堆垛机作为仓储系统重要运动部件,堆垛机应具有实现水平行走、垂直升降和伸缩货叉等运动功能［１］,要求在水平行走和垂直升降两个方向快速准确定位。在使用过程中发现,如果采用增量式编码器进行水平或垂直测距,多次运动后会有累积误差,严重影响定位精度;如果应用激光测距仪测距,测距仪必须安装在堆垛机上,由于运动和惯性等诸多因素导致光发射器摆动,距离越长所得到的数据误差越大,且激光测距仪随着测量距离的增大成本越来越大［２］;以及机械传动误差、机械安装误差等影响,很难达到高精度定位。如果定位认址不准确, 货物不能准确到达目标位置,完成任务;或者定位精度不够, 托盘在货架上位置偏斜,易导致托盘滑落的危险。

本文通过采用二次分步定位原理的快速精确的定位控制方法,即在闭环控制的基础上,在目标地址处增加一个位置反馈环节,构成粗定位和精确定位的双位置反馈［３］,可以消除长距离定位测量带来的误差、积累误差、机械传动误差、机械安装造成的误差等的影响,实现了堆垛机的精确定位。

巷道式堆垛机的结构主要包括整体机架、水平行走部分、 起升机构部分、载货的货叉伸缩部分、电器控制柜及安全保护部分［１］。巷道式堆垛机必须具备的3个方向的运动:水平行走、垂直提升和货叉的伸缩运动。高精度定位主要是水平行走定位和垂直提升定位。

行走部分系统结构图如图1所示, 测距传感器选用DT20Hi短量程激光测距传感器,位于外环检测回路,检测方向与行走方向成一定的角度。编码器采用AHS36BS1AC绝对值型编码器,其与电机轴通过联轴器连接,位于内环检测回路。当电机转动时,编码器输出一系列的脉冲信号,PLC记录接收脉冲信号并根据编码器的相关参数及算法得出堆垛机行走的距离,同时,还可将编码器反馈的脉冲根据一定的算法转化为电机的当前执行速度,构成速度的闭环控制。

图1行走部分系统结构图  下载原图

通过PLC编程可以计算出测距传感器数值变化的次数, 结合当前的数值,根据相应算法,得出堆垛机当前所在的地址。其中堆垛机在向正方向行驶时,测距传感器Ⅰ测得数据作为反馈值;堆垛机向负方向行驶时,测距传感器Ⅱ测得数据作为反馈值。测距传感器 Ⅰ 和 Ⅱ 分别进行计数,计数值相等则PLC判断测量准确,没有出现计数丢失,即所得地址值与实际相符。

若得出的当前地址与任务的目标位置差值比货位宽度的一半大,则堆垛机处于第一定位阶段,堆垛机按编码器反馈的信息控制电机的旋转;若得出的当前地址与任务的目标位置差值比货位宽度的一半小,且已进入低速阶段,则堆垛机进入第二定位阶段,堆垛机控制器根据激光测距传感器的反馈信号控制电动机的旋转。通过双位置反馈,实现了堆垛机的各种误差和非线性环节的全闭环控制,消除长距离定位测量带来的误差、 积累误差、机械传动误差、机械安装造成的误差等的影响,实时调整电动机的速度,实现了堆垛机的精确定位,提高了定位效率。

本文中的编码器还可用长距离激光测距仪替代进行第一阶段的定位;但长距离的激光测距仪只能在直线巷道上使用,而编码器可以在S型或U型巷道中使用。

此定位控制方式是一种全闭环的位置检测方式,采用编码器对堆垛机进行第一次定位,当堆垛机减速运动到精定位的控制范围时,堆垛机切换为短程的激光测距仪定位。对文献[8] 中的测量方式进一步改进应用。巷道堆垛机定位控制中水平行走部分采用该定位控制方式。

如图2所示,堆垛机两侧平行的安装测距传感器Ⅰ和Ⅱ, 确保堆垛机在向不同方向行驶时,可以迅速得出位置数据;短程的激光测距传感器与行走方向成一定的夹角,为保证传感器可以测出距离值,反光板与传感器光的轴线方向垂直,反光板的成角度安装保证了测量数据的线性连续变化及测量的准确性。

图2激光测距仪及反光板安装示意图  下载原图

在堆垛机水平行走方向采用第一次定位和第二次定位相组合的定位方法,达到低成本、高精度的目的。

图3中a为堆垛机的相对于此货位一侧的距离;b为堆垛机货位到测距传感器的垂直距离;L１为设定的测距传感器检测的最短距离;L２位设定的测距传感器检测的最大的距离。

图3测距传感器的距离计算  下载原图

相对于货位一侧的距离a的计算方程:

式中,θ为安装时设置的行走方向与检测方向的夹角,一般取10°~80°,这里取θ=45°。

在行走方向激光测距传感器的误差与实际测量误差基本相同,即:

式中,∂ 为激光测距传感器在行走方向的测量精度;∂１为激光测距传感器的实际测量精度。

堆垛机垂直方向的定位控制有上位与下位的要求,所以采用了编码器和认址片的定位技术,提升编码器的反馈信号先进入变频器的速度反馈卡,实现变频的PG闭环矢量控制,然后通过速度反馈卡的分频端子,将分频后的脉冲信号接入PLC的一路高速输入端子,实现提升方向的认址计数,在垂直横梁上安装相应认址片,对是否到达目标层进行校验。

堆垛机定位的影响因素主要包括两个方面:电器部分误差和机械部分的误差。电器部分误差又分为测量误差、定位方法造成的误差;机械部分误差主要有加速机构间隙造成的偏差、 传动轴扭转而产生的偏差、安装误差。

本文中提到的双位置环定位控制方法避开了机械部分的误差中加速机构间隙造成的误差、传动轴扭转产生的误差、安装的误差。所以该控制方法的定位精度估算如下。

1)指令执行时间误差:

在堆垛机行驶的最小速度、离目标15mm时,启动电磁制动器抱闸,取时间误差 Δt=0.001s,则误差:

2)编码器测量的速度误差、测距传感器的测量误差

编码器分辨率4096线,误差一般在0.005%;测距传感器的误差由(2)式得为约为0.1mm,则

因此,堆垛机停止的位置的最大误差:

设计满足控制系统的要求。

堆垛机的运动方式为行走。实验仓库单巷道有34×13个货位,货位宽为1 990mm。实验过程如下:在触摸屏上输入命令,要求堆垛机依次从原点(第0列)移动到第1列、第2列、第10列、20列、30列,测量堆垛机货叉中心线相对于相应货位前侧的距离,理论计算值为995.00mm,重复5次。设置堆垛机加速度2.0s,最大运行速度80m/min。

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根据表1数据和由数据制成图4可以看到,堆垛机运动过程中,运行误差在3mm范围内,满足控制系统的要求。

图4堆垛机运行精度测试数据图表  下载原图

本文应用双位置环控制,采用变频调速技术实现堆垛机的高精度的定位问题。第一次定位与第二次定位结合使用,避免了编码器存在积累误差的缺陷,避开了激光测距仪震荡等不确定因素带来的误差;激光测距仪在库位上的定位,避开了由于机械安装配合的原因造成的误差。实验证明,此双位置环的定位控制方法能够满足定位控制系统的要求。