叶煌城

（厦门航天思尔特机器人系统股份公司，福建厦门 361023）

0 引言

自动化立体仓库采用多层、十多层、几十层等货架储存货物，并配备了堆垛机、输送机和轻型卡车等一系列物料搬运设备，对货物进行整理和储存，本文将主要介绍和解释自动仓库中的核心存储设备。

1 堆垛机的相关概念

1.1 堆垛机的工作原理

在立体仓库中设置有巷道、堆垛机、高层货架等。一般情况下，巷道内的堆垛机由行走电机驱动，通过驱动轴带动车轮在轨道上水平移动，货运平台利用提升电机的钢丝绳垂直上下移动。堆垛机的工作原理就是利用上述多种三维运动方式提取和运输货物，通过移动接收器和提升接收器来控制堆垛机的水平移动和货物平台的提升位置，货运平台上相应的铰接开关可用于控制货叉的方向。

1.2 堆垛机控制的功能

堆垛机在控制方面拥有很多功能，主要功能有4 点：①通信功能，堆垛机的通信功能保证堆垛机在使用过程中顺利地和其他设备保持顺畅的交流和沟通；②三维动作控制，主要对堆垛机运行时的各种动作进行控制，例如前进、退后、转弯、上升等；③位置控制，当堆垛机移动时，对其目的地进行精确地定位和导航；④保护功能，堆垛机在进行高速运动时，对堆垛机提供保护，避免发生安全事故。

2 堆垛机的认址

堆垛机在整理和堆放货物时，需要精确定位。堆垛机能否准确地到达目的地，与其内部的PLC 或自动操作系统有密切联系，只有在这两者的操作下自动进行，才能够保证堆垛机的精确定位。立体仓库的货架上一般都设置有堆垛机能识别的条码，顺着巷道不同的延展方向，将其分别设为x、y、z 巷道，对应的分别是排、层、列的位置。通过识别出货物所处的位置，将其准确地运送到目的地，堆垛机能够准确、高效地进行识别和运行。目前堆垛机确认货物的方式主要有两种，一种是绝对认址，一种是相对认址。

2.1 绝对认址

绝对认址能够将所有货舱上的横梁和安装在立柱上的每层上横梁开关进行识别，还能够识别分别设置在蓄电池侧和蓄电池升降平台侧的固定地址标志牌。当堆垛机通过时，认址标志可以阻挡或传送光电开关，形成17 位二进制代码，由PLC 计算x和z 坐标，以确定机器运行的位置。这种地址识别方法使PLC编程更简单，地址识别更可靠。但这种地址识别方法需要更多的光电开关，所以硬件成本高，调试设备复杂，特别是当整个立体仓库被替换时，这种地址识别方法的可移植性很低。

2.2 相对认址

相对认址是在各层所有走廊货舱和相应悬挂柱的对应位置，以及一些固定地址，设置标识挡板和两个光电开关（一个为静态光开关），分别安装在起重机和平台旁。在升降机前后、上下移动时，货舱内的每个光电脉冲应减少以获得地址，如果发生错误，会使所有地址都是错误的，因此这种地址识别方法的可靠性非常低。为了提高地址的可靠性，采用两个光电开关同时进行认址确认和互检，当两台计时器出现差异时会发出警报。

2.3 本文的认址方式

本文选用上海加倍福公司的绝对认址识别方法、激光测距技术和Ed2401p 激光测距仪，并将其安装在激光测距发射机的堆垛机上。接收器位于通道的近端，进行直接固定输出，并连接到Profibus DP 总线。

3 自动化立体仓库堆垛机的控制与设计

3.1 控制系统的构成

堆垛机在进行控制时，其控制的方法主要有两种，一种是单片机的控制形式，另一种是利用可编程逻辑控制器来进行，其采用的是S7-300PLC，但是考虑到其CPU 与HMI、上位机之间存在着通信上的问题，所以一般会设置两个接口供通信使用。总的来看，自动化立体仓库堆垛机主要包括货架货厢、巷道式堆垛机、出入库辊道链条输送机、监控系统。

因此，在控制系统的设计中，采用了自由口的模型，并选择了Poel 和HM 等通信方式。其中，POI 负责与红外通信单元的通信，自由口的通信采用RS-485 硬件，因为它具有多种通信方式的特点。在自由口的通信过程中，用户可以简单地定义通信协议，如数据长度、奇偶校验等，完全控制用户自己的通信功能程序。与此同时，还可以选用OP3 的自由操作板面，选择该操作面板不仅使用简单，而且使用PROTOOL 软件进行现场编辑或操作非常方便，完全满足移动设备与主机通信的需要。这3 种解决方案广泛应用于工业现场，即红外通信、滑线通信和射频通信。但需要考虑以下因素：①长时间通信后滑道上的碳刷会磨损，影响通信效果；②经济性，无线通信设备的采购价格远高于红外通信设备。某项目采用立体仓库作为冷藏库，现场无严重的粉尘污染，也不会影响通信效果，所以最终确定使用红外通信方式。

3.2 系统工作的原理

（1）定位检测。操作面板和上位机发送接入信号和地址后，自卸车内的可编程控制器按指定方向在装载位置运行。其中，地址命名和定位技术是保证堆垛机正常运行的关键，地址识别技术是由旋转编码器、光电传感器和激光测距共同发挥作用的，在控制系统的设计中，采用了光电传感器的地址识别技术，不仅可以实现集中器的精确操作，还可以实现单光电地址和双光电地址，因此无论是价格方面还是运行方面都比较合适。

（2）变频驱动。在出库和入库过程中，堆垛机可根据到目标地址的特定距离控制通用开关，使货物水平来回移动，包括高速、中速和同步移动，另一个总开关可用于在四种垂直速度下操作货物，即高速上升、高速下降、低速上升和低速下降。在工作期间，变频器根据传感器的信号检测来检测状态，电机只需确定速度，不反馈速度的具体值。因此，实现开环系统精度的关键步骤是检测传感器，验证传感器的正确位置，速度调节从目标货舱的前舱开始。由于变频器输出频率低，低速堆垛机惯性小，传感器检测精度高，能够满足精确定位的要求。电机有1 速、2 速和3速3 种速度，可单独设置，利用变频器还可以增设4 速、5 速、6速3 种速度。由于变频器的速度输入只有3 个端子，因此需要使用PLC 的输出点来控制变频器。

4 堆垛机的变频调速闭环控制

4.1 变频控制的应用及其存在的问题

目前，必须通过变频调速手动设置多个固定频率，如3 个中速和低速频率，以实现存储通道的自动反转。根据变频器运行的目的，可根据3 个频率进行PLC 调节。然而，随着堆垛机运行速度的提高，开环和闭环的分层调整方法已不能满足控制要求。

4.2 闭环无级控制原理

根据反馈的存在性，一般工业控制系统可分为开放控制和封闭控制。在开放式控制系统的输出和输入端没有反馈电路，在闭环控制系统的输出端有反馈电路。输入端之间有反馈电路，输出端直接影响控制效果，利用反馈信息可以减小输出差异，其显著优点是精度高。该系统由两部分闭环控制组成，堆垛机运行速度的闭环控制要求激光测距仪根据堆垛机当前速度信号实时调整变频器的频率值，使堆垛机在要求的速度下快速稳定运行。通过移动集中器，当堆垛机到达目标地址时，激光测距仪根据堆垛机反馈的距离信号和预设的控制策略调整堆垛变频器的频率值。机器首先以更高的速度接近目标地址，然后平稳减速，到达目的地停止制动，采用闭环控制方式，实现仓库道路集料机的高速运行自动化、变速平稳、低速停车，满足调速要求。

4.3 速度控制技术

堆垛机速度控制中，由于伸缩叉运动行程短，采用恒速低速控制。货舱的提升运动由双速电机控制，本研究的重点是轮式堆垛机的操作。根据仓库物流实验室的实际情况，确定了30 m/min的高速、15 m/min 的中速和5 m/min 的慢速指标。

4.4 高速度控制的硬件实现

为了实现对高速振动和噪声的有效控制，有必要对技术标准和性能提出更严格的要求，并加以控制。综合协调管理多个相关单元，将堆垛机作为一个系统进行分析研究，明确各单元与整体的关系，确保正常运行。根据堆垛机的操作程序，当工作速度超过100 m/min 时，噪声曲线出现拐点和振荡，噪声急剧上升。噪声控制的基础是有效的振动控制，减振是成功的关键。

结合蓄能器结构振动力学模型，综合分析相关因素，采取以下机械减振措施：①堆垛机、塔架和滑行道是一个有机整体，这3 个部分的固有频率接近时发生共振，为了避免共振，必须以不同的方式采取特殊的隔离措施；②堆垛机整体结构设计采用型材，提高强度，减轻自重；③波形设计应避免共振速度；④车轴平行精度稳定，下横梁轴孔由数控镗铣床一次夹紧完成所有加工，与运动部件相关的装配精度，尤其是轮轴的平行度，要一次满足所有要求；⑤断绳保护接口处以钳口的方式进行连接，结构复杂，采用重力自由同步制动专利技术，辊子倾斜度独立，取消所有连杆和弹簧以简化结构；⑥为了降低整机的传动和提升功率，采用了专业的弹性牵引技术，其重量是传统牵引装置的1/10，位于立柱底部，结构紧凑；⑦构件连接采用弹性阻尼法；⑧胎面采用特殊的加工工艺提高稳定性，并采用特殊的振镜结构，避免与支架共振。

5 结束语

随着我国物流业和生产行业的快速发展，对自动化立体仓库的功能和数量要求越来越高。为了适应智能化的发展趋势，自动化立体仓库的设计水平、整机技术和嵌入式设备的功能都需要不断提高。本文主要设计了三维仓库自动堆垛机和嵌入式设备的控制功能，包括通信功能、三维动作控制、位置控制和保护功能，以及人机界面，希望为立体仓库自动堆垛机控制系统的技术开发提供参考。