【正文】 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜作業(yè)功能，要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的信息傳遞有清楚的認(rèn)識(shí)，信息傳遞主要存在于終端控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間。終端控制系統(tǒng)的指令傳送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，指令內(nèi)含倉儲(chǔ)作業(yè)任務(wù)的信息。執(zhí)行機(jī)構(gòu)收到指令后返回應(yīng)答信號(hào)給終端控制系統(tǒng)，以確認(rèn)收到指令。執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成倉儲(chǔ)作業(yè)的任務(wù)之后，發(fā)送結(jié)束信息至終端控制系統(tǒng)；終端控制系統(tǒng)收到該信息后，反饋應(yīng)答信號(hào)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以確認(rèn)任務(wù)的結(jié)束。在執(zhí)行信息傳遞的過程中，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將發(fā)送報(bào)警信號(hào)至終端控制系統(tǒng)，終端控制系統(tǒng)收到信號(hào)后反饋確認(rèn)信息至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜作業(yè)，必須合理地控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輸送系統(tǒng)，使其和終端控制系統(tǒng)之間建立正確、及時(shí)的信息傳遞。把連續(xù)作業(yè)任務(wù)指令存入指針數(shù)組，生成任務(wù)單，終端控制系統(tǒng)依次在任務(wù)單中讀取倉儲(chǔ)作業(yè)指令。在信息傳遞過程中，每次任務(wù)執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)發(fā)送詢問指令，以判斷任務(wù)是否繼續(xù)。如果繼續(xù)，系統(tǒng)發(fā)送新指令至堆垛機(jī)。直到任務(wù)結(jié)束，系統(tǒng)發(fā)出結(jié)束指令。一鍵入庫可以按空貨位和物料名稱兩種方式一次性全部入庫，前者適用于物料種類單一的情況下，可對(duì)同類物料一次性全部入庫，后者適用于物料種類比較多的情況下，可對(duì)不同種類物品的一次連續(xù)性入庫。以前者為例，其編程思路如下：首先，查詢并記錄所有空貨位，如果貨位中已經(jīng)有貨物存放，那么跳過該貨位查詢下一貨位，如果貨位中沒有貨物，則記錄該貨位號(hào)。最后，查詢到需要進(jìn)行入庫作業(yè)的所有倉位號(hào)碼。生成任務(wù)單并添加至指令隊(duì)列。同時(shí)將任務(wù)單信息保存至自定義的類中。控制終端讀取該類中保存的數(shù)據(jù)并發(fā)送至堆垛機(jī)控制系統(tǒng)。(a) 空貨位全部入庫 (b) 按物料名稱入庫 一鍵入庫程序流程圖選擇入庫模式后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成入庫任務(wù)單。該任務(wù)單由控制終端讀取后，發(fā)送指令給執(zhí)行系統(tǒng)，并最終實(shí)現(xiàn)一鍵入庫的功能。 一鍵出庫功能的設(shè)計(jì)同一鍵入庫的方式類似，一鍵出庫分為按照所有貨位和物料名稱全部一次性出庫的方式進(jìn)行。(a) 全部貨位出庫 (b) 按物料名稱出庫 一鍵出庫程序流程圖當(dāng)選擇一鍵出庫的模式時(shí)，控制終端計(jì)算機(jī)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)指令，執(zhí)行一鍵出庫功能。如果需要對(duì)所有貨物進(jìn)行揀選，可將所有貨物全部清倉，然后進(jìn)行揀選，以防止貨物因積壓過期。該功能也適用于同一類型的多個(gè)產(chǎn)品同時(shí)出貨的情況，允許用戶設(shè)定出庫數(shù)量。 揀選入/出庫操作功能的設(shè)計(jì)除了基本的入/出庫操作，自動(dòng)化立體倉庫還經(jīng)常用到揀選作業(yè)。揀選作業(yè)是根據(jù)出庫信息或者訂單，將顧客訂購的物品從倉庫中取出，并運(yùn)送至配貨區(qū)的作業(yè)過程。出庫時(shí)，堆垛機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)的水平距離、垂直距離，選擇合適的運(yùn)行速度，且系統(tǒng)設(shè)置了安全保護(hù)和故障處理的措施。出庫口采用鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)將貨物運(yùn)送至AGV小車，小車把貨物送至分揀臺(tái)，在分揀臺(tái)上由工作人員按照出庫單進(jìn)行分揀。本文在系統(tǒng)中增加了這一功能。堆垛機(jī)的揀選作業(yè)調(diào)度問題可以描述為：出庫信息或者訂單上有n個(gè)揀選任務(wù)，堆垛機(jī)到達(dá)這n個(gè)貨位來執(zhí)行揀選作業(yè)任務(wù)。堆垛機(jī)從零點(diǎn)出發(fā)，依次到達(dá)n個(gè)貨位點(diǎn)，且每個(gè)貨位點(diǎn)不重復(fù)經(jīng)歷，最終回至零點(diǎn)。由此可見，揀選作業(yè)調(diào)度問題本質(zhì)上是求取堆垛機(jī)最短運(yùn)行路徑的問題。采用蟻群算法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度具有較好的效果，因此系統(tǒng)揀選操作中使用了蟻群算法來生成任務(wù)單。由于揀選操作是新增加的功能，故在原有立體倉庫管理系統(tǒng)的界面上增加了“揀選按鈕”。當(dāng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，即可點(diǎn)擊此按鈕，就可以執(zhí)行揀選作業(yè)任務(wù)。 揀選作業(yè)程序流程圖新增揀選按鈕 揀選作業(yè)操作界面 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的研究使用現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制器GT400SV，在不提高設(shè)備成本的情況下，通過調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，改善堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能。本文主要對(duì)堆垛機(jī)的定位和調(diào)速控制進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)的快速定位和調(diào)速，并進(jìn)一步提高倉儲(chǔ)作業(yè)的效率。 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)堆垛機(jī)是FMS系統(tǒng)中重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是輸送系統(tǒng)的核心設(shè)備，決定著整個(gè)出入庫的正常運(yùn)行。對(duì)速度控制的合理與否、定位設(shè)計(jì)是否精確以及故障診斷系統(tǒng)的效果是實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)高效率、高準(zhǔn)確度、高度安全性運(yùn)行的重要因素。堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的性能指針[37]主要包括提升速度、運(yùn)行速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、振動(dòng)與噪音和認(rèn)址精度等幾個(gè)方面。1——下橫梁 2——貨叉裝置 3——載貨臺(tái)4——上橫梁 5——導(dǎo)輪組 6——卷筒 堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)圖堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的功能包括：l 位置控制：為了準(zhǔn)確的存取貨物，堆垛機(jī)必須到達(dá)指定貨位處，且保證停止精度在可允許的誤差范圍。l 速度控制：為了提高作業(yè)效率，防止堆垛機(jī)的沖擊，以確保堆垛機(jī)準(zhǔn)確的停靠精度，需要對(duì)堆垛機(jī)的速度進(jìn)行控制。一般情況下，堆垛機(jī)的速度分為高、中、低三檔。本系統(tǒng)中堆垛機(jī)X、Y方向（）。 堆垛機(jī)坐標(biāo)系示意圖l 貨叉控制：貨叉控制的作用為使得貨叉準(zhǔn)確無誤地取出并放下貨物，貨叉的速度分高檔和低檔兩種。l 控制信息的接收：控制PC機(jī)發(fā)送指令控制堆垛機(jī)和輸送機(jī)作業(yè)，檢測(cè)傳感器和控制系統(tǒng)能夠可靠地進(jìn)行信息傳輸，能夠控制堆垛機(jī)的高速運(yùn)行。l 保護(hù)功能：為了保證堆垛機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行安全，系統(tǒng)中需要多種保護(hù)措施，第一是軟限位，第二是硬限位，第三是橡膠擋塊。軟限位是指移動(dòng)小車在運(yùn)動(dòng)過程中碰到了軟限位，運(yùn)動(dòng)控制器就會(huì)保證電機(jī)不會(huì)再向軟限位方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，保護(hù)了設(shè)備。當(dāng)堆垛機(jī)碰到軟限位時(shí)，不會(huì)造成系統(tǒng)掉電。硬限位是指堆垛機(jī)在異常情況下沖過軟限位，則硬限位被壓下，系統(tǒng)馬上掉電。所以，正常的情況時(shí)硬限位是彈起的，保證系統(tǒng)的正常上電。 堆垛機(jī)的控制 堆垛機(jī)的定位方式堆垛機(jī)的定位方式主要有以下幾種：l 絕對(duì)尋址認(rèn)址法(門牌式)該方式是在行走和升降的各個(gè)位置賦予一個(gè)固有的編碼地址[38]。在各個(gè)地址上加上門牌，堆垛機(jī)靠門牌地址與自身目的地址相比較來決定進(jìn)退升降。該方法尋址準(zhǔn)確，但電路復(fù)雜，加工成本較高，安裝調(diào)試難度較大。l 相對(duì)計(jì)數(shù)定位法(計(jì)數(shù)法)該方式以計(jì)數(shù)方式表示堆垛機(jī)X方向和Y方向的實(shí)際走過的路程。貨位參數(shù)按照貨架列數(shù)和層數(shù)來確定各個(gè)貨格的地址[39]。堆垛機(jī)計(jì)數(shù)器記錄下標(biāo)的層、列號(hào)，在沿巷道運(yùn)行時(shí)，每經(jīng)過一列計(jì)數(shù)一次，在達(dá)到一預(yù)定數(shù)值之后開始減速，確保到達(dá)目標(biāo)地址時(shí)停止。該方法的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單易行。其缺點(diǎn)是由于外界因素干擾可能引起計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。在實(shí)際應(yīng)用中可以在PLC軟件控制程序中加以保護(hù)，即根據(jù)堆垛機(jī)每經(jīng)過一個(gè)貨格的時(shí)間設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)超過閾值范圍時(shí)則報(bào)警并停止作業(yè)，從而有效地減少計(jì)數(shù)的錯(cuò)誤。l 編碼器定位法編碼器定位方式主要有兩種：從動(dòng)輪與軌道旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)測(cè)定方式、鏈輪與鏈條旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)測(cè)定方式。堆垛機(jī)的從動(dòng)輪上配有同軸旋轉(zhuǎn)編碼器，從動(dòng)輪與軌道近似純滾動(dòng)。因此通過對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換，可以得到堆垛機(jī)的相對(duì)運(yùn)行位置。目前市場(chǎng)的編碼器都具有較高的分辨率和抗干擾性，通常情況下可滿足堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)的精確定位需求。l 激光測(cè)距定位近年來，一種新的可用于巷道堆垛機(jī)行走方向上精確定位的新技術(shù)—激光測(cè)距技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。激光測(cè)距定位方式是通過激光發(fā)射器將激光發(fā)射到規(guī)定距離的反射板上，然后根據(jù)激光發(fā)射器與反射板距離的變化來測(cè)出實(shí)時(shí)變化距離。激光測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，不易產(chǎn)生跳鏈[40]。 本系統(tǒng)的尋址方法采用相對(duì)地址式(計(jì)數(shù)式)。 堆垛機(jī)的速度控制速度控制包括啟動(dòng)初期的加速、移動(dòng)過程中的勻速以及即將到達(dá)目的位置時(shí)的減速控制。堆垛機(jī)的速度控制系統(tǒng)中對(duì)單軸有四種運(yùn)動(dòng)控制模式：S曲線模式、梯形曲線模式、速度控制模式、電子齒輪模式。由于常用的模式在終止點(diǎn)的定位精度差，速度跟蹤平穩(wěn)性不高。而S曲線可以很好的提高位置精度，并且它改善了運(yùn)動(dòng)過程中的速度跟蹤的性能，運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性較好[39]。所以，本系統(tǒng)的速度控制采用S曲線模式[41]。 (a) 速度曲線 (b) 加速度曲線 S曲線速度圖(a)中：第1階段，表示加速度從零開始，堆垛機(jī)以設(shè)定的最大加速度為目標(biāo)，以加加速度遞增，直到達(dá)到最大加速度為止；第2階段，(b)所示，堆垛機(jī)按已達(dá)到的最大加速度加速至下一階段；第3階段，堆垛機(jī)按負(fù)的加加速度使加速度減為零值，加速度達(dá)到最大值；第4階段，堆垛機(jī)開始勻速運(yùn)行階段，加速度和加加速度都為零；第7階段，分別類似于1階段，區(qū)別是以相同的加速度做減速運(yùn)行。 系統(tǒng)速度控制器的設(shè)計(jì)。 速度控制框圖該系統(tǒng)是典型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，虛線框中的速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的功能通過設(shè)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。其中，電流環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，使系統(tǒng)抗干擾能力增大。速度環(huán)用于根據(jù)指令速度調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，在Panasonic伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，選取MBDDT2210型號(hào)的伺服驅(qū)動(dòng)器，用設(shè)定好的參數(shù)Pr11和Pr12來給出速度環(huán)增益和積分時(shí)間常數(shù)；位置環(huán)包括位置PID調(diào)節(jié)和速度、加速度前饋。位置環(huán)的作用是根據(jù)采樣回來的位置偏差來發(fā)出指令調(diào)節(jié)電機(jī)速度，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確定位和回零；速度環(huán)和電流環(huán)分別在速度控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模式下發(fā)揮作用[42,43]，因此在運(yùn)動(dòng)控制器采用的速度控制模式中，主要由速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)。，數(shù)字伺服濾波器的輸出見式()、()： () ()其中，分別表示比例增益、積分增益、微分增益、速度前饋增益和加速度前饋增益。速度控制器中采用了PID調(diào)節(jié)器加數(shù)字濾波器，主要是用于計(jì)算控制輸出信號(hào)，采用速度和加速度前饋，即PID+濾波器。通過調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，該控制器能夠?qū)ο到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確而穩(wěn)定的控制。控制器與濾波器的參數(shù)則可以由控制終端來設(shè)置。 控制器與濾波器的參數(shù)取值范圍符號(hào)名稱參數(shù)取值范圍Kp比例增益0~32767Ki積分增益0~32767Kd微分增益0~32767Lim誤差積分限0~32767Kvff速度前饋增益0~32767Kaff加速度前饋增益0~32767B輸出靜差補(bǔ)償32768~32767 堆垛機(jī)速度控制的仿真研究直接在設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)的調(diào)整而影響設(shè)備的功能，甚至可能會(huì)造成不可預(yù)料的破壞。因此，選用MATLAB來進(jìn)行仿真。[4450]，對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次給定不同的PID參數(shù)，觀察電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩情況。給定系統(tǒng)初始值，，目標(biāo)速度為4，目標(biāo)位置為140000，采樣時(shí)間為200。取階躍信號(hào)作為輸入。實(shí)驗(yàn)過程采用試湊法，過程如下：把PID的參數(shù)設(shè)定為Kp=1，Ki=0，Kd=0。然后驅(qū)動(dòng)使能，觀察電動(dòng)機(jī)的情況，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)靜止。設(shè)定好S曲線控制模式，實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)動(dòng)，然后設(shè)定軸的運(yùn)動(dòng)。增加Kp的值，更新運(yùn)動(dòng)控制器的參數(shù)，直到發(fā)現(xiàn)軸開始輕微振蕩，則停止增加Kp。[51]，更新參數(shù)，然后觀察系統(tǒng)的超調(diào)量，此處可以通過速度曲線來看出超調(diào)量，發(fā)現(xiàn)超調(diào)量過大，則要增大Kd的值，直到系統(tǒng)的超調(diào)量逐漸減小。Ki的值是由目標(biāo)位置和當(dāng)前位置的誤差來決定的，如果誤差過大，則增加Ki的值，刷新參數(shù)，直到達(dá)到理想狀況。 (a) kp=0，ki=0，kd=0 (b) kp=10，ki=0，kd=5(c) kp=8，ki=5，kd=30 (a) kp=30，ki=0，kd=0 (b) kp=10，ki=0，kd=5 (c) kp=8，ki=5，kd=30 跟蹤目標(biāo)位置曲線 最佳參數(shù)下的速度曲線經(jīng)過多次仿真后，改變PID參數(shù)的原則是先調(diào)內(nèi)環(huán)（速度環(huán)），再調(diào)外環(huán)（位置環(huán)）。剛開始時(shí)取參數(shù)0，可觀察到軸沒有運(yùn)動(dòng)，然后按照試湊法的步驟逐漸增大Kp，最后當(dāng)軸有較大震動(dòng)的時(shí)候，改為增加Ki的值。(c)所示，可以看出，跟蹤曲線基本沒有誤差，可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)控制，記錄此時(shí)的PID參數(shù)為，Kp=8，Ki=5，Kd=30。 堆垛機(jī)速度控制的實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)包括兩臺(tái)交流伺服電機(jī)，一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。分別用來控制堆垛機(jī)的X、Y、Z三個(gè)方向。X、Y是堆垛機(jī)行進(jìn)過程中的前后和左右方向，分別由兩臺(tái)伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，Z方向是堆垛機(jī)的貨叉的上升和下降的方向，由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。 速度控制模式時(shí)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)線接線圖采用PID+數(shù)字濾波方式來控制交流伺服電機(jī)，對(duì)伺服電機(jī)直接的控制信號(hào)是通過數(shù)字濾波器和PID調(diào)節(jié)后來作為伺服電機(jī)的控制輸入。通過上面實(shí)驗(yàn)仿真可知：Kp保證系統(tǒng)可以快速響應(yīng)輸入信號(hào)，但該值過大會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定[52]。Ki可消除系統(tǒng)誤差，使輸出值精確，但如果太大會(huì)有過大的超調(diào)量，造成低頻振蕩。Kd能夠消除系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的過大超調(diào)量[53]，使系統(tǒng)可較快趨于穩(wěn)定。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制采用的是開環(huán)控制，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度的時(shí)候可以直接對(duì)電機(jī)的頻率進(jìn)行控制，電機(jī)的頻率越大，則速度越大，而對(duì)頻率的控制，就可以使得頻率的值和前面所講的速度控制曲線的走勢(shì)保持一致，就可以達(dá)到控制速度的目的[54]。運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制模式有兩種[55]，一種是脈沖/方向控制，一種是正脈沖/負(fù)脈沖控制。一般常采用第一種控制模式。若要是用位置/速度控制模式來進(jìn)行研究，需要把驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)Pr02設(shè)置為3。 控制器流程圖，控制器需要設(shè)定的參數(shù)有目標(biāo)位置、目標(biāo)速度和目標(biāo)加速度以及計(jì)算周期[56]，各變量之間關(guān)系見式 () () ()其中Pos，Vel，acc分別是目標(biāo)位置、目標(biāo)速度和目標(biāo)加速度。 運(yùn)動(dòng)控制器參數(shù)設(shè)置界面按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行編程，保證速度控制系統(tǒng)對(duì)交流伺服電機(jī)的控制取得最優(yōu)。這樣，堆垛機(jī)的速度控制就可以得到很好的保證。 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及報(bào)表打印功能設(shè)計(jì) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建本文