采用傳統(tǒng)的全自動倉儲和檢索設(shè)備的高架倉庫應(yīng)用非常廣泛，且技術(shù)已經(jīng)很成熟。然而，和待移動的總質(zhì)量相比有效載荷卻非常小。在由德國聯(lián)邦教育與研究部(BMBF)、杜伊斯堡-埃森綜合大學(xué)中的研究機構(gòu)“魯爾物流效益集群”共同發(fā)起的一個項目中，在繩牽引并聯(lián)機器人的幫助下消除了這種不一致的現(xiàn)象。這樣，他們從基于 PC 的控制技術(shù)中所具備的經(jīng)濟性和靈活性中獲得了很大收益。此外，Matlab ? /Simulink ? 模型中包含的科學(xué)知識可以通過 TwinCAT 3 軟件以最簡便的方式集成到控制器中。
全自動倉儲和檢索設(shè)備(SRM)現(xiàn)在也可應(yīng)用于內(nèi)部物流領(lǐng)域。通過導(dǎo)軌安裝的驅(qū)動裝置和一個舉升裝置將一臺倉儲/檢索設(shè)備放置在高架前面，它將貨物放進倉庫或?qū)⒇浳镌俅斡械姆攀傅匾瞥?。在這一過程中，當(dāng)前的 SRM 要移動 1 到 2 噸重的驅(qū)動裝置、桅桿和舉升裝置才能傳輸載重僅為 20 到 50 公斤的小部件。為了避免這一現(xiàn)象，一個集成有倉儲/檢索設(shè)備的輕型平臺現(xiàn)在代替了整個驅(qū)動和舉升裝置。這一平臺在一個高架前移動，即采用 8 根張緊繩索的繩牽引機器人。結(jié)果就是能夠建造出各種尺寸機械結(jié)構(gòu)簡單且重量極輕的系統(tǒng)，在與質(zhì)量相關(guān)的高度方面沒有限制，而傳統(tǒng)的高架倉庫則需要注意這一高度限制。
新的方案大大降低能耗，提升性能潛力
繩牽引機器人技術(shù)的重量大大減輕，與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，重量減輕了有超過 90%，從而在顯著提升性能的同時還保持了良好的能量平衡。該方案于 2012 年在杜伊斯堡 — 埃森大學(xué)實施，原型高為 6 米，寬 12米，深 1 米。它由機電一體化和運輸系統(tǒng)/物流這兩個系以及計算機應(yīng)用設(shè)計系共同實施完成。機電一體化系的 Dr. Tobias Bruckmann 總結(jié)道：“我們極大地提高了質(zhì)量比，因為待移動的終端執(zhí)行機構(gòu) — 帶有倉儲/檢索設(shè)備的輕型平臺 — 僅重 80 公斤，且能夠承重載重為 20公斤的物體。與傳統(tǒng)的倉儲和檢索設(shè)備相比，以簡單的計算和理想的假設(shè)為基礎(chǔ)的模型計算節(jié)約了約 70 % 的能耗?！?/FONT>
在有關(guān)可以達到的倉儲/檢索性能的方面，同樣也有很高的優(yōu)化潛力。典型的 SRM 值，即平臺速度為 6 m/s，平臺加速度為 5 m/s 2 ，被視作為項目開始時的設(shè)計規(guī)范。同樣來自機電一體化系的 Christian Sturm 補充說道：“需要一個額定功率為 7 kW 的絞盤驅(qū)動裝置來實現(xiàn)這些值。在我們的樣機中，甚至使用了額定功率高達 14 kW 的驅(qū)動裝置，從而能夠顯著提升速度和加速度，因為性能更高且載重更大的驅(qū)動裝置無需像在傳統(tǒng)的倉儲和檢索設(shè)備中那樣需要移動，因此它們的大質(zhì)量不會帶來任何不利影響?！?/FONT>
以高性能、符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的控制技術(shù)作為基礎(chǔ)
若要確保一個系統(tǒng)能夠隨時隨地安全運行，對控制系統(tǒng)的要求極高。除此之外，必須同時驅(qū)動 8 個伺服驅(qū)動器，并同時讀取用于所有 8 根電纜的力傳感器和角編碼器。這些測得的值為一個基于模型的控制器提供數(shù)據(jù)，這時，需要一個高性能的實時平臺。Dr. Tobias Bruckmann繼續(xù)說道：“Beckhoff 的 TwinCAT 3 自動化軟件是一個功能強大且經(jīng)濟的解決方案，因為控制器在 Matlab ? /Simulink ? 中實施。它不是學(xué)術(shù)使用的樣機控制系統(tǒng)，因此能夠利用成熟的標(biāo)準(zhǔn)組件?！?/FONT>
控制柜式 PC C6640 不僅僅為整個控制技術(shù)提供了充足的計算性能。它通過 EtherCAT 與傳感器和驅(qū)動器以及輕型平臺的組件進行通訊，如倉儲/檢索設(shè)備和用于精確定位的激光掃描儀。由于繩牽引機器人運行要求極為可靠地測量繩子的力，研究人員使用了具有 XFC 極速控制技術(shù)的模擬量輸入端子模塊 EL3356-0010。正如 Christian Sturm 解釋的那樣：“為了能夠精確移動輕型平臺并盡可能地將振動降到最低，需要通過負載單元和 EtherCAT 端子模塊 EL3356-0010 測量繩子的張力。然后通過控制算法在 Matlab ? /Simulink ? 中實施這些數(shù)值。在這一過程中，超采樣系數(shù)為 10 的 XFC 超采樣功能為我們帶來了很大好處。EL3356-0010 具有出色的采樣速度，在我們當(dāng)前的 1 毫秒控制周期下，已經(jīng)可以提供相當(dāng)平穩(wěn)的信號。這樣信號就能夠在控制器中得到處理，而無需額外處理。此外，參數(shù)設(shè)置和連接也非常簡單，且該端子模塊也非常節(jié)省成本?！?/FONT>
該控制系統(tǒng)的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于它的工業(yè)兼容性。因此，它為研究項目的實際核心部分進行的進一步研究提供了理想的基礎(chǔ) — 控制算法。Dr. Tobias Bruckmann 證實道：“我們需要的不是針對驅(qū)動和平臺的分布式控制器，而僅僅是一個具有寬數(shù)據(jù)總線的中央實時 PC，和我們是否要傳輸測量值到距離僅為 1 米還是 20 米的平臺無關(guān)。在較早的原型中，數(shù)據(jù)采集，特別是長距離的電機控制相當(dāng)復(fù)雜。令我們驚奇的是，我們新的大型樣機的調(diào)試工作竟然如此簡單。”另外一個好處是：“Beckhoff 技術(shù)在實際應(yīng)用方面，即批量生產(chǎn)方面，也有很多優(yōu)勢，因為一方面我們可以使用熟悉的 Matlab ? /Simulink ? ，另一方面，我們能夠無限使用 IEC 61131-3 語言。由于它具有良好的普遍適用性，無需集成第二套控制系統(tǒng)，例如添加安全功能 — PC 控制在一個平臺上已經(jīng)提供了工業(yè)應(yīng)用所需的一切?！?/FONT>
Dr. Tobias Bruckmann 和 Christian Sturm 看到 TwinCAT 3 之所以能夠與眾不同的兩大優(yōu)點：Matlab ? /Simulink ? 模型可以在也適合于大量設(shè)備的高性能工業(yè)硬件上運行。此外，硬件可以由價格低廉的模塊簡單、靈活地構(gòu)建
TwinCAT 3 的開放性對于開發(fā)面向未來的系統(tǒng)是一個里程碑
研究人員認為 TwinCAT 3 與 Matlab ? /Simulink ? 的簡單連接是一個真正的里程碑，因為只有這樣他們才能夠以簡單的方式從他們的科學(xué)領(lǐng)域訪問符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。此外，通過使用 TwinCAT 3 和 EtherCAT，整個硬件層的結(jié)構(gòu)可以變得非常簡單，并可以采用模塊化設(shè)計。Thomas Maier 闡釋道：“所有與 EtherCAT 系統(tǒng)相連的組件都在 TwinCAT 3 下作為硬件映像表示，因此所有設(shè)備都可以通過與我們軟件模塊通訊的方式輕松與控制器鏈接。此外，系統(tǒng)能夠使用更多的 I/O 模塊簡單且經(jīng)濟地進行擴展，因為與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，可滿足各種性能等級要求的EtherCAT 系統(tǒng)成本只占非常小的一部分。
TwinCAT 3 同樣也具有未來發(fā)展?jié)摿?。它對多核技術(shù)的支持也特別重要，特別是在工業(yè)應(yīng)用方面，因為必要時，所需的任務(wù)，如倉庫管理和安全方案，可以外包到它們自己的處理器內(nèi)核。此外，根據(jù) Bruckmann 所述，通過集成到 Visual Studio ? 獲得的開放性也是個很吸引人的優(yōu)點。高校用戶會很愿意使用這一新的編程技術(shù)來創(chuàng)建一個完整的項目，從 Visual Studio ? 中的實時編程到可視化。繩牽引機器人項目的下一步是集成用 C/C++ 語言編寫的軟件模塊，這樣，就能夠訪問其它硬件接口，例如一個攝像系統(tǒng)。
（轉(zhuǎn)載）
