采用傳統(tǒng)的全自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)和檢索設(shè)備的高架倉(cāng)庫(kù)應(yīng)用非常廣泛，且技術(shù)已經(jīng)很成熟。然而，和待移動(dòng)的總質(zhì)量相比有效載荷卻非常小。在由德國(guó)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(jī)構(gòu)“魯爾物流效益集群”共同發(fā)起的一個(gè)項(xiàng)目中，在繩牽引并聯(lián)機(jī)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(jì)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(shí)可以通過(guò) TwinCAT 3 軟件以最簡(jiǎn)便的方式集成到控制器中。
全自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)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(guò)導(dǎo)軌安裝的驅(qū)動(dòng)裝置和一個(gè)舉升裝置將一臺(tái)倉(cāng)儲(chǔ)/檢索設(shè)備放置在高架前面，它將貨物放進(jìn)倉(cāng)庫(kù)或?qū)⒇浳镌俅斡械姆攀傅匾瞥?。在這一過(guò)程中，當(dāng)前的 SRM 要移動(dòng) 1 到 2 噸重的驅(qū)動(dòng)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(gè)集成有倉(cāng)儲(chǔ)/檢索設(shè)備的輕型平臺(tái)現(xiàn)在代替了整個(gè)驅(qū)動(dòng)和舉升裝置。這一平臺(tái)在一個(gè)高架前移動(dòng)，即采用 8 根張緊繩索的繩牽引機(jī)器人。結(jié)果就是能夠建造出各種尺寸機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且重量極輕的系統(tǒng)，在與質(zhì)量相關(guān)的高度方面沒(méi)有限制，而傳統(tǒng)的高架倉(cāng)庫(kù)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(jī)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(guò) 90%，從而在顯著提升性能的同時(shí)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(shí)施，原型高為 6 米，寬 12米，深 1 米。它由機(jī)電一體化和運(yùn)輸系統(tǒng)/物流這兩個(gè)系以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)系共同實(shí)施完成。機(jī)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?yàn)榇苿?dòng)的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu) — 帶有倉(cāng)儲(chǔ)/檢索設(shè)備的輕型平臺(tái) — 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(cāng)儲(chǔ)和檢索設(shè)備相比，以簡(jiǎn)單的計(jì)算和理想的假設(shè)為基礎(chǔ)的模型計(jì)算節(jié)約了約 70 % 的能耗。”
在有關(guān)可以達(dá)到的倉(cāng)儲(chǔ)/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(tái)速度為 6 m/s，平臺(tái)加速度為 5 m/s 2 ，被視作為項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)范。同樣來(lái)自機(jī)電一體化系的 Christian Sturm 補(bǔ)充說(shuō)道：“需要一個(gè)額定功率為 7 kW 的絞盤驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)這些值。在我們的樣機(jī)中，甚至使用了額定功率高達(dá) 14 kW 的驅(qū)動(dòng)裝置，從而能夠顯著提升速度和加速度，因?yàn)樾阅芨咔逸d重更大的驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)需像在傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)和檢索設(shè)備中那樣需要移動(dòng)，因此它們的大質(zhì)量不會(huì)帶來(lái)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(gè)系統(tǒng)能夠隨時(shí)隨地安全運(yùn)行，對(duì)控制系統(tǒng)的要求極高。除此之外，必須同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8 個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，并同時(shí)讀取用于所有 8 根電纜的力傳感器和角編碼器。這些測(cè)得的值為一個(gè)基于模型的控制器提供數(shù)據(jù)，這時(shí)，需要一個(gè)高性能的實(shí)時(shí)平臺(tái)。Dr. Tobias Bruckmann繼續(xù)說(shuō)道：“Beckhoff 的 TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大且經(jīng)濟(jì)的解決方案，因?yàn)榭刂破髟?Matlab ? /Simulink ? 中實(shí)施。它不是學(xué)術(shù)使用的樣機(jī)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(gè)控制技術(shù)提供了充足的計(jì)算性能。它通過(guò) EtherCAT 與傳感器和驅(qū)動(dòng)器以及輕型平臺(tái)的組件進(jìn)行通訊，如倉(cāng)儲(chǔ)/檢索設(shè)備和用于精確定位的激光掃描儀。由于繩牽引機(jī)器人運(yùn)行要求極為可靠地測(cè)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(dòng)輕型平臺(tái)并盡可能地將振動(dòng)降到最低，需要通過(guò)負(fù)載單元和 EtherCAT 端子模塊 EL3356-0010 測(cè)量繩子的張力。然后通過(guò)控制算法在 Matlab ? /Simulink ? 中實(shí)施這些數(shù)值。在這一過(guò)程中，超采樣系數(shù)為 10 的 XFC 超采樣功能為我們帶來(lái)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(hào)。這樣信號(hào)就能夠在控制器中得到處理，而無(wú)需額外處理。此外，參數(shù)設(shè)置和連接也非常簡(jiǎn)單，且該端子模塊也非常節(jié)省成本。”
該控制系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于它的工業(yè)兼容性。因此，它為研究項(xiàng)目的實(shí)際核心部分進(jìn)行的進(jìn)一步研究提供了理想的基礎(chǔ) — 控制算法。Dr. Tobias Bruckmann 證實(shí)道：“我們需要的不是針對(duì)驅(qū)動(dòng)和平臺(tái)的分布式控制器，而僅僅是一個(gè)具有寬數(shù)據(jù)總線的中央實(shí)時(shí) PC，和我們是否要傳輸測(cè)量值到距離僅為 1 米還是 20 米的平臺(tái)無(wú)關(guān)。在較早的原型中，數(shù)據(jù)采集，特別是長(zhǎng)距離的電機(jī)控制相當(dāng)復(fù)雜。令我們驚奇的是，我們新的大型樣機(jī)的調(diào)試工作竟然如此簡(jiǎn)單?！绷硗庖粋€(gè)好處是：“Beckhoff 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用方面，即批量生產(chǎn)方面，也有很多優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橐环矫嫖覀兛梢允褂檬煜さ?Matlab ? /Simulink ? ，另一方面，我們能夠無(wú)限使用 IEC 61131-3 語(yǔ)言。由于它具有良好的普遍適用性，無(wú)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(gè)平臺(tái)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(diǎn)：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(yùn)行。此外，硬件可以由價(jià)格低廉的模塊簡(jiǎn)單、靈活地構(gòu)建
TwinCAT 3 的開(kāi)放性對(duì)于開(kāi)發(fā)面向未來(lái)的系統(tǒng)是一個(gè)里程碑
研究人員認(rèn)為 TwinCAT 3 與 Matlab ? /Simulink ? 的簡(jiǎn)單連接是一個(gè)真正的里程碑，因?yàn)橹挥羞@樣他們才能夠以簡(jiǎn)單的方式從他們的科學(xué)領(lǐng)域訪問(wèn)符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。此外，通過(guò)使用 TwinCAT 3 和 EtherCAT，整個(gè)硬件層的結(jié)構(gòu)可以變得非常簡(jiǎn)單，并可以采用模塊化設(shè)計(jì)。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(guò)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(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行擴(kuò)展，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，可滿足各種性能等級(jí)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(lái)發(fā)展?jié)摿?。它?duì)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?yàn)楸匾獣r(shí)，所需的任務(wù)，如倉(cāng)庫(kù)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(guò)集成到 Visual Studio ? 獲得的開(kāi)放性也是個(gè)很吸引人的優(yōu)點(diǎn)。高校用戶會(huì)很愿意使用這一新的編程技術(shù)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)完整的項(xiàng)目，從 Visual Studio ? 中的實(shí)時(shí)編程到可視化。繩牽引機(jī)器人項(xiàng)目的下一步是集成用 C/C++ 語(yǔ)言編寫的軟件模塊，這樣，就能夠訪問(wèn)其它硬件接口，例如一個(gè)攝像系統(tǒng)。
（轉(zhuǎn)載）
