自动存取系统（Automated Storage and Retrieval System AS/RS）是一个多设备集成的系统。它以成套装卸设备为基础，以多系统协调控制为标志。它在现代物流仓储领域发挥着重要的作用。堆垛机作为As/RS的核心设备，负责高层货架的存储和检索，极大的提升了仓库的土地利用率和货品的拣取效率。

为了跟上物流行业的快速发展，提高人才培养质量，高校更加重视物流实验室的建设，但现有的堆垛机设备由于其体积庞大，控制系统复杂，不便于直观的进行教学实验。因此，对于有限的教学实验用地，设计一个功能齐全、操作简单、具有实际工程意义的模拟堆放平台显得尤为重要。目前，教学实验堆放平台的设计大致可分为两种技术方式：(1)小型化物理教学平台设计[1,2]，尽量还原工业堆垛机的主要参数，简化关键部件的设计，保证堆垛平台的完整性，控制系统采用半自动控制方式，方便学生的物理操作，从而对堆叠系统的组成部分有一个更清晰的认识。缺陷是物理设计后内部部件无法更换，控制系统一旦确定不容易更改，导致设计的物理平台随着时间的推移而陈旧落后。(2)虚拟化的仿真教学平台设计[3,4,5]，通过计算机仿真技术，建立虚拟堆叠教学实验场景，选择虚拟端口连接各种型号的仿真PLC，或将物联网智能网关（I/O箱）与各种型号的实体PLC连接。搭建的高层货架、堆垛机、货物输送带等都是虚拟设备，它可以在现场对设备进行模块化，根据学生的学习进度跟踪教学，大大节约了教学成本。虚拟现实（Virtual Reality）技术最早起源于美国，1965年Ivan Sutherland一篇Ultimate Dispaly会议论文讨论了交互图形显示、力反馈设备以及拥有声音功能的虚拟现实系统设想，被认为是虚拟现实技术的开端，增强现实（Augmented Reality）即使在虚拟现实上增加网络的跟踪定位等技术，增加计算机形成的虚拟信息来补充现实世界，具有虚实结合、实时交互和三位配准三大特点，使学生在学习时可以沉浸于虚拟世界中并直观的实时感知，目前基于VR/AR技术的教学研究趋向于强调逼真的虚拟场景，绘制清晰的三维图像，以达到接近现场工业应用的教学目的[6,7]，文献提出将VR/AR技术引入到机械专业课程教学中，结合教学实例从理论教学、实验教学和实习实训三个方面展开论述，但没有给出具体采用何种实施方式体现VR/AR教学。文献提出将虚拟课堂引入高校摄影教学中，借助VR/AR技术降低教学成本，并给出使用Cult 3D为基础的具体实施例，但文章中没有考虑学生参与式教学，故而对教学的效果没有给出清晰的回应。

本文设计基于三菱FX3U系列PLC为控制器的教学实验型自动化立体仓库堆垛平台，其特征在于采用虚拟化的仿真教学平台，结合VR/AR技术，可以在屏幕上使虚拟设备场景与学生进行互动。教学试验表明，采用该种方式可以有效降低教学成本，提高学生对堆垛机的认识，丰富教学方法体系与教学效果。

堆垛平台作为自动化立体仓库系统中最重要的起重运输设备，是实现自动化立体仓库高效运行的关键。在实际应用场合中，常见的堆垛机高度为20m左右，不便向学生展示升降机构、电控模块以及天轨走形部的具体构造。采用虚拟仿真平台方式，针对在不同场景下选择对应的模块化组装模具，学生可以根据教学进度创建堆垛平台，直观的认识堆垛机各部件组成和控制方式。以下将给出具体实施方式，虚拟仿真平台涉及的各设备如表1所示。

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根据表1，将相应的各设备在虚拟平台上搭建，并对各设备设置相应的属性，最终布局效果如图1所示。

图1搭建的是单排立体货架，以及成套的堆垛装置，可以演示进取货动作、库内搬移、拣选出库、添加入库等操作。生成器可以根据命令生成货物，货物将从滚筒线移动到接驳线，接驳线上装有红外传感器，传感器感知货物位置并提示堆垛机工作，堆垛机根据操作指令，进行对应拣选作业，消失器可以将多余货物消失。平台各设备可根据学习要求进行修改，例如添加或修改货架数量和高度。全景模式下可以转换视角，清晰的观察动作方式和工作流程，便于学生对堆垛机进行方案设计，并结合所设计的方案优缺点作出修正和改进，借此来进一步提高堆垛平台的利用率和运行销量，并使之获得较好的应用。

图1 虚拟仿真平台  下载原图

采用三菱FX3U作为电气控制器，考虑到该型号的PLC提供了多达384个I/O口，便于学生扩展设计的产品，并支持远程程序传输和PLC运行监控，对教师监督教学非常重要。实例中各系统的I/O端口类型分配表如表2所示。

GXWorks2软件是三菱电机公司为三菱PLC推出的集设计、调试、维护的编程软件，该软件具有简单工程（Simple Project）和结构化工程（Structured Project）两种编程方式，支持梯形图、指令表、SFC等编程语言，帮助学生设计虚拟堆叠平台的电气控制。图2给出实例部分梯形图。

图2 PLC部分梯形图  下载原图

实例中堆垛平台控制系统的软件设计流程图如图3所示，一方面，堆垛平台开始工作后，传送带上生成器等待命令生成货品，输送带可以检测是否出物料，判断发电机是否输送成功。货物通过传送带运送到堆垛机，堆垛机即可进行存料作业，增加反馈环节为确保回收和投料作业有序完成。每个货物小区具有起始信号采集，以确定货物小区是否被存储。增加此功能，还可以进行仓库搬运操作，将货物物料从当前的货仓转移到其他空位。取料后作出判断，补充备用位置，并在货物上添加消失装置，模拟货物出库。另一方面，首先检测传送带是否上电，然后检测传送带到是否到料。待生成器等待物料信号输入，传送带取料、存料并给予完成反馈并检测货架是否存满，开始下一次循环。

图3 堆垛机平台流程图  下载原图

基于三菱FX3U的实例控制单元接线图如图4所示，可编程逻辑控制器连接生成器、滚筒线、接驳线、堆垛机和传感器。在实际的教学中，学生可以添加调速器、液压泵等设备来改进虚拟堆垛平台，也可以根据自己的设计方案修改伺服电机、控制单元等部件的参数，从而获得最优设计。借助系统仿真软件，对堆垛平台的控制和连接方式提供多角度的解决方案，灵活运用所学知识提高掌握程度，为自动化仓库的物流设计和性能分析提供参考方法。

图4 控制单元信号接线图  下载原图

VR/AR技术能够与学生进行交互式体验，并创设学习场景、增强学习体验、激发学习动机，为学生营造自主学习的环境，因此在教育教学应用中潜力巨大、前景广阔。本文所采用的是桌面式VR/AR设备在教学中的应用，具体是结合steam教育平台，通过zspace产品向学生展示堆叠平台的内部结构，并通过人机交互对平台参数进行调试和修改，在增强学生参与性的同时，激发学生的深度思维，培养创新思维。该软件具有增强现实功能，可以将真实的环境和虚拟的层次叠加起来，展示给学生。学生可以使用头戴式虚拟设备和手柄，通过视觉入侵，有身临其境的真实感。他们能看到空间分离操作模型的效果，能触摸、互动、感知教学内容，充分发挥想象力，构建理想的模型，验证自己搭建的堆垛平台的合理性，避免真实环境中机械零件的缺陷。实际的堆垛平台设备价格昂贵，对学生来说操作仍然是危险的。VR/AR技术的应用可以实现在真实环境中无法实现的教学场景，提高学生的创新能力和工程意识。

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本文针对物流教学中现存的学生实际交互式操作学习较少、无法自行根据教学进度进行平台设计等问题，提出一种基于三菱FX3U的教学实验型自动化立体仓库堆垛平台。该平台采用虚拟设备搭建教学场景，通过物联网智能网关连接外部可编程逻辑控制器FX3U，并加入VR/AR技术增加教学效果。与传统的教学试验设备相比，采用虚拟场景可以方便学生根据教学进度自行设计堆垛方案，拖动虚拟设备可以任意更改替换场景平台内的走形部分、输送部分以及拣货部分。对学校而言，虚拟场景的使用可以减少教学事故，降低教学成本，减少科研经费。对教师而言，可以灵活运用远程终端向虚拟堆垛平台进行程序传输和在线监管功能，减轻教师工作负担，提高教学质量。

本文给出具有进取货动作、库内搬移、拣选出库、添加入库等功能的实例，通过该实例可以看出本文所设计的自动化立体仓库堆垛平台具有以下特点：

(1）虚拟现实/AR技术引入物流仓储课程的教学可以弥补学生缺少时间锻炼和直观的了解，以便学生能更好地理解和掌握叠加原理，使用和操作，极大地刺激学生的学习热情。

(2）利用虚拟仿真设备对自动化仓库堆垛平台进行建模和优化，提供对比方案，降低教学投资成本，并根据学习进度改变教学场景。

(3）整合物流工程、检测技术、机电传动、光电检测技术、伺服技术等专业课程的教学与实验内容，有利于培养学生的工程实践能力。