基于天车无人化库区钢卷位置坐标精确计算方法研究

2017-02-17河北钢铁集团唐钢信息自动化管理部

电子世界 2017年2期

河北钢铁集团唐钢信息自动化管理部张蕊

河北钢铁集团唐钢信息自动化管理部张蕊

唐钢高强汽车板原料库天车无人化系统是国内第一套自主集成具有完全自主知识产权的库区智能物流系统，库区钢卷位置坐标计算是实现天车无人化的关键基础技术。本文详细系统的论述了库区坐标系的建立、天车三轴坐标系定位原理及库区钢卷位置坐标精确计算方法，并着重论述了库区二层钢卷精确坐标计算原理及过程。

天车无人化；智能物流；坐标计算

0 前言

库区天车无人化在制造企业里是信息技术与自动化控制技术发展的必然产物，它是智能工厂不可或缺的重要组成部分。天车无人化的意义不仅仅是简单的人员节省和天车作业效率的提高，更重要的意义是库区管理自动化和透明化。天车作业无人化主要是靠PLC高精度的位置控制，而这一切最根本的前提是库区钢卷位置在库区坐标系化，这个坐标系应当是三位立体的，分别对应天车大车位置、小车位置及主钩高度。库区钢卷在库区坐标系下的坐标定位精度直接关系到自动天车PLC位置控制的精度。

1 库区坐标系的建立

库区三维坐标系一般以跨为单位，每个跨一个坐标系，坐标系的原点位于库区入口侧两跨连接处，X轴为天车大车运行维度，Y轴为天车小车运行维度，Z轴为天车主钩运行维度。天车在坐标系里的实时位置是靠特定的位置检测传感器来反馈的，其中X轴位置定位基于编码器电缆，Y轴位置定位基于激光测距传感器，Z轴位置定位基于绝对值编码器。

图1 X轴位置定位基本结构示意图

X轴位置定位分为车上位置检测系统和地上位置检测系统，整体结构如图1所示，由位置信号发生器、编码电缆、感应天线、位置检测器组成。编码电缆安装在移动机车的轨道旁边，感应天线安装在移动机车上并随着机车移动，始终与编码电缆保持距离z（z≈5-30cm），位于中央控制室的位置信号发生器不断向编码电缆中各传输对线轮流发送载波，感应天线中接收线圈与编码电缆中传输对线之间的电磁感应，车上位置检测器检测接收线圈感应信号的相位和幅度，经过运算得到接收线圈所在的x位置坐标，以此作为移动机车的位置。

Z轴位置定位采用的绝对值编码器是旋转编码器的一种，它是集光机电技术于一体的速度位移传感器。当旋转编码器轴带动光栅盘旋转时，经发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线，并被接收元件接收产生初始信号。该信号经后继电路处理后，输出脉冲或代码信号。绝对值编码器轴旋转器时，有与位置一一对应的代码（二进制，BCD码等）输出，从代码大小的变更即可判别正反方向和位移所处的位置，而无需判向电路。它有一个绝对零位代码，当停电或关机后再开机重新测量时，仍可准确地读出停电或关机位置地代码，并准确地找到零位代码。

2 库区钢卷位置坐标计算

库区无人天车作业位置主要有设备位置（步进梁鞍座、过跨车鞍座、汽车卷位置）、库区鞍座位置、二层钢卷位置。设备位置和库区鞍座位置在坐标系里都是相对固定的位置。库区鞍座位置按照区、列、行、层进行区分。每个区有若干列（工艺上所说的跺），同列根据库区坐标系的建立x坐标值或y坐标值相同，同时一层的z坐标值也相同，每列有若干行，每行对应一个一层和二层位置（每列的最后一行除外）。其中一层为物理实际位置，二层为虚位置，它只有在其对应的两个一层位置都有钢卷时才有效。库区天车可作业的每个位置都有一个唯一的逻辑编码，这个逻辑编码与其对应的坐标系精确坐标唯一对应。

库区钢卷位置坐标计算根据钢卷位置逻辑编码识别位置属性，确定天车作业钢卷位置的逻辑编码是固定位置还是虚位置，如果固定位置则直接查表计算该位置的精确坐标，如果是虚位置则首先确定两相邻一层逻辑位置，并查表获取两个一层逻辑位置的精确坐标，然后根据三个圆在同一坐标系下两两相切的三角几何关系，列方程组并求解精确计算二层钢卷精确坐标。二层钢卷位置模型如图2所示。

已知条件为R1、R2、R3、Y1、Y2，求CE和Y3其中R1为前方一层钢卷外径，R2为后方一层钢卷外径，R3为二层钢卷外径，Y1为前方一层逻辑位置对应的Y轴坐标值，Y2为后方一层逻辑位置对应的Y轴坐标值，CE为二层钢卷Z值，Y3为二层钢卷对应的Y轴坐标值。计算过程如下：

图2 二层钢卷位置模型图

第一步：计算三角形面积，设三边边长分别为a,b,c,三角形周长的一半为p,面积为S1, 已知三角形的三边，其面积可运用海伦公式计算。计算过程参数方程如下：

第二步：设梯形ADFB的面积为S2，根据梯形面积计算公式有如下公式：

第三步：计算梯形ADEC与梯形CEFB面积，计算公式如下：

第四步：五边形ADFBC面积恒定且EC可求，五边形ADFBC面积根据不同的分割组合方法可列一个方程，EC可根据三角函数列一个方程，方程组如下：

第五步：求解方程组，为方便编程引入中间变量，各中间变量及计算结果表达如下：

在无人天车系统运行初期，二层钢卷位置坐标计算都是采用一层两相邻位置的平均值，由于库存紧张及天车手动放卷的随意性造成一层两卷外径差别太大，进而导致无人天车设定坐标精度存在较大偏差，天车自动作业时位置定位不准导致自动作业中断无法继续。通过研究改进钢卷位置坐标计算方法，从根源上解决了这些问题，大大降低了自动天车作业过程中的错误率，使得无人天车自动作业更加顺畅有序。