总线与RC建立连接。所述机器人控制器（图中用RC表示）通过位控板连接所述驱动器进行运动，同时，所述磁栅通过EtherCAT端口连接所述机器人控制器。磁栅进行位置定位，并将信息发送至所述机器人控制器，令所述机器人控制器发出相应的位置指令，并相应控制所述驱动器电流环（图中用电流环表示）、驱动器速度环（图中用速度环表示）、编码器位控板位置环，实现矫偏。
本发明提供的采用双位置闭环控制系统的堆栈机在现有的洁净堆栈机位置控制系统的控制架构和板卡互联基础上设计的一款针对洁净堆栈机位置控制并采用EtherCAT板卡互联的双位置闭环控制系统，该位置控制系统在实现精确定位的基础上、有效的降低了系统连接和后期维护成本﹑且具有极强后期功能扩展能力。
至于磁栅与位置环、速度环等的控制关系皆为现有技术，为了描述简单，这里就不多做赘述了。
综上所述，本发明提供的一种采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其包括主控系统和执行系统；所述主控系统进一步包括：第一光通信模块、主控制器、远程输入输出装置、传感器和外设装置；所述第一光通信模块连接主控制器，所述主控制器通过远程输入输出装置连接传感器和外设装置；所述执行系统进一步包括：第二光通信模块、示教盒、机器人控制器、若干个位控板、行走轴电机驱动器、提升轴电机驱动器、货叉轴电机驱动器、旋转轴电机驱动器、行走轴磁栅和提升轴磁栅；所述第二光通信模块、示教盒分别与机器人控制器连接；所述机器人控制器通过若干个位控板连接所述行走轴电机驱动器、提升轴电机驱动器、货叉轴电机驱动器和旋转轴电机驱动器；所述行走轴磁栅、提升轴磁栅分别连接机器人控制器；所述第一光通信模块与第二光通信模块之间进行光通信。所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机易于扩展，如机器人视觉系统等。另外，通过双位置闭环控制系统实现洁净堆栈机的高速运行，且减小位置超调。其中，内位置环的存在降低了对外位置环的控制周期要求。另外，由于有外部磁栅定位的存在，消除了累计误差，避免了繁琐的定期示教作业，具有很好的市场推广应用前景。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其特征在于，包括：主控系统和执行系统；
其中，所述主控系统进一步包括：第一光通信模块、主控制器、远程输入输出装置、传感器和外设装置；所述第一光通信模块连接主控制器，所述主控制器通过远程输入输出装置连接传感器和外设装置；
所述执行系统进一步包括：第二光通信模块、示教盒、机器人控制器、若干个位控板、行走轴电机驱动器、提升轴电机驱动器、货叉轴电机驱动器、旋转轴电机驱动器、行走轴磁栅和提升轴磁栅；所述第二光通信模块、示教盒分别与机器人控制器连接；所述机器人控制器通过若干个位控板连接所述行走轴电机驱动器、提升轴电机驱动器、货叉轴电机驱动器和旋转轴电机驱动器；所述行走轴磁栅、提升轴磁栅分别连接机器人控制器；
所述第一光通信模块与第二光通信模块之间进行光通信。
2.根据权利要求1所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其特征在于，所述主控制器包括一MCS单片机和与所述MCS单片机相连的PC；其中，所述PC进一步连接一触摸屏；所述外设装置包括灯及按钮。
3.根据权利要求1所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其特征在于，所述主控制器通过RS232端口连接第一光通信模块；主控制器通过工业以太网连接所述远程输入输出装置。
4.根据权利要求1所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其特征在于，所述位控板的个数为两个，其包括第一位控板和第二位控板；所述第一位控板分别连接行走轴电机驱动器和提升轴电机驱动器，所述第二位控板分别连接提升轴电机驱动器和货叉轴电机驱动器。
5.根据权利要求4所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其特征在于，所述第一位控板、第二位控板与机器人控制器的连接采用EtherCAT接口。
6.根据权利要求4所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其特征在于，所述行走轴磁栅、提升轴磁栅与机器人控制器的连接采用EtherCAT接口。
7.根据权利要求1所述的采用双位置闭环控制系统的堆栈机，其特征在于，所述第二光通信模块与机器人控制器的连接通过RS232端口连接。
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