物料運輸設備的位置控制優化設計

丁長富 楊慶彧

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

在現代生產制造領域，自動化生產線已成為生產制造的核心。生產線能夠大幅提高生產效率，減少勞動力成本和產品成本，降低產品質量變異性等，逐漸成為當今現代企業不可或缺的一部分。

在自動化生產線中，物料的精準運輸和位置控制是最關鍵的一個要素。

對于短距離的物料運輸，一般采用機械臂方式可以容易地達到精準位置控制的目標。

對于長距離、大質量的物料運輸，一般采用傳送帶或運輸車的方式，由于物料質量大、運輸速度快、慣性大，實現精準的位置控制具有很大的難度。

1 物料運輸設備的主要部件

物料運輸設備一般主要由步進驅動電機、制動電機、傳送帶或運輸車、位置檢測設備和電機控制設備等組成。

在精密定位系統中，步進電機是重要組成部分，在數控生產和經濟型定位系統改造及機器人等定位系統的應用領域，有2/3以上采用的是步進電機[1]。步進驅動電機為物料運輸提供動力，驅動電機的動力通過滾筒帶動傳送帶滾動或者通過鏈條帶動運輸車移動。物料放置在傳送帶上或運輸車上，由一個位置運送到另一個位置，達到物料運送的目標。

制動電機為制動提供動力。當物料運送到目標位置時使物料停在指定位置；或者出現緊急情況下，為避免物料碰撞或跌落，使物料盡快停止運送。

位置檢測設備實時檢測物料運送過程中所處的位置。

電機控制設備為電機的電氣電路提供控制和保護，根據位置檢測設備檢測的設備位置，驅動傳送帶或運輸車運動來輸送物料，當到達指定位置或遇到緊急情況時停止制動。

2 常用的位置控制方法和存在的問題

如圖1所示，運輸設備裝載物料由A位置向B位置移動，目標是將物料運送到位置B。為了能使運輸設備停在B位置，運輸設備需要提前制動減速。假設運輸設備在B1位置開始制動減速，制動距離LBB1與運輸設備的重量、移動速度和制動電機提供的制動力等參數相關。在移動速度不變的情況下，制動距離LBB1與運輸設備的總重量成正比，與制動力成反比。

圖1 常用的位置控制方法示意圖

它們之間函數關系如下：

式中：VB、VB1為位置B和B1處的速度；a為加速度；LBB1為制動距離。

制動停止后B位置速度為零，因此公式可簡化為：

因此：

式中：F為運輸設備制動減速過程中制動力和摩擦力的合力；m為運輸設備和物料的總重。

在制動減速過程中，物料受到運輸設備的反向作用力。通過傳送帶傳送物料時，反向作用力為傳送帶與物料之間的摩擦力，該摩擦力即運輸設備可以提供的最大制動力。當通過運輸車傳送物料時，制動力由運輸車直接作用在物料上，最大的制動力受制于物料的承受能力，過大的制動減速將使物料變形損壞。通常取最大制動力的中間值作為制動減速的制動力。

通過上述公式確定制動距離后，在B1位置處設置位置開關用于確定減速制動的開始時刻，當制動系統檢測到B1的位置開關信號后由制動電機施加制動力，即可使物料制動減速準確運送到B位置。

在物料重量和運送速度不變的情況下，上述位置控制方法可以達到理想的物料運送要求。但在實際的生產運行過程中，所運送的物料質量和運送速度并不是一直不變的。當物料質量和運送速度任何一個發生變化時都需要重新計算制動距離，并調整B1處位置開關的檢測位置。

3 位置控制方法優化

為了解決常用的位置控制方法中存在的問題，在運輸設備中增加絕對編碼器和稱重器。在物料裝載到運輸車上時通過稱重器測量獲得物料重量。在運輸車的驅動軸上安裝編碼器，用于實時測量驅動軸的旋轉轉數。

絕對編碼器是一種新型電子產品，被廣泛應用在工業生產的轉速測量和位置測量中[2]。絕對編碼器直接輸出運動部件角位移的絕對數值，絕對數值以編碼的形式表示出來，即每個角度位置都有唯一對應的數字代碼輸出[3]。編碼器按照信號和原理分類，一般分為增量式和絕對式兩種，增量式編碼器已經很難適應高速高精度伺服系統的要求[4-5]。

3.1 位置計算

位置信息是物料運輸設備控制的一個重要參數。物料運輸設備在確定的路徑運送物料，設備的位置信息是一維函數。以物料運輸設備的起點A位置作為參照點，任何一刻的位置信息與運輸設備相對于A位置的移動距離相關。

首先對運輸設備進行標定，即標定運輸設備在A位置和B位置的編碼器數據。在A位置時記錄編碼器轉數為RA，在B位置時記錄編碼器轉數為RB。在任何一個時刻，運輸設備的位置可由下列公式計算：

式中：F（t）為t時刻運輸設備相對于A的位置；Rt為t時刻運輸設備的編碼器轉數；RA為A位置編碼器轉數；RB為B位置編碼器轉數；LAB為A位置與B位置之間的距離。

3.2 速度計算

如圖2所示，運輸設備裝載物料由A位置向B位置勻速移動，則運輸設備的移動速度可由如下公式計算：

圖2 精準的位置控制方法示意圖

式中：Vt2為t2時刻的速度；Rt1為t1時刻的編碼器轉數；Rt2為t2時刻的編碼器轉數。

為獲得準確的速度值，應以盡量小的時間頻率計算速度。假定速度計算周期為200 ms，即每隔200 ms計算編碼器的轉數，并計算速度。則式（5）可簡化為：

式中：ΔRt2為t2時刻最近兩次采樣計算的編碼器轉數差。

3.3 移動速度控制

如圖1所示，物料在A位置裝載，B位置卸載，在水平軌道AB路線運送物料。運輸設備由A位置到B位置移動過程中經歷三個不同運行狀態的階段：A到A1加速運行階段、A1到B1勻速運行階段和B1到B制動減速階段。

為保持物料平穩運送，避免加速和減速對物料和運輸設備的沖擊力，在加速階段和減速階段的加速度應小于加速度限值，同時應保持平穩的加速度。加速度的限值由物料的特性和運輸設備的物理設計決定，可以通過估算或者試驗的方法確定。當加速度限值確定后，作為參數數據用于移動速度控制參數。

另一方面，為保持一定的生產效率，又要求盡快將物料由A位置運送到B位置，即要盡可能地減小三個運行階段的總時間。

運行總時間計算公式為：

因此：

因為運輸設備在A1B1段為勻速移動，AA1段與B1B段的加速度大小相同，因此，VA1=VB1，LAA1=LB1B。上述公式（11）可推導如下：

式中：T為物料由A位置運送到B位置的總時間；LAA1為AA1段的距離；LA1B1為A1B1段的距離；LB1B為B1B段的距離；LAB為AB段的距離；a為物料運送加速度。

3.4 制動力和驅動力計算

通過估算或者試驗的方法確定物料加速度限值后即可計算出運輸車制動力和驅動力的最小值為ma，其中m為物料和運輸車的總質量，a為加速度限值。物料的重量在物料裝載于運輸設備上時由運輸設備的稱重器進行稱重，所稱重量值與運輸設備自身的重量相加即為總質量。

在物料運送過程中，通過公式（5）進行實時速度計算和加速度計算，通過公式（4）進行實時物料運送位置計算。計算獲得的數據作為制動力和驅動力的大小調節參數，使運輸設備在設定的運行參數范圍內運送物料。

制動力由制動電機提供，驅動力由驅動電機提供，兩個電機獨立工作，在任何一個時刻只有一個電機投入運行。制動電機運行時，制動電機的電氣控制電路將閉鎖驅動電機的運行；同理，驅動電機運行時，驅動電機的電氣控制電路將閉鎖制動電機的運行。

制動電機和驅動電機控制為閉環控制，物料運輸設備控制系統實時計算的移動速度、加速度與設計確定的移動速度和加速度進行偏差比較，偏差值作為制動電機和驅動電機控制回路的輸入，制動力和驅動力的大小為偏差值的函數。

3.5 數據仿真計算

對公式（12）建立仿真模型，如圖3所示。

圖3 仿真模型

假定物料運送距離LAB為50 m，物料的最大加速度a為5 m/s2。將參數代入仿真模型進行仿真計算，得到物料運送時間T與加速段LAA1之間的關系曲線，如圖4所示。

圖4 運送時間T與加速段LAA1關系曲線

圖4的運送時間T與加速段LAA1關系曲線為運輸設備的位置控制提供了基礎。

由仿真模型可得，如果設計物料由A運送到B的總時間為7 s，則LAA1的距離為10 m，VA1=VB1=10 m/s，

如果設計物料由A運送到B的總時間為6.5 s，則LAA1的距離為15.5 m，VA1=VB1=12.45 m/s，LB1B=15.5 m，

由這些設計確定的數據即可計算加速時間、減速時間、制動力和驅動力等與運輸設備控制相關的參數。

4 結束語

傳統的運輸設備位置控制方法通過在運輸軌道的固定位置設置位置檢測開關來確定制動力投用時間，該方法在實際生產應用過程中具有一定的局限性。

通過增加稱重器和轉速測量設備，對運輸設備位置控制方法進行優化設計，使運輸設備的制動力投用時間、制動力大小、驅動力大小、物料運送位置和運送速度由運輸設備實時計算，提高了運輸設備位置控制的適用性。