立體倉庫巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

張曉東 曹 毅 李秀娟

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展和企業(yè)物流規(guī)模的不斷擴(kuò)大，自動化立體倉庫技術(shù)在我國逐步得到了推廣和應(yīng)用。自動化立體倉庫系統(tǒng)使用高層立體貨架存儲貨物，利用巷道堆垛機(jī)和出入庫輸送設(shè)備進(jìn)行貨物存取作業(yè)，具備計算機(jī)信息識別、監(jiān)控、管理等功能［1－2］。立體倉庫具有提高物流效率、充分利用存儲空間、減輕工人勞動強度、合理進(jìn)行庫存和生產(chǎn)決策等優(yōu)點。以功能先進(jìn)的自動化立體倉庫技術(shù)替代傳統(tǒng)的平面庫房式存儲模式已經(jīng)成為現(xiàn)代物流行業(yè)的發(fā)展趨勢［3］。

近年來，電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)特別是嵌入式技術(shù)的飛速進(jìn)步，為立體倉庫巷道堆垛機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持［4－5］。如何利用功能強大的嵌入式處理器改進(jìn)傳統(tǒng)的巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為有關(guān)廠家重要的研究課題［6］。

本文以自動化立體倉庫實體模型為例，詳細(xì)探討了基于ARM處理器的立體倉庫巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計及其實現(xiàn)過程。

1 系統(tǒng)總體方案

巷道堆垛機(jī)是自動化立體倉庫的核心存取設(shè)備，其主要機(jī)構(gòu)包括行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)、立柱及機(jī)架、電氣及安全聯(lián)鎖保護(hù)機(jī)構(gòu)等［7－8］。為了對基于ARM處理器的立體倉庫巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究和驗證，需要建立立體倉庫實體模型。為此，筆者所在的團(tuán)隊設(shè)計制作了一部單一巷道的多層立體倉庫模型。在該自動化立體倉庫實體模型中，設(shè)置了一臺單立柱巷道堆垛機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 巷道堆垛機(jī)示意圖Fig.1 Schematic of the roadway stacker

堆垛機(jī)主要由水平機(jī)構(gòu)、垂直機(jī)構(gòu)及伸叉機(jī)構(gòu)三部分組成，分別完成堆垛機(jī)的水平行走、載貨臺的垂直升降和貨叉伸縮的三自由度運動。水平、垂直和伸叉機(jī)構(gòu)的運行分別由X軸、Y軸和Z軸的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動具有自鎖功能的絲杠完成。

為使巷道堆垛機(jī)快速、準(zhǔn)確地將貨物送入立體倉庫的相應(yīng)倉位并確保存取貨物時的準(zhǔn)確性、安全性，系統(tǒng)對堆垛機(jī)運動位置的控制可靠性有較高的要求。需要實現(xiàn)的具體控制目標(biāo)包括:堆垛機(jī)控制系統(tǒng)具有自動和手動控制功能;能根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的控制指令作出相應(yīng)的存取動作;系統(tǒng)具備安全聯(lián)鎖保護(hù)功能。為此，采用Philips公司基于ARM7 TDMI-S內(nèi)核的LPC2131型ARM處理器作為核心控制器，采用高精度、高穩(wěn)定性的42BYGH5403型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)及SJ-220型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器作為其執(zhí)行元件，構(gòu)建了巷道堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the stacker control system

在實際運行時，ARM控制器接收遠(yuǎn)程上位監(jiān)控管理計算機(jī)或現(xiàn)場專用鍵盤輸入的控制指令并響應(yīng)執(zhí)行，輸出PWM脈沖寬度調(diào)制信號給電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī);利用絲杠帶動工作臺在導(dǎo)軌上作三維立體運動，完成貨物在立體倉庫的自動存取。與此同時，使用非接觸式光電傳感器檢測立體倉庫倉位的行、列信號;使用多個限位開關(guān)確保水平行走機(jī)構(gòu)、載貨臺升降和貨叉伸縮的限位保護(hù)，避免堆垛機(jī)各方向的運動范圍超出安全區(qū)域。

2 硬件電路設(shè)計

ARM微處理器是整個堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的核心。微處理器選用了16/32位的ARM7 TDMI-S內(nèi)核的LPC2131芯片，它集成了16位的Thumb擴(kuò)展指令集，CPU運行頻率高達(dá)60 MHz。該芯片內(nèi)部集成了8 kB片內(nèi)靜態(tài)RAM、32 kB片內(nèi)Flash存儲器、看門狗定時器、2個32位定時器、1個8路10位A/D轉(zhuǎn)換器、多達(dá)47個可承受5 V電壓的通用I/O接口以及可提供6路PWM通道輸出的PWM單元。其小型化的LQFP64封裝形式和極低的運行功耗使得LPC2131微處理器特別適合應(yīng)用于立體倉庫巷道堆垛機(jī)等工業(yè)控制領(lǐng)域［9－10］。

在巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中，LPC2131微處理器使用3.3 V的電源供電，微處理器的各個GPIO接口引腳也使用3.3 V的TTL電平，而且最高可以承受5 V的電壓。SJ-220型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器可分別接收直流5 V、12 V(外接 680 Ω 電阻)和 24 V(外接 1.8 kΩ 電阻)的外部電壓輸入信號。因此，可將LPC2131微處理器的GPIO管腳與SJ-220型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的CP步進(jìn)脈沖信號端直接相連，接收GPIO輸出的最高5 V的雙邊沿PWM脈沖寬度調(diào)制信號，而不需要額外加裝外接電阻。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

巷道堆垛機(jī)需要使用42BYGH5403型步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件來驅(qū)動工作臺在導(dǎo)軌上做三自由度運動，因此，LPC2131微處理器需要將3個非重疊的PWM脈沖寬度調(diào)制信號輸出給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，并對3個PWM信號的脈寬和位置進(jìn)行獨立控制。使用LPC2131微處理器產(chǎn)生PWM脈沖寬度調(diào)制信號的流程如圖3所示。

圖3 PWM信號產(chǎn)生流程圖Fig.3 Flow chart of the PWM signal generation

LPC2131芯片的脈沖寬度調(diào)制器建立在標(biāo)準(zhǔn)定時器和7個匹配寄存器之上，可同時實現(xiàn)6個單邊沿PWM信號或3個雙邊沿PWM脈沖寬度調(diào)制信號的控制輸出。在本設(shè)計中，采用3個非重疊的PWM信號并同時產(chǎn)生正負(fù)脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。

PWM脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生的程序流程確定之后，接下來利用ARM Developer Suite v1.2集成開發(fā)環(huán)境編寫了生成雙邊沿PWM脈寬調(diào)制信號及具備手動和自動兩種操作模式的下位機(jī)軟件代碼;同時使用AXD Debugger調(diào)試器對代碼進(jìn)行了編譯調(diào)試。試驗測試表明，巷道堆垛機(jī)無論在手動還是自動模式下都能夠靈敏、可靠地完成貨物在立體倉庫實體模型倉位中的模擬存取動作，并具備倉位檢測、系統(tǒng)急停、動作限位、載貨臺回零等功能，基本完成了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié)束語

本文針對自動化倉儲系統(tǒng)的作業(yè)需求，設(shè)計實現(xiàn)了基于Philips公司LPC2131型ARM微處理器的巷道堆垛機(jī)控制方案。詳細(xì)給出了以ARM微處理器為核心、以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件的巷道堆垛機(jī)總體方案和硬件電路設(shè)計，并討論了堆垛機(jī)軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。

實際測試效果表明，該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了巷道堆垛機(jī)安全、可靠的運行，滿足了自動化倉儲系統(tǒng)存取貨物的作業(yè)需求。將該堆垛機(jī)控制系統(tǒng)稍作改進(jìn)后可以廣泛應(yīng)用于立體車庫、糧食、冶金、制造等領(lǐng)域的物料存儲與堆垛作業(yè)。

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