垂直提升货柜托盘的准确定位

0 引言

近年来，随着国内物流仓储行业的发展，对自动仓储设备的需求明显[1]，垂直提升货柜的需求日益增大。德国Hanel是工业仓储领域的顶级制造商，来自Hanel的Markus Jung先生接受物流搜索采访时说：中国是他们位于欧洲之外最重要的市场，尤其在当前金融危机的大环境里，相比动荡的欧洲市场，中国市场更加具备投资吸引力，不管是政府财政数据，还是银行资信，中国具备有利环境[2]。使用自动化仓储技术可以充分提高物流环节的运作效率。我们在物流仓储行业具备一定的竞争力，客户选择我们的产品无疑是因为我们的产品具有更高的性价比，所以，解决关键技术，提高产品质量符合发展规律，能够促进我们的长远发展。垂直提升货柜的托盘准确定位技术是其关键所在。

1 垂直提升货柜的运动特点

垂直提升货柜的垂直运动和托盘的水平运动均采用NORD的减速电机驱动和交流变频调速器控制，实现电机的软启停，使提取车的运动平稳可靠、定位准确。提取车采用4条链条悬挂，保证小车不会倾斜，并有四根立柱作为导轨，承载重量较大，属于目前最安全、可靠的传动系统；采用杭州东华高强度链条，抗拉强度15倍于最大载荷，链条寿命达10年；悬挂链条经过预拉伸及特殊润滑处理，长期使用无需添加润滑油。提升货柜采用测高标尺和槽形光电开关，可以直接实现提取车的绝对位置精确定位，定位精度小于1 mm；提升货柜的测高标尺采用激光切割加工而成，加工精度可达到0.1 mm；测高标尺从货柜的底部一直安装到货柜顶部，以绝对位置的定位方式可实现提取车的精确定位；提取车的定位采用两个槽形光电开关控制，一个实现提取车的定位，另一个实现位置的校验功能，保证了提取车定位的精确性，见图1。

托盘作为垂直提升货柜的存储单元，通过提取车的升降和水平运动，将存放货物的托盘取出和送到柜体内合适的货位；在升降运动中，托盘的定位必须准确，才能实现货物的顺利存放，保证货柜的正常运行；否则会造成传动机构无法存取货物，影响存储效率。如何实现托盘的准确定位问题，是设计和设备调试中必须考虑的。在设计中与托盘定位相关的因素有：货格与测高标尺的间距、货物的测量高度。在设备调试中与托盘定位相关的因素有：提取车的运动延迟、减速电机的转矩频率、变频器的主要参数设置。

图1 提取车的位置控制

2 货格间距与测高标尺齿间距

货格间距的整数倍须等于货柜中托盘之间的距离，测高标尺的齿间距则决定了托盘的相对停止位置。例如第一个托盘的存放位置为H1，存储的货物占一个货格，第二个托盘的存放位置为H2，货柜间距与测高标尺齿间距存在很大的关系，可以通过实验得出结论。实验一：货柜间距为75 mm，测高标尺齿间距为80 mm，托盘的存放状态，见图2。实验二：货柜间距为75 mm，测高标尺齿间距为70 mm，托盘的存放状态见图3。实验三：货柜间距为75 mm，测高标尺齿间距为75 mm，托盘的存放状态见图4。实验结果：图2说明托盘的实际位置比准确位置高出5 mm，图3说明托盘的实际位置比准确位置低5 mm，图4说明托盘的实际位置与准确位置相差0。由此实验得出结论：齿间距>货柜间距时，托盘无法顺利存放，存在高度差；齿间距<货柜间距时，托盘无法顺利存放，存在高度差；齿间距＝货柜间距时，托盘可以顺利存放，高度差为0。

3 货物的测量高度

储存货物时，入口处备有自动测高装置，检测所存物品的高度，自动安排柜体内存储空间。以货柜间距为75 mm，货物高度100 mm为例，待存放托盘为托盘1，在货柜的A货格和C货格处已经存放有托盘2和托盘3。如果自动测出的货物高度占一个货格，此托盘的存放状态见图5。如果自动测出的货物高度占两个货格，此托盘的存放状态见图6。图6说明托盘1定位在B货格，但货物与托盘3相干涉；图5说明托盘1定位在D货格，可以顺利存放。由此得出：货物的测量高度必须准确，否则严重影响到托盘的准确定位。

图5 托盘的存放状态

图6 托盘的存放状态

4 提取车的运动延迟

由于提取车的运动靠三相异步电机驱动、变频器调速，为使提取车的运作连贯柔和，达到很好动态特性，我们根据提取车的运动控制特点，作出提取车的位置－速度曲线，见图7；在此图中，如果要求更好的动态特性曲线，可以进行斜坡修整［3］。提取车的位置是利用PLC及光点槽形开关传感器检测来实现的，必然会造成位置控制的延迟，所以要实现托盘的准确定位，必须调整提取车的上升延时和下降延时。

图7 位置-速度曲线

5 减速电机的转矩频率与变频器的主要参数设置

提取车的运动分为上升运动和下降运动。上升过程要满足以下要求：1）电机的最高转速需要达到额定转速的1.4倍。可以使用变频器调速，即将变频器设为70 Hz。2）小车上升时可以提升300 kg的负载。可以通过选择减速电机的输出转矩，而且考虑上升时需要克服一定的摩擦力，应合理选择电机参数满足这一要求。3）电机在提升300 kg负载的情况下，可以达到要求的转速：额定转速的1.4倍。电机变频调速，由0 Hz上升到70 Hz时，需从15 Hz到额定转速50 Hz，恒扭矩输出段；再从50 Hz加速到70 Hz，恒功率输出段。电机起动后，电磁转矩逐渐增大，转速越来越高，很快越过最大转矩，然后随着转速的升高，转矩又逐渐减小，直到负载转矩时，电机就以某一转速稳定运行。由此可见，只要异步电机的起动转矩大于负载转矩，一经起动，便会迅速进入机械特性的稳定区运行。

通过实验，电机在15 Hz启动时，可以带动300 kg的负载，变频器最高转速设为70 Hz时，变频器过流保护，变频器本身是有过流限速功能的，暂时不升速。解决办法：1）延长升降速时间，但一般要不过流，升降速时间尽量短以提高效率。2）加大电机功率和变频器功率，以满足低速运行。3）当高速运行时要注意电机在高速离心力下是否能承受，普通电机的转子离心机械强度是按额定转速设计的。对直径较大的电机，不要使用到额定转速的1.5倍以上；否则就有危险，应选用专门的变频电机。4）变频器在低速时，因定子漏抗和定转子电阻的影响，使转矩输出不足，实际负载又对变频器输出转距的要求不一，实际使用中往往要作转矩的提升或补偿:可按变频器使用手册设定需要的形状。5）需要指出的是：任何转矩的提升是以提高电流为代价，不应造成不恰当的过电流，加大一挡要检查电流是否太大，更不能跳闸。6）提取车的下降过程除满足第一点和第二点要求外，同上升过程。还要满足一点要求：电机在承载300 kg负载的情况下，可以达到要求的转速，托盘停在准确的位置。提取车的调试中，我们做了以下实验。

实验步骤：首先托盘承载300 kg，变频器低速为15 Hz，高速70 Hz，提取车开始上升，在停止的瞬间出现了下滑现象，下滑距离为5 mm；将变频器低速设为12 Hz，其它参数不变，提取车在停止瞬间仍然出现下滑，下滑距离为5 mm；抱闸时间由0.5 s缩短为0.3 s，提取车上升，在停止瞬间仍出现下滑，下滑距离为5 mm。实验结果：经过改变低速的大小、抱闸时间，没有改善提取车停止时的瞬间下滑。分析：采用电磁制动时会产生一个延迟响应时间，由于在提取负载之前存在制动延迟，这在提升应用中会导致负载的溜车[3]。当电机转速为0时，变频器发出制动信号，提取车由于惯性会下降一段距离。如果提前发出制动信号，提取车不会惯性下滑，会迅速停住，从而实现托盘的准确定位。如果下降已经开始、才发出制动信号，便无法停在准确位置。因此要达到迅速制动目的，必须采用提前制动。通过分析，改变制动时间的设置，重新做提取车的上升实验，实验结果是在停止的瞬间不再下滑，即下滑距离为0，实现了托盘的准确定位。

由上看出：为满足负载和转速的要求，减速电机的功率、扭矩、输出转速必须合理选择。实现托盘的准确定位，则须考虑变频器的参数，而且要与减速电机的主要参数相匹配。

6 结束语

文中分析了影响托盘准确定位的主要因素，并经实验做了验证，托盘准确定位技术可以用于垂直提升货柜和联体提升货柜托盘定位部件的设计和设备调试中，只有解决了托盘的准确定位，才能实现货物的顺利存放，提高存储效率，真正实现“由货到人”的物流存储方式。伴随自动货柜在国内的推广，顾客需求开始呈现理智化、多样化的特点，由要求提供单一产品向提供解决方案转变；随着产品应用范围的扩大和相关技术的发展，满足市场多元化需求、提高货柜品质应是开拓市场的前提和条件。