课题名称：湖南铁路科技职业技术学院院级课题“自动化立体仓库核心设备—堆垛机的关键技术与特性研究”
（编号HNTKY-KT2017-6）
摘要：仓储是现代物流的重要组成部分，高效、合理的仓储能加快物资流动、降低物资成本并可对资源进行有效的控制和管理。在仓储行业，占地面积小、存取效率高、操作方便的自动化立体仓库倍受青睐，发展迅速。堆垛机是自动化立体仓库中的核心设备，是实现立体仓库自动化的关键，其控制性能的好坏，直接影响着立体仓库的效率、可靠性和自动化程度，本文对堆垛机控制技术的发展进行了初步研究。
关键词：立体仓库；堆垛机；控制技术
1 引言
随着互联网的飞速发展，促进了物流行业的高速发展，仓储的重要性也日益凸显。自动化立体仓库能够加速商品流通、降低流通成本、节约土地面积、缩减人力成本、提高库存周转率，在现代物流行业中发挥了巨大的作用。
典型的自动化立体仓库由计算机控制系统、立体货架、巷道堆垛机和库前输送系统组成。堆垛机是自动化立体仓库的关键设备，在自动化立体仓库中负责物料的搬运工作，其性能的好坏对存取作业的可靠性与效率有着显著的影响。随着现代物流的快速发展，自动化立体仓库对堆垛机的快速、稳定、安全、可靠性等方面提出了更高的要求。
2 堆垛机的结构和控制原理
堆垛机是一种特殊的货物起重机，依托于自动化立体仓库而存在。作为物流中存取货物的载体，堆垛机的主要工作是在立体仓库高层货架之间的巷道内携带货物来回穿梭运行，将出入口的货物存入指定货位或取出指定货位的货物运往出入口，它在整个物流过程中进行着货物入库、出库和盘库等作业任务。
2.1 堆垛机的结构
不同类型的堆垛机结构不尽相同，但大体相似，主要由机架、行走机构、升降机构、电气系统等部分组成。
（1）机架：机架主要由立柱、横梁和上导轨部件组成。立柱为槽钢和钢板焊成的箱式结构，具有足够的抗弯抗扭强度；上导轨部件主要包含上导轨、上导轮及其支架、滑轮组等，防止机架侧翻；横梁是用钢板焊接成的箱式结构，通过与立柱连接，使机架牢固为一个整体。
（2）升降机构：升降机构主要由电动机、钢丝绳、槽轮等部件组成，通过电动机驱动钢丝绳带动载货台与货物实现升降运动。
（3）行走机构：行走机构主要由电动机、主从动轮、侧方导向轮和制动器等部件组成，通过电动机驱动主动轮旋转，实现机架在下导轨方向的运动。
（4）载货台：载货台主要由货叉组件构成，其上安装有多种光电传感器和限位开关，以确保货物出入库时的精确定位与运行安全。
（5）电气系统：电气系统主要由控制器、驱动器、检测传感元件、各种开关等组成，主要实现电机的驱动、位置与速度的检测等。
2.2 堆垛机的控制原理
堆垛机的运行主要分为机架沿导轨的走行运行、载货台沿立柱的升降运行、货叉的伸缩运行三个方面。堆垛机的控制即是对这三个运行的控制。
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（1）机架的走行控制。堆垛机的走行是由装在后走行轮轴上的带制动器的减速电机驱动，走行认址通过激光测距器反馈堆垛机实际走行位置。当堆垛机走行时，电控系统就可随时通过激光测距器监测堆垛机的位置及指挥走行电机工作，实现电控系统对走行电机的启动、停止及制动定位。
（2）载货台的升降控制。由减速电机驱动的升降钢丝绳拉动载货台上下运动，载货台上固定有一组同步带轮和一个旋转编码器，以反映载货台的实际位置。当载货台升降时，电控系统就可随时通过旋转编码器监测和指挥升降电机工作，实现电控系统对升降电机的启动、停止及制动定位。
（3）货叉的伸缩控制。由减速电机驱动一个齿轮机构，使得货叉左右伸缩，叉取或存放托盘。货叉的左右定位由减速电机轴端上的旋转编码器实现，同时在货叉的两端装有极限限位开关，保护货叉运行不超过极限位置。
3 堆垛机控制技术的研究现状
堆垛机的应用，降低了工人的工作强度，加快了物流领域的速度，提高了劳动生产率，在产生更大效益的同时保证了物流环节的高效安全，对现代化仓储产生了重要的影响。堆垛机在工作时，要求能够高速平稳运行、准确定位。利用激光测距、光电编码器、光电开关，可以方便的实现堆垛机的准确定位，所以堆垛机控制技术的关键在于其速度控制。在速度控制方面，堆垛机目前采用的控制技术主要有三个方面。
（1）多段调速控制技术。根据堆垛机的实际控制要求及操作人员的控制经验，利用变化分档控制方式控制堆垛机运行。这种控制方式实现比较简单，但应用时为满足堆垛机的控制要求，对控制器和变频器的配合要求较高。同时，该方法在堆垛机高速运行时不能确保运行的精确和安全，适合低速运行。
（2）速度闭环控制技术。通过变频器实现堆垛机闭环速度控制，位移采用开环控制。堆垛机的实际运行曲线根据现场实际获得，不同的货位对应各自速度运行曲线。执行作业任务前，PLC先将当前任务的目的地址与当前地址进行比较，再对存储在变频器内的运行曲线进行选择切换，最终达到调速和准停的目的。由于堆垛机作业任务的目的地址的不确定性和离散性，使得不同货位对应不同的最佳速度曲线。设计人员不可能将任意情况速度曲线均设计存储，而且通常变频器内存有限，所以这种控制方式下，速度曲线或多或少和最优曲线存在差异。
（3）智能控制技术。目前国内外众多学者研究将模糊控制这一智能控制技术引入到堆垛机速度控制之中。在利用模糊控制技术实现堆垛机速度控制时，一般采用两种方案。一种是传统控制和模糊控制相结合的方式，即在堆垛机的加速段采用速度模糊控制、在匀速运行段采用常规PID控制、在减速段采用位置模糊控制，或是利用模糊技术实现常规PID参数在线调节的模糊PID控制。另一种是分别设计堆垛机速度、位移的模糊控制器，实现速度模糊控制、位移模糊控制的双闭环控制系统。从理论上来说，由于模糊控制不需要精确的数学模型且采用闭环控制，因此堆垛机的速度控制效果好。但由于模糊化、模糊推理、反模糊化都需要处理时间，将造成堆垛机速度控制的快速性差，在堆垛机高速运行时控制性能欠佳。同时存取货物的重量变化会引起系统参数的变化，加上模糊控制器的模糊变量和模糊规则数量有限，将造成堆垛机速度控制时存在变化的静态误差。所以，模糊控制的特性还需要进一步的提高。
参考文献
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论文作者:安红战 伍爱元
论文发表刊物:《知识-力量》2019年11月50期
论文发表时间:2019/11/12
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