數(shù)字化定位傳感器WCS的應(yīng)用

李劭

上海倍加福工業(yè)自動(dòng)化貿(mào)易有限公司，上海 200436

一、前言

與過(guò)去的特快列車相比，高鐵最突出的感受除了速度快以外，就是平穩(wěn)和安靜，再也聽(tīng)不到車輪通過(guò)鋼軌接縫時(shí)發(fā)出的撞擊聲響，其根本原因是高鐵鋼軌采用了先進(jìn)的焊軌技術(shù)。

目前，全國(guó)的高鐵系統(tǒng)至少建設(shè)了16個(gè)焊軌基地。它們的主要任務(wù)就是將5根100m長(zhǎng)的鋼軌焊接成500m長(zhǎng)的超長(zhǎng)鋼軌用于高鐵軌道鋪設(shè)。在焊軌基地，最讓人印象深刻場(chǎng)景的就是十幾臺(tái)、二十幾臺(tái)龍門吊協(xié)調(diào)一致地吊運(yùn)長(zhǎng)長(zhǎng)的鋼軌（圖1所示）。

十幾臺(tái)、二十幾臺(tái)龍門吊合力吊運(yùn)一根長(zhǎng)鋼軌，要求各吊具的空間位置保持在一根直線上，并能夠同步移動(dòng)。這就要求對(duì)每一臺(tái)龍門吊吊具的空間位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。吊具在垂直方向上的定位通常采用絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器，在水平方向上的定位則需要絕對(duì)值的直線定位傳感器來(lái)完成。在國(guó)內(nèi)多個(gè)焊軌基地的龍門吊上裝備了德國(guó)倍加福公司（Pepperl+Fuchs）的數(shù)字化定位傳感器WCS，用以實(shí)現(xiàn)吊具在水平方向上的精確定位（圖2所示）。WCS的長(zhǎng)量程、數(shù)字化、高精度絕對(duì)值定位、耐嚴(yán)酷環(huán)境等特點(diǎn)，都非常契合長(zhǎng)鋼軌程控群吊的應(yīng)用需求。

本文將簡(jiǎn)要介紹數(shù)字化定位傳感器WCS系統(tǒng)在工廠自動(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

二、數(shù)字化定位傳感器WCS系統(tǒng) [1]

1、工作原理

數(shù)字化定位傳感器WCS的基本工作原理是在不銹鋼帶或者聚酯帶上沖出代表位置信息的一維碼（條形通孔），用配備有對(duì)射光電傳感器組件的讀頭來(lái)讀取碼帶上的位置信息，并將此位置信息編輯成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化協(xié)議信號(hào)輸出。

2、性能參數(shù)

數(shù)字化定位傳感器WCS系統(tǒng)由讀頭和一維碼碼帶（圖3）組成。以最新的WCS3B系列為例，碼帶長(zhǎng)度可達(dá)314.5m，絕對(duì)值定位分度±0.4mm，碼帶材質(zhì)有不銹鋼和聚酯兩種。WCS3B讀頭的讀碼速度可達(dá)12.5m/s，有 RS485、EtherNet/IP、ProfiNet等多種數(shù)字輸出接口品種，有室內(nèi)型（IP54）和戶外型（IP67/IP69），有常規(guī)環(huán)境溫度型（0℃～ 60℃）和低溫型（-40℃～ 60℃），廣泛適合各種工廠自動(dòng)化應(yīng)用環(huán)境。

3、產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

用數(shù)字化碼帶標(biāo)志絕對(duì)位置信息為工廠自動(dòng)化的定位應(yīng)用提供了便利。首先，通過(guò)讀碼而不是測(cè)量來(lái)確定位置，定位的準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性就不再受測(cè)量誤差、時(shí)間漂移、溫度漂移、模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差的影響；其次，由于碼帶可以在一定程度上彎曲，不但能夠?qū)崿F(xiàn)直線定位，而且能夠?qū)崿F(xiàn)曲線定位，從而擴(kuò)展了自動(dòng)化定位的應(yīng)用領(lǐng)域；第三，通過(guò)讀碼定位可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)裝備同時(shí)在同一條碼帶上工作，從而提高整體工作效率。

WCS的突出優(yōu)勢(shì)在于其全天候的整體設(shè)計(jì)。其碼帶不僅材質(zhì)為不銹鋼或者聚酯，抗風(fēng)雨、耐腐蝕、不易損毀，而且條形通孔的信息碼不怕污染和磨損，再配上高防護(hù)等級(jí)的讀頭，整體適合戶外環(huán)境或條件惡劣的室內(nèi)環(huán)境。

三、數(shù)字化定位傳感器WCS系統(tǒng)的應(yīng)用

1、長(zhǎng)鋼軌程控群吊

在高鐵焊軌基地吊運(yùn)100m長(zhǎng)、甚至更長(zhǎng)的高鐵鋼軌需要十幾、二十幾臺(tái)龍門吊協(xié)同工作，每臺(tái)吊車上的電動(dòng)葫蘆要同步運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的速度一致、停止的位置一致、吊具的高度一致。德國(guó)倍加福的絕對(duì)值編碼器可以用來(lái)解決垂直方向上吊具高低定位問(wèn)題，而倍加福的WCS系統(tǒng)能夠很好地解決水平方向的定位。

水平方向定位有兩個(gè)方向的應(yīng)用。沿鋼軌長(zhǎng)度方向（或稱X方向），排列著十幾、二十幾臺(tái)龍門吊，它們?cè)谕卉壍郎线\(yùn)動(dòng)，根據(jù)工藝需要調(diào)整相互間的間距。它們的定位精度要求并不高，主要考慮的是定位的效率和靈活性。WCS的定位碼帶可長(zhǎng)達(dá)314.5m，可滿足大多數(shù)焊軌基地在X方向上的定位長(zhǎng)度需求。所有龍門吊可以在同一碼帶上分別定位；在鋼軌的垂直方向（或稱Y方向），十幾、二十幾臺(tái)吊車的吊具必須同步運(yùn)動(dòng)，而且定位精度要求高。WCS靠讀碼定位，定位分度±0.4mm，沒(méi)有額外的測(cè)量誤差和時(shí)漂、溫漂，不僅定位精度完全滿足要求，而且從原理上保證每臺(tái)吊車定位的一致性。此外，WCS3B系列有戶外型，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67/IP69，同時(shí)工作環(huán)境溫度達(dá)到-40℃～ 60℃，滿足全天候工作要求。WCS3B系列可選ProfiNet和EtherNet/IP兩種常用的工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)字輸出接口，可極大地方便群吊的控制系統(tǒng)集成。

2、集裝箱吊裝設(shè)備

“一帶一路”倡議給中國(guó)集裝箱運(yùn)輸?shù)倪M(jìn)一步發(fā)展提供了契機(jī)，新的機(jī)會(huì)并不僅出現(xiàn)在集裝箱海運(yùn)，更出現(xiàn)在集裝箱鐵路運(yùn)輸，以及多式聯(lián)運(yùn)。圖4所示為中鐵聯(lián)集的某個(gè)中心站。在一帶一路沿線，這樣的集裝箱貨場(chǎng)將越來(lái)越多，不計(jì)其數(shù)。

海運(yùn)也好，鐵路運(yùn)輸也好，集裝箱運(yùn)輸?shù)呢泩?chǎng)箱位現(xiàn)在都已經(jīng)離不開數(shù)字化管理，而集裝箱龍門吊司機(jī)必須依照箱位進(jìn)行吊裝和堆放。數(shù)字化定位傳感器WCS可以幫助集裝箱龍門吊輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)字化精確定位，如圖5所示。從而有效改善吊車司機(jī)的操作條件，大幅提高工作效率。

現(xiàn)在的中國(guó)，全自動(dòng)集裝箱港口已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。隨著人工智能的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，龍門吊的智能化并不遙遠(yuǎn)，借助WCS數(shù)字化定位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的鐵路集裝箱裝卸也不是沒(méi)有可能。

3、數(shù)字化工廠倉(cāng)庫(kù)的行車

在很多情況下，工廠數(shù)字化升級(jí)首先考慮的便是廠內(nèi)物流倉(cāng)儲(chǔ)的數(shù)字化。在鋼鐵、有色金屬、造紙等行業(yè)，廠內(nèi)數(shù)字化物流倉(cāng)儲(chǔ)大量使用精確定位的行車。數(shù)字化定位傳感器WCS在這一領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的應(yīng)用前景，如圖6所示。

如前所述，WCS絕對(duì)值定位距離長(zhǎng)、定位精度高、運(yùn)行速度快、環(huán)境耐受性強(qiáng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，這些特性使其特別適用于冶金、造紙行業(yè)面積超大、環(huán)境塵埃多、維保不易的倉(cāng)庫(kù)。

4、智能化立體倉(cāng)庫(kù)的堆垛機(jī)

對(duì)于智能化立體倉(cāng)庫(kù)的堆垛機(jī)，現(xiàn)在已經(jīng)有了多種數(shù)字化定位方案，如激光測(cè)距定位、激光掃描一維碼碼帶定位、視覺(jué)讀取二維碼碼帶定位，以及這里介紹的WCS定位等。其中，WCS定位主要用于條件相對(duì)苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，冷鏈倉(cāng)庫(kù)的應(yīng)用環(huán)境要求在-28℃以下工作，其他方案都難以滿足，只有WCS可以勝任（WCS的工作溫度可以低到-40℃）。例如，小件、輕件直取的立體倉(cāng)庫(kù)往往要求堆垛機(jī)高速取件，堆垛機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)則需要加速度控制，WCS能夠更有效地滿足這種應(yīng)用要求。圖7是一款取件運(yùn)行速度達(dá)到6m/s的輕型堆垛機(jī)實(shí)例。

5、汽車制造廠車身機(jī)械化運(yùn)輸設(shè)備

汽車制造廠里車身在各車間之間的運(yùn)輸和在各工位之間的運(yùn)輸大都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。車身運(yùn)輸可分空中、地面，以及升降三種模式，無(wú)論對(duì)于哪一種，數(shù)字化定位傳感器WCS都有用武之地。

電動(dòng)單軌懸掛小車（EMS Car）是車身在空中運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備之一，使用WCS定位（如圖8（a）所示）的目的主要有兩個(gè)。一是實(shí)時(shí)掌握每一臺(tái)車身的空間位置，便于控制車距和進(jìn)行車身調(diào)度編組；二是在總裝車間的底盤線上與地面承載動(dòng)力總成的自動(dòng)導(dǎo)航小車（AGV）實(shí)現(xiàn)精確對(duì)位。

應(yīng)用WCS的電動(dòng)單軌懸掛小車可以實(shí)現(xiàn)全程數(shù)字化定位，并可輕松完成轉(zhuǎn)彎和變軌動(dòng)作，這樣，幾十輛、上百輛懸掛小車得以在空中有序行走，并進(jìn)行調(diào)度編組，助力工廠實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

WCS在車身地面運(yùn)輸方面主要應(yīng)用在車身總拼焊裝線的高速輥床上，如圖9所示。車身總拼線采用WCS為高速滾床定位，主要是利用WCS能夠快速精確定位的特點(diǎn)。由于車身總拼線復(fù)雜且昂貴，整車廠通常選擇只建一條柔性化高速總拼線的方案。這就要求車身在各工位之間的運(yùn)輸快速、準(zhǔn)確、一步到位。目前，在生產(chǎn)節(jié)拍超過(guò)45JPH的總拼線上，應(yīng)用WCS定位的高速滾床已經(jīng)非常普及。

6、全自動(dòng)電鍍生產(chǎn)線

另一個(gè)凸顯WCS獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用場(chǎng)景是全自動(dòng)電鍍生產(chǎn)線上的輸送吊具。如圖10所示。

電鍍車間的環(huán)境空氣中難免存在有毒、有害、腐蝕性的氣體，對(duì)于定位傳感器的抗腐蝕性能是很嚴(yán)酷的考驗(yàn)。長(zhǎng)期的應(yīng)用實(shí)踐證明WCS的碼帶和讀頭在這方面表現(xiàn)卓越。

四、結(jié)論

綜上所述，德國(guó)倍加福公司（Pepperl+Fuchs）的數(shù)字化定位傳感器WCS廣泛適用于長(zhǎng)鋼軌程控群吊、集裝箱吊裝設(shè)備，為“一帶一路”建設(shè)服務(wù)；廣泛適用于數(shù)字化工廠倉(cāng)儲(chǔ)的行車、智能化立體倉(cāng)庫(kù)的堆垛機(jī)、車身機(jī)械化運(yùn)輸設(shè)備、電鍍生產(chǎn)線等嚴(yán)酷環(huán)境下的吊具等，為智能制造、制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供高速、精確、可靠的數(shù)字化定位手段。