基于双伺服驱动的快速堆垛机系统开发与应用

引言

随着国民经济和物流技术的快速发展,自动化物流需求与日俱增。高效物流配送涉及方方面面,特别是货到人或机器到人快速拣选方案,在各行各业都得到了广泛应用,快速堆垛机作为自动化立体库中的关键搬运设备,其作业效率及性能高低至关重要。

快速堆垛机作为物流装备市场的宠儿,广泛应用于新能源、快速消费品、生物医药机械、电子商务、食品饮料、机械电器等领域,因此,对快速堆垛机的开发需求极为迫切。本文将重点介绍一种基于双伺服驱动的新型快速料箱式堆垛机系统的开发与应用,该系统融入了高效、绿色、智能等设计理念,集成应用了前沿电气控制、电子通信、伺服驱动、网络通信、仿真分析等综合技术手段。

1应用场景与系统总体设计思路

1.1AS/RS自动化立体仓库概述及快速堆垛机应用场景

自动化立体仓库一般由高位货架、巷道堆垛机、货箱、天地轨、安全缓冲装置、输送机、出入口、通信系统、信息化管控系统等组成,形成一套全自动的仓储物流系统,实现物料的信息化自动存取作业。而快速堆垛机作为自动化立体仓库系统中的关键设备,可以在巷道内快速穿梭运行,通过x、Y、Z三轴运动实现货物的自动存取目的。

图1所示为自动化立体仓库平面图。

1.2整机总体技术指标

整机总体技术指标如表1所示。

1.3电气控制总体架构

电气控制方面,由伺服驱动控制器、s7-1500PLC、PN/ssI激光测距器、触摸屏HMI、外围光电传感器、编码器等组成PN网络。为了实现高速运行中驱动摩擦力的增大,水平运行x轴采用双轴伺服双电机驱动,垂直升降Y轴采用齿形带单轴驱动,货叉Z轴采用单轴驱动,并通过EPOS定位功能、双闭环控制实现快速精准定位。总体控制架构图如图2所示。

2机械系统设计方案

2.1整机轻量化设计实现快速响应

在快速堆垛机的机械设计开发中,整机设计方面总体思路如下:利用三维仿真分析软件平台化设计,整体机架采用轻量化设计理念,最大限度减小整机重量,节能降耗。整机重量减轻、提升机构减轻,能够减小电机无用功率,满足高速响应要求,减少惯性冲击。同时,采用低重心设计,底盘重、上部轻,以降低整机重心,达到快速精准停车及减少摇晃的效果。堆垛机整机设计总效果图如图3所示。

2.2双伺服电机设计实现高速性能

电机拖动方面全部采用伺服电机,以达到快速响应的效果。同时,为了达到高速目标,增加驱动行走轮的抓地摩擦力,采用以下办法:一是采用夹抱式双电机同步驱动结构,通过轨道两侧张紧装置增加侧面电机驱动轮摩擦力,以发挥电机最大直驱力,堆垛机底梁设计总效果图如图4所示:二是定制铝合金地轨,在地轨截面设计中通过增大铝合金与驱动轮接触面,来增加侧面驱动轮摩擦力。

2.3耐磨轮与铝合金地轨实现降噪

降噪方面,水平行走轮及导向轮均采用耐磨聚氨酯尼龙轮,而行走轨道采用定制开发的铝合金地轨,能够大大降低高速运行堆垛机的噪声。

2.4夹抱式勾叉设计实现料箱快速取放

货叉采用夹抱式勾叉结构,设计关键点在于叉体复杂的传动结构,其采用多叉体齿形带方式,达到3级或4级平面拉伸,实现单深位或双深位的叉取功能。另外,勾叉结构的设计极为重要,勾叉设计要轻巧、可靠、紧凑。载货台及货叉结构总图如图5所示。

3电控系统设计方案

3.1电控系统总体配置及架构

控制系统主要包括PLC主站、分布式Io从站、伺服驱动器、伺服电机、外部激光测距器、传感器信号采集、触摸屏HMI、供电滑触线、电源部分、通信部分等。

硬件基本配置:CPU151OSP-PN、TP900、IM155-6PN、s120CU320-2PN、AMs348i、V90PN等:所有智能Io设备组成Profinet网络,通过PN通信、等时同步实时通信、通信报文接口进行控制。PLC及各分布式PN站组态组图如图6所示。

3.2伺服控制系统配置

在本控制系统开发中,伺服控制组件选型及组网极为关键,堆垛机X、y、Z三维运行轴均采用伺服控制:水平X轴和垂直y轴选用西门子s120高端书本型驱动器,采用CU320双轴电机模块伺服控制方案,特别是水平方向,为达到高速目标,水平X轴特别采用单轴双电机同步跟随方案,垂直y轴为单轴单电机拖动方案:货叉Z轴选用V90伺服单轴单电机控制方案。CU320伺服控制站组态图如图7所示。

3.3网络通信及同步响应

为了实现堆垛机动作快速响应,各工艺轴要达到快速启停和高速续航的效果,除了有高刚性的机械结构做支撑外,还需要控制网络层信息交互的快速实时响应,才能保证从PLC指令到伺服电机执行反馈调整等一系列过程动作敏捷。为此,经调试,本方案主要采取以下措施:首先,在驱动器通信硬件上选用Drive一CLio专用电缆和专用网络,实现西门子sl20站各轴间的实时通信:其次,在PLC控制器及各伺服驱动单元PN接口组网中,各通信站间进行软硬件拓扑网络组态,PN通信采用等时同步模式,以便实现同步数据实时功能。电气拓扑组态及配置图如图8所示。

3.4伺服轴控制及多轴同步

堆垛机的功能是能有效实现x、y、Z三轴的动作,并且根据控制指令实时实现上级下达的各种运行、加减速、停车、存取货等动作,从而完成高响应作业。堆垛机的作用是到固定的物理货位取货卸货,一旦货架货位安装完毕其位置就固定了,所有的取放货动作定位均以这个目标位置为基础进行。

在定位控制中遇到的问题是,如果采用轴电机自身的绝对编码器作为位置反馈,若堆垛机运行中在地轨上打滑,进而造成定位数据错乱,那么这种问题就是致命的,将造成误定位而伸叉取货时顶货等危险。为了彻底解决这个问题,最终采用带PN/ssI接口的激光测距作为位置测量系统,一方面,激光测距ssI接口连伺服轴,作为伺服位置环测量系统进行反馈,实现运动控制工艺位置轴的定位,而伺服内部绝对编码器仅用作速度环:另一方面,激光测距PN接口连接至PLC,采集的激光位置数据用作物理位置停准时到位与否校验,通过双重校验对准才能确认伸叉。以上方案在实际应用中定位效果良好。

另外一个关键点就是水平方向双电机之间的同步问题,能否绝对同步关系到控制方案的成败,通过工艺对象设置与关联,实现水平轴X1和X2轴的一致同步性。由于外部各种因素,两轴之间需要调节各种相关参数,如工艺轴方向、传动比、测量比例、增量间距比例、主从互联、加减速等。在调试过程中会遇到不少问题,如设计不当会引起振荡、两轴不同步、过流过冲、故障率高等,为此需要通过不断测试,优化各项参数配合,以达到最优效果。工艺对象组态配置图如图9所示。

3.5PLC及驱动器间的通信

在电控系统中,PLC主要功能为逻辑控制及信息采集处理,以实现控制流程和逻辑功能为主:而驱动器主要功能则是实现驱动动作和位置环计算,根据上位PLC位置指令,由驱动器自行完成速度环、位置环的计算。

在各个控制层面之间,驱动器与pLC的通信主要是采用西门子相关报文实现,需要解决工艺模块、报文结构、编程方式等问题。

在本案例中其报文如下:pLC和驱动器轴工艺对象中采用了TEL81报文、105报文,来实现信息交互:s120伺服CU320控制单元中的报文有390报文、电源模块370报文、标准报文3、报文105等。

3.6电气设计中的其他技术应用

除了上述几点外,本方案开发中还有很多细节,例如在程序开发方面,有数据通信、驱动器参数优化、故障处理、定位控制、防摇优化、能量反馈、安全保护、可视化操作、防滑处理、数据初始化、设备状态显示、远程诊断等等:在调试过程中也需要解决机械结构、机架刚度、机电速度曲线配合等问题才能实现快速精准动作,同时又不会引起整机振荡及过大的冲击等。

外部联网通信方面,与地面网络站采用载波通信,一方面,与地面输送机PLC站实时通信,实现出入口动作互联及数据交互:另一方面,与上位监控调度wCS软件进行联网交互,通过定制的标准通信协议进行任务下达与状态回传,完成全自动作业任务。

4快速堆垛机系统样机及测试平台

基于双伺服驱动的快速堆垛机系统样机及测试平台如图10所示。

5结语

基于双伺服驱动的快速堆垛机系统的开发,历经了设计初的仿真分析、方案可行性论证、各种结构/选型配置、品牌比较等环节,设计生产阶段的各项工艺零部件的精准把关,最后在电控单机调试和联机调试中基于大量试验进行优化。经过以上各项技术攻关和优化应用,新一代快准稳的伺服堆垛机得以成功开发并应用于各个物流现场。

本文所述高端堆垛机的开发,将为行业用户带来可观的经济效益和社会效益,进一步促进物流装备的快速发展和技术迭代。另外,感谢开发过程中各位同仁的鼎力协作,感谢供应商如西门子、劳易测工程师们的大力支持。本文也只是抛砖引玉,如有不当之处,敬请批评指正。希望本文提出的一些拙见对设备开发者有借鉴意义。