激光测距仪和激光条码定位技术在自动存储系统工程中的应用
1 概述
堆垛机普遍用于部队、医药、机械、柔性线、仓储物流、港口、机场、商业以及高新科技等各货物量密集、存储量大的领 域作为仓库储存、搬运货物之用。可有效减轻劳动强度,提高空间利用率,降低储运费用,提高企业管理水平。浙江省烟草公司绍兴市公司卷烟配送中心高架货库系统 中的堆垛机是烟草配送中心立体化仓库的存储单元的关键设备, 设备 共 3 台设 备全高 21 600 mm , 水平运行长度为83 900mm, 水平运行速度为 160m/min,垂直升降速度 45m/min ,货 位 3840 个 ,每个货位可承载 外形尺寸为304mm×1 025mm×1 949mm、重700kg 的货物,每个货位之间约为 100mm。由于进出货物频繁,存储量大,摆放密集,因此, 需要先进的工艺设备及自动化管理为客户提供安全、快捷、完善的仓储服务。要求堆垛机必须全自动化,定位停准精度高, 存取货物准确无误,故障率小。所以堆垛机系统设备的准确定位成了设备设计的关键,具有重要决定意义。通过对位置定位系统的详细考察、分析、比较,我们决定采用激光测距仪定位 + 条码定位系统 + 旋转编码器作为定位的测距定位系统。该系统在实际使用中获得巨大成功,取得良好效果。
2定位系统的确立
2.1堆垛机工作方式
堆垛机是立体仓库成套设备中的主机设备,与高层货架、 出入库工作台或出入库系统设备配套使用。在导轨上运行,能够在三维空间上(行走、升降、两侧向伸缩)按照一定的顺序组合进行反复运行,以完成集装单元或拣选货物的出入库搬运作业。堆垛机需要三维空间上的定位,水平往复行走定位,垂直升降定位,货叉两侧伸缩定位。
2.2定位精度要求
根据堆垛机运行技术及客户要求,堆垛机设计为:水平往复行走重复定位(X 向), 精度±3 mm;垂直升降重复定位(Y 向), 精度±3 (mm);货叉两侧伸缩重复定位(Z 向),精度±3 (mm);才能保证设备良好的运行。因此,堆垛机三维空间定位精度控制是设备能否成功运行的重要保证,设备定位系统的设计、选型必须满足上述要求,才能实现既定目标。
2.3定位技术的采用
在 20 世纪七八十年代,传统的堆垛机的定位系统大多采用编码器+ 开关的定位方式。旋转编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转, 经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。这种方式用于曲线运动,不仅定位精度差, 而且还需要安装限位开关辅助,或者安装许多的定位点,大距离的定位精度很难掌握,安装很不方便,对安装技术要求高, 且定位距离有限制,一旦断电或重新开机,设备必须从基础零点初始化才能运行,故障维修率高。
随着激光定位技术的发展和广泛应用,越来越多的物流 仓储系统、汽车行业、自动化行走系统纷纷采用激光测距定位系统,实现了大型物流仓储系统精确定位的自动化。
激光测距定位系统是激光测距仪利用自身发射的激光对 目标的距离进行准确测定的仪器系统。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光,由光电元件接收目标反射的激光束,计时器测定激光束从发射到接收的时间,计算出从观测者到目标的距离的精确测距定位系统。由于激光定位系统(发 光物体和反射接受元器件)的特性需要,要求测物体平面必须与光线垂直,否则会因为光反射回来的信号强度不够大或返回信号过于微弱而将无法得到精确距离。因此,如果仪器表面 存在灰尘脏污、油脂、霉斑、划痕等,都会损坏光学性能,进而 影响精度或引发故障;同时激光测距定位仪为光、机、电一体 化高精密仪器,使用中要求必须小心轻放,对机械晃动要求严格,严禁挤压或从高处跌落,否则会造成仪器损坏,而无法实 现它的功能。
由于激光测距仪上述特点,现代工厂的大型物流输送系统经常采用激光条码定位系统,它结合旋转编码和激光测距仪的优点,集激光测距与旋转编码器的优势于一身,既可以用于直线运动,也可以用于曲线定位,为现代物流行业的定位与测距带来了新一轮的技术革命。激光条码定位技术由粘于堆垛机垂直立柱上的条码和装于提升机构上的条码扫描仪组 成。条码和扫描仪之间距离 80mm~120mm, 激光条码阅读器通过扫描器条码读取头读取条码当前信息,通过扫描内置软件将转化成位置定位信息,再传递给控制系统 PLC,达到控制的目的定位系统。
激光条码定位系统安装方便,设置容易,无须校准,具有 良好的抗震性和防晃性,条码对灰尘和损伤不敏感,响应时间1ms,精度可达 0.83mm。
基于堆垛机的运行精度要求,结合当前定位系统的发展情况,以及设备运行场地环境的要求,通过实践经验及考察, 决定整机运行采用变频调速,水平方向采用激光测距定位仪, 垂直方向采用激光条码测距定位,货叉定位采用旋转编码器测距定位的方式。
本工程堆垛机采用激光测距器和条码定位仪作为测距测速传感器,结合变频器和 PLC 技术,实现精确的绝对认址及闭环控制,达到具有调速性能优、停准精度高的特点,既满足设 备定位精度的要求,也实现了故障率低、经济、实用的特点。
3安装、调试检验
3.1安装
为了保证激光测距器和条码定位仪作为测距测速传感器安装精度,要求安装时保证如下几点。
1)激光测距仪
(1)检查激光测距仪安装固定板是否水平,水平激光定位仪是否固定牢固。
(2)水平激光测距仪的发光点必须位于反光板中心位置反射板的中心位置,可用激光测距仪的红外线定位器定位。 反光板足够大并且平面度要求度高。
(3)激光测距器发出光线和反光板必须垂直。
(4)安装时一定要轻拿轻放,严禁磕碰、划伤定位仪镜头。
2)条码定位仪
(1)条码粘贴时,一定要保持平直顺滑,严禁褶皱及断裂。
(2)激光条码扫描器要固定结实牢固,光线对正条码中间。
(3)激光条码扫描器和条码的距离要控制在 80mm~ 100mm 之间。
3.2调试检验
为了测试实际定位精度的效果是否满足设计要求,检验安装效果及定位精度,必须进行调试校证,测试不同工况下的各类数据,才能保证设备后续正常运行。采用如下方法进行测 试检验:
1)水平激光测距仪
(1)取水平第一层逐位行走,收集每一个货位激光定位参 数。
(2)取中部层位和高部层位各一层重复上述工作,求取水 平定位平均值。
(3)将数值输入系统内部。
(4)将收集到的每一个货位置行走的定位值与实际位置相比较,给系统补差。
2)垂直激光条码
(1)取垂直一列货位逐层行走,收集每一个货位的定位参数。
(2)将数值输入系统内部。
(3)将收集到的每一个货位行走的定位值与实际位置相比较,给系统补差。
通过空载、实载运行测试及实际货物复合选位作业测量, 实际测量结果远高于设计要求。证明采用激光测距器和条码定位仪作为测距测速传感器作定位系统的效果,其定位精度误差均小于控制精度±3mm 的要求,且运行重复定位精度稳定可靠,达到设计要求。
4实际应用效果
本项目堆垛机设备自 2011 年 10 月投产试运行以来,每日运行上千次,设备运行平稳,状态稳定,定位精度可靠,达到了堆垛机在水平往复行走重复定位(X 向)精度±3mm;垂直升降重复定位(Y 向)精度±3mm;货叉两侧伸缩重复定位 Z 向精度±3 mm 要求。通过 8 个月的运营生产,没有发现一次是因为定位不准而引发的故障,满足了设备的需要,使用效果良好, 证明采用激光测距器和条码定位仪作为测距测速传感器方式,结合变频器和 PLC 技术,实现精确的绝对认址及闭环控制的可行性及其优越性。
5结语
本工程为争创钱江杯工程之一,选用激光测距器和条码 定位仪作为测距测速传感器,将变频器和 PLC 相结合,实现精确的绝对认址及闭环控制,达到具有调速性能优、停准精度高 的要求,解决了堆垛机行走距离长、速度高、定位精度要求高 的难题;垂直向采用条码定位仪,解决了激光测距仪应用上的实际环境条件的限制,满足定位要求;同时避免了后续维修上的困难及相互影响,保证了设备正常运行。
选用激光测距器和条码定位仪作为测距测速传感器,将变频器和 PLC 相结合的技术,实现精确定位,安装简单、调试方便,并且大大降低了施工成本,技术上先进可行。对于其他 类似工程具有借鉴意义。