基于FMS的立体仓储堆垛机控制系统研究与设计

2021-09-18 10:14| 发布者: http://www.daoteng56| 查看:

摘要: 针对FMS多品种变批量的加工特点,首先阐述了单柱巷道式堆垛机的机构及组成,通过路径规划与库区分配优化、货位分配优化和行驶时间优化,实现堆垛机快速准确移动。针对堆垛机的运行策略,分别设计和实现了堆垛机单机运行、在仓储管理系统中的运行和FMS联机运行。系统运行结果表明,该设计方案合理、可靠、高效。 ...

0 引言

随着科技的发展和人们日益增长的物质需求,现代化企业生产规模越来越大,各种自动化的生产设备和生产线应用到工业生产系统中,极大地缩短了生产时间,提高了生产效率。但是原料的供给和成品的存储与生产速度和总量之间的矛盾也随之而来[1] 。为了提高生产效率,物料的供给要与生产线的加工速度相匹配[2] 。以柔性制造系统(FMS)为研究对象,在分析仓储系统相关技术的基础上,对单柱巷道式堆垛机控制系统进行了具体设计。在柔性制造系统中,多种加工设备联动运行,所用原料和加工成品的数目多、种类杂,需要仓储系统物料进行有效存取[3] ,这就需要对堆垛机的控制系统进行合理的设计。

1 立体仓储堆垛机系统组成

在柔性制造系统中,堆垛机在高层货架巷道内平行或垂直移动,将位于仓库入库平台的原料或者产品放在托盘上运送至货格,或者将货格内的原料或成品运至仓库出库平台,由辊筒流水线将其送至加工设备[4] ,是柔性制造系统中承担仓储和物流功能的主要组成单元。堆垛机由运行机构、升降机构、伸缩机构、电源与控制机构和机架等部分组成。
根据现场加工要求和条件,立体仓库货架数目为2排,高度为2.5m,长度为5m,仓格数目为100(包括1个入库仓口和1个出库仓口),仓格尺寸为0.5m×0.4m。堆垛机为单柱巷道式,立柱高度为2.45m,载物台额定载物为35kg。堆垛机控制器选取固高公司CPAC四轴一体化点位运动控制器GUC-400-TPV-M01-L2[5] 。Y和Z方向选取松下伺服电动机,并配备伺服控制器,通过四芯电缆与控制主机通讯,X方向货叉使用YKA2608 MC等角度恒力矩细分型高性能步进驱动器控制步进电机[6] 。堆垛机控制系统构架如图1所示。
图1 立体仓储堆垛机控制系统图1 立体仓储堆垛机控制系统   下载原图
 

2 堆垛机移动路径规划与优化

为了快速准确地实现堆垛机移动,路径规划是一个重要的因素[7] 。本文设计的立体仓库是一个20列5层的双排立体仓库,堆垛机位置坐标如图2所示。
图2 立体仓库堆垛机位置坐标图2 立体仓库堆垛机位置坐标   下载原图
 
在产品入库时,要使目标库位(xi,yi,zi)与入库口(x1,y2,z2)的距离最小。在出库时,要使目标库位(xi,yi,zi)距离出库口(x1,y7,z2)的位置最小。由于不同库位存放的物料种类不同,需要在入库时标记库位种类属性。入货口和出货口分别与辊筒流水线相连。设定仓库货位的高度为H和宽度为L,并将离巷道口最近的列记为第1列,最底层记为第1层,处于第i排第j列k层的货位记为(i,j,k)(i=1,2,…,I;j=1,2,…,J;k=1,2,…,K)。在设计中采取随机存储策略,其优化主要包括库区分配优化[8] 、货位分配优化和行驶时间优化等。

2.1 库区分配优化

库区分配优化的目的,是使货品Im尽可能地存放在距离仓库入口最近的货位。
Q为货位(i,j)上的货品Im所分配的货位ijk乘积之和。

2.2 货位分配优化

货位分配优化的目的,是使货物质量mijk较大的货品尽可能地存放在较低的货架,以达到降低货架的重心,保持货架稳定的目的。
S为货品所在层与质量mijk的商乘积之和。取货时则应尽可能地从高处取货,以保持货架的稳定。

2.3 行驶时间优化

行驶时间优化的目的是选择合理的路径和拣选次序,使堆垛机尽可能地以较短的行驶时间完成货物的入库和出库操作。为了简化计算,如果忽略堆垛机的启动和制动时间、货叉的伸缩时间、货物上下堆垛机的搬运时间,并假设货位之间的距离足够长能够使堆垛机以最大水平速度vx和最大垂直速度vz运行,则行驶时间优化可描述为:
T为一个命令周期堆垛机完成货物的入库和出库操作所需的时间。
在具体的软件设计中,考虑到以上3个主要的优化因素,就可以保证堆垛机快速准确地实现移动与出入货物。

3 立体仓储堆垛机系统控制策略及软件设计

堆垛机本身依靠运动控制器进行动作,但是由于其只是FMS中一个环节,所以还要受到任务调度系统的控制[9] 。针对堆垛机在FMS系统中的地位与作用,在进行控制程序设计时,应包括3个层次的控制。CPAC运动控制器、堆垛机本体、触摸屏和X/Y/Z方向控制电机及驱动器组成堆垛机单机运行系统;再结合服务器、数据库和仓储管理程序组成仓储管理控制系统;以上部分结合柔性制造系统中其他加工设备,和流水线、检测设备、生产管理系统组成联机运行控制系统。3个层次构架如图3所示。
图3 堆垛机分层管理策略图3 堆垛机分层管理策略   下载原图
 

3.1 堆垛机单机运行控制策略

当堆垛机单机运行时,主要是对X,Y,Z方向的异步电动机进行控制,实现回零调整、移库等功能。本文使用WinCC组态软件设计控制界面[10] ,通过触摸屏操作,实现对堆垛机回零、移库等操作。控制软件界面如图4所示。
图4 立体仓储堆垛机单机控制软件界面图4 立体仓储堆垛机单机控制软件界面   下载原图
 

3.2 堆垛机在仓储管理系统中的控制策略

仓储管理系统的主要作用是实现加工原料和产品的入库、出库和移库等功能。此时堆垛机需要与仓储管理系统通过服务器进行连接,在仓储管理系统中实现既定功能。本论文通过构建仓储管理软件,优化堆垛机移动路径,实现快速、准确操作。通过符合IEC61131-3工业控制语言的组态软件固高OtoStudio软件,编写任务解析控制程序,对运行环节中各设备的时间和工序进行合理规划,并设计仓储管理控制程序,实现仓储科学有效管理。仓储管理系统软件界面如图5所示。
图5 仓储管理系统软件界面图5 仓储管理系统软件界面   下载原图
 

3.3 堆垛机在FMS联机运行系统中的控制策略

FMS由于自身柔性加工的特点,加工数量和种类变化多样,控制程序也较普通固定程序自动化流水线复杂,因此在进行联机操作时,既要保证仓库有件可取,也要保证产品有位可放。本套FMS可以同时进行金属材料复杂形体精加工、金属件焊接、水晶玻璃内调和亚克力板雕刻等,因此对于原料的存放和提取的要求很高。通过固高OtoStudio编程软件编写FMS生产管理系统,可以进行任务调度。生产系统管理软件界面如图6所示。立体仓储堆垛机如图7所示。
图6 FMS生产管理系统软件界面图6 FMS生产管理系统软件界面   下载原图
 
图7 立体仓储堆垛机实物图7 立体仓储堆垛机实物   下载原图
 

4 结束语

根据FMS中堆垛机的具体参数要求,通过对堆垛机分层控制策略的分析与设计,实现堆垛机单机运行、仓储管理控制和运行、FMS联机运行等功能。运行结果与实践表明,堆垛机运行效果良好,效率高,能够完全保证生产运行。