CN116425086A - 线性函数变化规律确定行走速度的堆垛机定位行走方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了线性函数变化规律确定行走速度的堆垛机定位行走方法，其特征在于，对堆垛机从起始点A点运动至目标点H点中的加速阶段和减速阶段进行控制，包括加速阶段AD、匀速阶段DF、减速阶段FG和爬行阶段GH；加速阶段AD，堆垛机加速至最大速度Vmax；匀速阶段DF，堆垛机以最大速度Vmax行走至减速点F；减速阶段FG在满足行走效率的同时保证设备机械构件的使用寿命，减速至爬行速度；爬行阶段GH，堆垛机以爬行速度Vmin低速爬行，到达目标点H即时刹停。

Description

线性函数变化规律确定行走速度的堆垛机定位行走方法
技术领域
本申请涉及线性函数变化规律确定行走速度的堆垛机定位行走方法，具体涉及堆垛机、环形车等设备的精准定位线性速度给定的行走控制方法，属于仓储物流技术领域。
背景技术
随着近年来市场对智能仓储物流设备需求的与日俱增，堆垛机、环形车等典型的自动化仓储设备，其核心的控制层面都有运动控制精准定位的控制需求，在很多运动控制应用中经常会用到运动机构从高速切换到低速然后逐渐停稳的定位应用场合，常见于堆垛机、环形车、坐标机械手等。简单来说即机构运行距离S、机构运行速度V、以及速度给定值之间对应的线性函数关系。
以堆垛机为例，目前堆垛机的行走控制有双闭环位置控制定位方式和模拟量定位控制方式两种主要的控制方式，其中双闭环位置定位控制方式要求加装增量式编码器在电机同轴端，并且还要配合条码认值器做位置控制；模拟量控制给定方式要求PLC有模拟量输出模块配合。
因此，堆垛机行走加速、减速的控制需要在兼顾行走效率的同时考虑运动机构的使用效率，受限于运动机构，堆垛机行走速度需要控制在爬行速度Vmin和最高速度Vmax之间，堆垛机从起始点A点运动至目标点H点，需要经历加速阶段、匀速阶段、减速阶段和爬行阶段，由于启动加速阶段和减速阶段的速度控制依赖于控制指令输入，如何设计行走控制方法使得能够兼顾行走效率的同时考虑运动机构的使用效率成为痛点问题。
发明内容
本申请要解决的技术问题是对于堆垛机的定位行走如何设计行走控制方法使得能够兼顾行走效率的同时考虑运动机构的使用效率。
为了解决上述技术问题，本申请的技术方案是提供了线性函数变化规律确定行走速度的堆垛机定位行走方法，其特征在于，对堆垛机从起始点A点运动至目标点H点中的加速阶段和减速阶段进行控制，包括加速阶段AD、匀速阶段DF、减速阶段FG和爬行阶段GH；
堆垛机的最大速度设为Vmax，爬行速度设为Vmin，最大加速度设为amax；
加速阶段AD，堆垛机从静止以0.7amax-0.9amax的加速度加速至最大速度Vmax；
匀速阶段DF，堆垛机以最大速度Vmax行走至减速点F；
减速阶段FG和爬行阶段GH，
减速点F至目标点H的总距离为SFH，包括减速阶段FG行走的减速距离SFG和爬行阶段GH行走的爬行距离SGH；
减速距离SFG、爬行距离SGH的设定如下：堆垛机在最小载重Wmin时的最短减速距离设为Lmin，在最大载重Wmax时的最短减速距离设为Lmax，当前堆垛机的载重重量设为Wn，通过线性插值计算对应于载重重量Wn的最短减速距离Ln，选取减速距离SFG为sLn，s为安全系数；爬行距离SGH设为0.2m～0.4m之间；
减速阶段FG堆垛机的行走速度按照速度给定值Σ设定，速度给定值Σ满足以下公式：
Σ＝((δ-SGH)-SGH)/(SFG-SGH)*(Vmax-Vmin)+Vmin；
其中，变量δ为当前堆垛机距离目标点H的距离，变量δ应当满足(δ-SGH)＜SFG且(δ-SGH)＞0；
爬行阶段GH，堆垛机以爬行速度Vmin低速爬行，到达目标点H即时刹停。
其中，所述安全系数s取值大于等于1.2。
具体的，所述堆垛机行走过程中距离目标点H的距离通过激光测距仪或者条码认值器实时获取。
本申请优点在于，既保证满足行走效率的同时也保证设备机械构件的使用寿命，兼顾稳定性、安全性，从而得到了最优的运动控制精确定位方案。
附图说明
图1为本发明堆垛机行走加减速度曲线图；
图2为本发明堆垛机行走减速时减速距离与速度配合函数示意图；
图3为本发明堆垛机行走部分硬件组态拓扑图；
图4为堆垛机等设备行走定位对应曲线点位行走位置图；
图5为堆垛机等设备行走变频器自由报文配置图；
图6为堆垛机等设备行走变频器接收报文配置图；
图7为堆垛机等设备行走变频器发送报文配置图；
图8为堆垛机等设备行走变频器接收报文配置控制字范围定义图；
图9为堆垛机等设备行走变频器发送报文配置控制字范围定义图；
图10为实施例中堆垛机的设备总图。
具体实施方式
为使本申请更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本申请提供的是线性函数变化规律确定行走速度的堆垛机定位行走方法，对堆垛机从起始点A点运动至目标点H点中的加速阶段和减速阶段加以控制，具体包括加速阶段AD、匀速阶段DF、减速阶段FG和爬行阶段GH，使其能够在兼顾行走效率和运动机构使用效率的同时精准停止在H点。
其中，行走效率是指以较短的运动时间行走至目标点，运动机构使用效率是指要考虑运动机构的使用寿命和健康状态，过快的运动速度和加减速度都容易对运动机构造成机械机构、轴承、电机等零件的磨损，会减少运动机构也就是堆垛机的使用寿命，增加维修维护和使用成本。
参见图1，堆垛机需要从起始点A点运动至目标点H点，常见的堆垛机行走动力源一般有两种，分别是交流伺服电机控制和变频器控制带抱闸的交流异步电机，其中变频控制性价比高同时也可以满足现场需求因而被广泛应用于现代化的智能立体仓库中，以变频控制为例，Vmax代表了变频控制系统中行走的最大速度，即交流异步电机50HZ额定频率下额定转速，虽然变频调速支持超频，超过额定转速下可以获得更高的速度，但对应的转矩对应降低，当频率超过工频时，电动机的转速按电动机转速公式n＝60f/P(f为频率，P为电机极对数)上升，过频后，公式中f发生变化，影响电动机的转速。超频在一定范围内，电机是可以承受的，例如在75Hz以内，普通电机就没有问题，如果频率超过75Hz，电机就无法忍受，这是因为此时的运行速度远远高于电机的设计速度，轴承、润滑系统已经不能满足要求，必然会导致电机经常损坏，在更严重的情况下，会导致电机失速，造成事故。此外，由于工频在恒功率调速以上，电机工作在弱磁状态，输出转矩变小，应注意不要使电机过载。Vmin代表了爬行速度，爬行速度Vmin是指堆垛机能够根据目标位置及时刹停后停止位置与目标位置之间的距离不超过允许误差的最大速度。
堆垛机整个运动过程中，都需要将最高速度控制在Vmax以下。从起始点A点至C点的加速阶段AC，堆垛机以最大加速度amax(对于基于变频器的堆垛机，最大加速度的实现是靠设定最短加速时间t0来控制的，amax＝Vmax/t0)从静止加速至最大速度Vmax的加速曲线为AO；从起始点A点至D点的加速阶段AD，堆垛机以最大加速度0.8amax从静止加速至最大速度Vmax的加速曲线为AX；从起始点A点至E点的加速阶段AE，堆垛机以最大加速度0.6amax从静止加速至最大速度Vmax的加速曲线为AY。显然，加速阶段AC的运行距离SAC相比较加速阶段AD运行的距离SAD要短，从行走效率上来讲加速阶段AC明显优于加速阶段AD，加速阶段AC的加速曲线AX从行走效率上分析是有优势的，但堆垛机行走的加速度过快，动能高、冲击力度大对机械结构的刚性，滚动轴承及机械零件的使用寿命，构件的稳定性都提出了很高的要求，而加速阶段AE则没有兼顾效率，所以加速阶段AC和加速阶段AE都不被采纳，因此基于兼顾行走效率和运动机构使用效率的考虑，加速阶段最优的堆垛机行走加速曲线是接近于AX的，即以0.7amax-0.9amax的加速度加速至最大速度Vmax。
图1中均速阶段DF为堆垛机完成加速后以最大速度Vmax行走SDF的距离，要完成减速和精准定位的动作在图1中体现为减速阶段FG和爬行阶段GH，堆垛机需要在减速点F开始减速，减速点F至目标点H的总距离为SFH，包括减速阶段FG行走的减速距离SFG和爬行阶段GH行走的爬行距离SGH。SFG为预留的减速距离，爬行距离SGH是最末端堆垛机以爬行速度Vmin移动至目标点H后刹停的运动距离。堆垛机需要在到达G点之前完成减速至爬行速度Vmin，而为了兼顾行走效率和运动机构使用效率，减速距离FG、爬行距离GH的设定按照以下方式：
实验测量堆垛机在最小载重Wmin时的最短减速距离Lmin和在最大载重Wmax时的最短减速距离Lmax，获取当前堆垛机的载重重量Wn，通过线性插值计算对应于载重重量Wn的最短减速距离Ln，考虑到设备减速距离的安全余量，选取减速距离SFG为sLn，s为安全系数，一般取大于等于1.2。爬行距离SGH一般选取较小值，由于堆垛机的行走控制是通过向堆垛机输入速度给定值Σ来控制堆垛机的速度，堆垛机在行走中无法严格按照速度给定值Σ行走，因此需要预留一定爬行距离SGH防止堆垛机未减速至爬行速度，另一方面，爬行距离GH不宜设置过大，否则降低行走效率，耗费时间。通常爬行距离SGH设定为0.2m～0.4m之间。
在减速距离SFG和爬行距离SGH确定后，减速点F到目标点H的距离就可以确定，堆垛机行走时其自身的位置是依赖于现有技术比如激光测距仪或者条码认值器实时反馈的，堆垛机行走至F点时需要进入减速阶段，本申请设计了下述公式在减速阶段对堆垛机的行走进行控制：
∑＝((δ-SGH)-SGH)/(SFG-SGH)*(Vmax-Vmin)+Vmin
其中，变量δ为当前堆垛机距离目标点H的距离，变量δ应当满足(δ-SGH)＜SFG且(δ-SGH)＞0；确保堆垛机行走于减速曲线ZR中。
爬行阶段GH，堆垛机以爬行速度Vmin低速爬行，通过激光测距仪或者条码认值器位置反馈，到达目标点H即时刹停，即可停止在目标点H的允许误差范围内。
本实施例以动力源为G120变频器、控制器为西门子1500系列PLC的堆垛机为例，具体介绍上述堆垛机定位行走方法。其中图5是堆垛机等设备行走变频器自由报文配置图，在配置变频器时这个是第一步，选择自由报文的通讯方式有利于西门PLC的控制，然后按照图8和图9分别配置堆垛机等设备行走变频器接收和发送报文配置控制字范围，定义该范围是为了确定控制器和变频器之间的通讯接口，最后按照图6和图7配置具体的报文控制字的定义，然后按照通讯协议中的定义从控制器PLC中发送具体的报文数据来控制变频器从而达到控制堆垛机等设备的机械机构行走从而达到让设备运行的效果，用PN通讯的方式通过自由报文中的控制字来控制G120变频器的启动和停止、复位；通过速度给定值Σ设定变频器运行的速度和方向，来控制堆垛机的行走控制。
本实施例所采用的堆垛机结构如图10所示，是典型的仓储物流有轨式巷道起重机械，从结构上看包括上横梁、立柱、站人台、下横梁行走电机、载物台、货叉、控制电控柜、提升钢丝绳卷筒和提升电机等，总机重量8080kg，载货重量为1100kg。
为保证安全，选择立体库轨道中间段测，堆垛机的单机总重量Wmin为8080kg，满载货物的堆垛机总重量Wmax为9180kg，通过多次实际测试得出：堆垛机在Wmin的情况下从最高速度减速到爬行速度所需要的距离2m，堆垛机在Wmax的情况下从最高速度减速到爬行速度所需要的距离3m；为了兼顾设备减速距离的安全余量，同时也考虑到机械结构的磨损和使用寿命，堆垛机总重量为Wmax时设定堆垛机的减速距离SFG为3.6m，爬行距离SGH设定为0.2m，即堆垛机行走到目的地的定位终点还有3.8m(图1中F点)时开始进入减速状态，到达G点减速到爬行速度，爬行距离即SGH为0.2m。整个过程中堆垛机的定位依赖于激光测距和条码认值(见图3，西门子1500PLC系列1510SP的PLC、G120变频器、劳易测条码认值架构)。
基于上述参数，在西门子编程软件、博图V17组态平台，选择功能函数块并且建立结构组建变量接口在程序功能函数块中建立函数的数据类型并且添加注释如图4所示，在实际的工程应用中需要考虑到定位精度，还有紧急停止功能，另外还需要考虑到没有调用该函数块的时候程序架构的中变量内数据的安全性；在前面的解说中以整数做介绍(SFH设定值是3500mm、Vmax设定值是12000)特定的变量以整数的形式展现出来，但在实际的应用中考虑到精度的问题，在接口数据变量声明表中，选择声明的数据类型为REAL实数便于控制。
在建立好函数接口变量的声明后，在程序编辑窗口设计算法结构，对堆垛机行走控制曲线中每段函数曲线的应用都做出了注释便于查阅，在实际的工程应用中只需要调整函数块接口声明表中的SGH、SFH、Vmax、Vmin值就可以获得图2中行走变频器的速度给定值Σ的线性关系，变量的曲线对应图1中的减速曲线ZR，同时在实际应用中，由于堆垛机实际速度并不能完全按照速度给定值实时反应，因此实际应用中，减速曲线ZR实际行走下来一般会是曲线，所以必须预留爬行距离，以防减速阶段FG存在行走误差。
综上，本申请提供的堆垛机定位行走方法，既保证满足行走效率的同时也保证设备机械构件的使用寿命，兼顾稳定性，安全性从而得到最优的运动控制精确定位方案。
以上所述仅表达了本申请的具体实施方式，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 (3)

1.线性函数变化规律确定行走速度的堆垛机定位行走方法，其特征在于，对堆垛机从起始点A点运动至目标点H点中的加速阶段和减速阶段进行控制，包括加速阶段AD、匀速阶段DF、减速阶段FG和爬行阶段GH；
堆垛机的最大速度设为Vmax，爬行速度设为Vmin，最大加速度设为amax；
加速阶段AD，堆垛机从静止以0.7amax-0.9amax的加速度加速至最大速度Vmax；
匀速阶段DF，堆垛机以最大速度Vmax行走至减速点F；
减速阶段FG和爬行阶段GH，
减速点F至目标点H的总距离为SFH，包括减速阶段FG行走的减速距离SFG和爬行阶段GH行走的爬行距离SGH；
减速距离SFG、爬行距离SGH的设定如下：堆垛机在最小载重Wmin时的最短减速距离设为Lmin，在最大载重Wmax时的最短减速距离设为Lmax，当前堆垛机的载重重量设为Wn，通过线性插值计算对应于载重重量Wn的最短减速距离Ln，选取减速距离SFG为sLn，s为安全系数；爬行距离SGH设为0.2m～0.4m之间；
减速阶段FG堆垛机的行走速度按照速度给定值Σ设定，速度给定值Σ满足以下公式：
Σ＝((δ-SGH)-SGH)/(SFG-SGH)*(Vmax-Vmin)+Vmin；
其中，变量δ为当前堆垛机距离目标点H的距离，变量δ应当满足(δ-SGH)＜SFG且(δ-SGH)＞0；
爬行阶段GH，堆垛机以爬行速度Vmin低速爬行，到达目标点H即时刹停。
2.如权利要求1所述的线性函数变化规律确定行走速度的堆垛机定位行走方法，其特征在于，所述安全系数s取值大于等于1.2。
3.如权利要求1所述的线性函数变化规律确定行走速度的堆垛机定位行走方法，其特征在于，所述堆垛机行走过程中距离目标点H的距离通过激光测距仪或者条码认值器实时获取。
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