巷道堆垛類立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　巷道堆垛類立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：為了改進(jìn)立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)性能，設(shè)計(jì)制作了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)和三自由度單立柱巷道堆垛機(jī)實(shí)體模型。在此基礎(chǔ)上，提出了基于ARM微處理器的立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)控制方案。詳細(xì)討論了控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和硬件電路設(shè)計(jì)，闡述了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程。實(shí)際運(yùn)行效果表明，該控制方案提高了巷道堆垛機(jī)的運(yùn)行可靠性和準(zhǔn)確性，較好地滿足了自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)

2、系統(tǒng)的作業(yè)需求，是一種新穎的巷道堆垛機(jī)控制方案。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：ARM;自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù);I/O;控制系統(tǒng);嵌入式技術(shù) </p><p>　　中圖分類號(hào)：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </p><p>　　近年來，電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)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(cāng)庫(kù)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。如何利用功能強(qiáng)大的嵌入

3、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。 </p><p>　　一、概述巷道堆垛式 </p><p>　?。ㄒ唬?、巷道堆垛式的概念 </p><p>　　巷道堆垛式是用巷道堆垛機(jī)或特種起重機(jī)將汽車水平且同時(shí)垂直移動(dòng)到預(yù)定泊車位置或相反取出汽車的機(jī)械式停車設(shè)備。可根據(jù)場(chǎng)地的不同設(shè)置在室外(一般采用全封閉型式)、室內(nèi)、地上或地卜。同時(shí)，該設(shè)備

4、也要求存車空間相對(duì)獨(dú)立，無其它設(shè)備的干擾，且設(shè)備成本較高。一部巷道堆垛機(jī)和搬運(yùn)器所負(fù)責(zé)的車輛在50~100輛之間較為合適，不宜超200輛。每一層的停車數(shù)量一般在20輛以上，層數(shù)的確定應(yīng)根據(jù)不同車庫(kù)的具體使用面積。在停車設(shè)備的市場(chǎng)份額約占3-5%。存車層數(shù)七層以下，通常選擇五層左右較為合適。 </p><p>　?。ǘ?、巷道堆垛式的特點(diǎn) </p><p>　　特點(diǎn)：全封閉車庫(kù)，存車率高、安

5、全可靠、節(jié)省空間、控制操作方便等特點(diǎn)。該類車庫(kù)主要適用于大型密集式存車。 </p><p>　　主要設(shè)備及停車方式:進(jìn)出口設(shè)備、庫(kù)內(nèi)搬運(yùn)設(shè)備、車輛存放設(shè)施、電控系統(tǒng)、安全檢測(cè)裝置等設(shè)備。通常停車位設(shè)置在巷道兩邊或一側(cè)，入庫(kù)時(shí)司機(jī)只需將車停到進(jìn)出口設(shè)備上，(對(duì)停車方向無要求)，其余工作由搬運(yùn)裝置完成。出庫(kù)時(shí)司機(jī)操作控制面板，汽車自動(dòng)由升降機(jī)泊出至司機(jī)等候地點(diǎn)。降低了對(duì)司機(jī)技術(shù)的要求，縮短了人車交換時(shí)間。 </

6、p><p>　　在該自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)體模型中，設(shè)置了一臺(tái)單立柱巷道堆垛機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 </p><p>　　圖1巷道堆垛機(jī)示意圖 </p><p>　　（三）、巷道堆垛機(jī)立體車庫(kù)結(jié)構(gòu) </p><p>　　巷道堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)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、為了對(duì)基于ARM處理器的立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究和驗(yàn)證，需要建立立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)體模型。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(tái)的垂直升降和貨叉伸縮的三自由度運(yùn)動(dòng)。水平、垂直和伸叉機(jī)構(gòu)的運(yùn)行分別由X軸、Y軸和Z軸的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有自鎖功能的絲杠完成。 </p><p>　　為使巷道堆垛機(jī)快速、準(zhǔn)確地將貨物送入立體倉(cāng)庫(kù)的相應(yīng)倉(cāng)位并確保存取貨物時(shí)的準(zhǔn)確性、安全性，系

8、統(tǒng)對(duì)堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)位置的控制可靠性有較高的要求。需要實(shí)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(dòng)和手動(dòng)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(dòng)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ARM7TDMI-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(dòng)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

9、。 </p><p>　　圖2堆垛機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，ARM 控制器接收遠(yuǎn)程上位監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)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(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī); 利用絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)在導(dǎo)軌上作三維立體運(yùn)動(dòng)，完成貨物在立體倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)存取。與此同時(shí)，使用非接觸式光電傳感器檢測(cè)立體倉(cāng)庫(kù)倉(cāng)位的行、列信號(hào); 使用多個(gè)限位開關(guān)確保水平行走機(jī)構(gòu)

10、、載貨臺(tái)升降和貨叉伸縮的限位保護(hù)，避免堆垛機(jī)各方向的運(yùn)動(dòng)范圍超出安全區(qū)域。 </p><p><b>　　二、硬件電路設(shè)計(jì) </b></p><p>　　ARM微處理器是整個(gè)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的核心。微處理器選用了16/32位的ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2131芯片，它集成了16位的Thumb擴(kuò)展指令集，CPU運(yùn)行頻率高達(dá)60MHz。該芯片內(nèi)部集成了8kB片內(nèi)靜態(tài)R

11、AM、32kB片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器、看門狗定時(shí)器、2個(gè)32位定時(shí)器、1個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器、多達(dá)47個(gè)可承受5V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(yùn)行功耗使得LPC2131微處理器特別適合應(yīng)用于立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)等工業(yè)控制領(lǐng)域。 </p><p>　　在巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中，LPC2131微處理器使用3．3V的電源供電，微處理器的各個(gè)GPIO接

12、口引腳也使用3．3V的TTL電平，而且最高可以承受5V的電壓。SJ-220型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可分別接收直流5V、12V(外接680Ω電阻)和24V(外接1．8kΩ電阻)的外部電壓輸入信號(hào)。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(dòng)器的CP步進(jìn)脈沖信號(hào)端直接相連，接收GPIO輸出的最高5V的雙邊沿PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，而不需要額外加裝外接電阻。 </p><p><b>　

13、　三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) </b></p><p>　　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(dòng)工作臺(tái)在導(dǎo)軌上做三自由度運(yùn)動(dòng)，因此，LPC2131微處理器需要將3個(gè)非重疊的PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)輸出給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并對(duì)3個(gè)PWM信號(hào)的脈寬和位置進(jìn)行獨(dú)立控制。使用LPC2131微處理器產(chǎn)生PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的流程如圖3所示。 </p><p>　　圖3P

14、WM信號(hào)產(chǎn)生流程圖 </p><p>　　LPC2131芯片的脈沖寬度調(diào)制器建立在標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器和7個(gè)匹配寄存器之上，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)6個(gè)單邊沿PWM信號(hào)或3個(gè)雙邊沿PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的控制輸出。在本設(shè)計(jì)中，采用3個(gè)非重疊的PWM信號(hào)并同時(shí)產(chǎn)生正負(fù)脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。PWM脈寬調(diào)制信號(hào)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(hào)及具

15、備手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式的下位機(jī)軟件代碼;同時(shí)使用AXD Debugger調(diào)試器對(duì)代碼進(jìn)行了編譯調(diào)試。試驗(yàn)測(cè)試表明，巷道堆垛機(jī)無論在手動(dòng)還是自動(dòng)模式下都能夠靈敏、可靠地完成貨物在立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)體模型倉(cāng)位中的模擬存取動(dòng)作，并具備倉(cāng)位檢測(cè)、系統(tǒng)急停、動(dòng)作限位、載貨臺(tái)回零等功能，基本完成了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 </p><p>　　總之，本文針對(duì)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的作業(yè)需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Philips公司LPC2131型ARM微

16、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(dòng)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(jì)，并討論了堆垛機(jī)軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程。 </p><p>　　實(shí)際測(cè)試效果表明，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了巷道堆垛機(jī)安全、可靠的運(yùn)行，滿足了自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)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(kù)、糧食、冶金、制造等領(lǐng)域的物料存儲(chǔ)與堆垛作業(yè)。 </p&

17、gt;<p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 李國(guó)光，王文海．基于ARM7的暖通空調(diào)直接數(shù)字控制器設(shè)計(jì)［J］．自動(dòng)化儀表，2011，32(7):11－14． </p><p>　　[2] 周奇才．基于現(xiàn)代物流的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)(AS/RS)管理及控制技術(shù)研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2002． </p>&

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