多層堆垛機(jī)系統(tǒng)

韓天文， 薛成超， 傅友賓

（沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，沈陽(yáng) 110168）

0 引言

目前市場(chǎng)上，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)主要有兩種形式，傳統(tǒng)的堆垛機(jī)立體庫(kù)和新興的多層穿梭車(chē)立體庫(kù)。傳統(tǒng)的堆垛機(jī)立體庫(kù)有兩方面的不足，一方面是魯棒性不強(qiáng)，當(dāng)堆垛機(jī)發(fā)生故障時(shí)，其所服務(wù)的巷道隨即處于癱瘓狀態(tài)，無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行相應(yīng)的出入庫(kù)作業(yè)，且一般不存在備用設(shè)備，只能停機(jī)維修造成停工。另一方面是柔性不足、效率低，當(dāng)傳統(tǒng)堆垛機(jī)式的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)建造完成后，其出入庫(kù)能力隨之固定。隨著電子商務(wù)的發(fā)展和定制化服務(wù)的深入，產(chǎn)品生命周期不斷縮短，小批量、多批次、多品種、高時(shí)效特點(diǎn)的訂單不斷增多，傳統(tǒng)的堆垛機(jī)立體庫(kù)已無(wú)法滿足市場(chǎng)需求，歐美等國(guó)推出了多層穿梭車(chē)系統(tǒng)，在電商領(lǐng)域大量應(yīng)用，引起了國(guó)內(nèi)廠商的跟風(fēng)學(xué)習(xí)，近兩三年，國(guó)內(nèi)各大物流廠商均推出了自己的多層穿梭車(chē)系統(tǒng)。多層穿梭車(chē)系統(tǒng)柔性好，能顯著提高效率，易于拆裝維護(hù)，但同時(shí)帶來(lái)了高昂的成本，并未能廣泛應(yīng)用于企業(yè)。

基于效率和成本的考慮，順應(yīng)市場(chǎng)需求，新松機(jī)器人公司研發(fā)設(shè)計(jì)了多層堆垛機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)與多層穿梭車(chē)系統(tǒng)一樣，適用于料箱立體庫(kù)。多層堆垛機(jī)系統(tǒng)的效率和成本均介于堆垛機(jī)系統(tǒng)和多層穿梭車(chē)系統(tǒng)之間，適合應(yīng)用于效率要求較高，業(yè)主方成本控制較嚴(yán)的項(xiàng)目，為這類(lèi)項(xiàng)目提供了很好的解決方案。新松機(jī)器人開(kāi)發(fā)的多層堆垛機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目，并投入到生產(chǎn)使用，為業(yè)主方帶來(lái)了效益，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)推出多層堆垛機(jī)系統(tǒng)并有實(shí)際案例應(yīng)用的企業(yè)。

1 多層堆垛機(jī)系統(tǒng)組成

從設(shè)備組成來(lái)看，多層堆垛機(jī)系統(tǒng)包括貨架系統(tǒng)、多層堆垛機(jī)、雙臂提升機(jī)、輸送系統(tǒng)，考慮到維護(hù)方便，需要有爬梯和維修平臺(tái)。

圖1 多層堆垛機(jī)系統(tǒng)組成

1.1 貨架系統(tǒng)

貨架系統(tǒng)包括貨架、堆垛機(jī)天地軌、維修爬梯、維修平臺(tái)、上層輸送機(jī)安裝平臺(tái)。貨架作為存儲(chǔ)單元，采用組合式橫梁貨架，每個(gè)貨格保管4個(gè)周轉(zhuǎn)箱，橫梁式貨架，結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)的采用勾取式貨叉的堆垛機(jī)立體庫(kù)貨架結(jié)構(gòu)一致。只是需要額外考慮堆垛機(jī)天地軌的安裝，維修平臺(tái)和爬梯的安裝。地軌采用雙軌形式，靠近貨架立柱安裝，承力更高。

多層堆垛機(jī)的地軌是安裝在貨架立柱上的，與傳統(tǒng)堆垛機(jī)不同，傳統(tǒng)堆垛機(jī)地軌都是安裝在地面上的。因此，貨架設(shè)計(jì)時(shí)需考慮堆垛機(jī)地軌的支撐和連接，并要考慮多層堆垛機(jī)的重量。維修平臺(tái)也是直接安裝在貨架立柱上，每有一層堆垛機(jī)，就有一層維修平臺(tái)，可通過(guò)庫(kù)尾端的維修爬梯進(jìn)入到每一層維修平臺(tái)，方便設(shè)備的檢修。

1.2 多層堆垛機(jī)

多層堆垛機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)最核心的設(shè)備。多層堆垛機(jī)的功能與傳統(tǒng)堆垛機(jī)一樣，通過(guò)行走、升降、伸叉三維運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)每個(gè)貨位的出入庫(kù)。為減輕貨架負(fù)擔(dān)，提高速度和加速度，設(shè)計(jì)著重考慮輕量化，多層堆垛機(jī)立柱采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，同步帶提升，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，噪聲小。行走方向采用4個(gè)行走輪，輪徑更小，有利于降低堆垛機(jī)的底層高度。堆垛機(jī)貨叉采用勾取式貨叉，能夠提高速度和加速度，提高貨叉取放貨的效率，但是貨物質(zhì)量有限制，不能超過(guò)50 kg。

多層堆垛機(jī)無(wú)需換層，每層布置一臺(tái)堆垛機(jī)，這樣就省去了堆垛機(jī)換層的提升機(jī)。多層堆垛機(jī)采用滑觸線供電，每層都布置滑觸線，多層堆垛機(jī)的高度通常在2～3 m，一臺(tái)堆垛機(jī)大約負(fù)責(zé)4層左右的貨物存儲(chǔ)。每一個(gè)巷道多層堆垛機(jī)的數(shù)量取決于整個(gè)立體庫(kù)系統(tǒng)的效率要求。

1.3 雙臂提升機(jī)

雙臂提升機(jī)是多層堆垛機(jī)系統(tǒng)的極其關(guān)鍵設(shè)備，雙臂提升機(jī)實(shí)現(xiàn)了地面出入庫(kù)輸送機(jī)與庫(kù)前多層輸送機(jī)的對(duì)接，將料箱輸送到每一層的多層堆垛機(jī)的出入庫(kù)。提升機(jī)的效率決定了整個(gè)系統(tǒng)最大可達(dá)到的效率，當(dāng)立體庫(kù)足夠高，多層堆垛機(jī)數(shù)量很多的情況下，雙臂提升機(jī)便成為瓶頸。雙臂提升機(jī)采用單立柱結(jié)構(gòu)，安裝到地面上，頂部與貨架相連，保證穩(wěn)定性。提升機(jī)兩側(cè)各一個(gè)載貨臺(tái)，載貨臺(tái)上安裝輸送機(jī)，一側(cè)入庫(kù)，一側(cè)出庫(kù)，每個(gè)載貨臺(tái)可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制升降。

1.4 輸送系統(tǒng)

輸送系統(tǒng)可以分為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)區(qū)域是位于雙臂提升機(jī)和貨架之間的輸送機(jī)，這部分輸送機(jī)采用多層設(shè)計(jì)，有幾層堆垛機(jī)就對(duì)應(yīng)幾層輸送機(jī)，多層輸送機(jī)安裝在貨架前端的輸送機(jī)安裝平臺(tái)上，在前端與雙臂提升機(jī)對(duì)接，后端與多層堆垛機(jī)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)貨物的出入庫(kù)功能；另一個(gè)區(qū)域是位于雙臂提升機(jī)前端的輸送機(jī)，這部分輸送機(jī)通常只有一層，直接安裝在地面上，與雙臂提升機(jī)對(duì)接，是庫(kù)房人員的操作區(qū)域。

2 電氣控制系統(tǒng)

多層堆垛機(jī)系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的堆垛機(jī)系統(tǒng)沒(méi)有任何區(qū)別。電氣控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門(mén)子的PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)，構(gòu)建基于PROFINET架構(gòu)的電控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主控制器采用西門(mén)子公司的系列產(chǎn)品。通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，保證了數(shù)據(jù)的無(wú)縫傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和及時(shí)性。電控系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，利于網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，使電控系統(tǒng)有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。

電氣控制系統(tǒng)的功能主要有控制方式切換、信息查詢、停電保護(hù)等功能。現(xiàn)場(chǎng)分布觸摸屏設(shè)置操作密碼保護(hù)，重要的操作需要密碼錄入確認(rèn)后才能進(jìn)入操作界面。

3 信息系統(tǒng)

配置中央控制室，在中央控制室放置服務(wù)器，服務(wù)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，并運(yùn)行應(yīng)用服務(wù)程序。服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)和客戶端的通訊、與上位系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)的通訊，利用數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。

信息管理系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)將作業(yè)命令傳達(dá)給監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)將作業(yè)命令經(jīng)過(guò)優(yōu)化后分解為設(shè)備可執(zhí)行命令，通過(guò)PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)傳達(dá)給設(shè)備控制系統(tǒng)，控制設(shè)備的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速有效的運(yùn)行。

4 多層堆垛機(jī)系統(tǒng)的效率

通常情況下，多層堆垛機(jī)系統(tǒng)的效率取決于多層堆垛機(jī)的數(shù)量，有幾臺(tái)多層堆垛機(jī)，效率就是傳統(tǒng)堆垛機(jī)系統(tǒng)的幾倍。但當(dāng)多層堆垛機(jī)數(shù)量特別多時(shí)，雙臂提升機(jī)的效率就成為瓶頸。因此，設(shè)計(jì)多層堆垛機(jī)系統(tǒng)時(shí)需要考慮雙臂提升機(jī)與多層堆垛機(jī)的效率匹配。

5 多層堆垛機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

5.1 對(duì)比傳統(tǒng)堆垛機(jī)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的堆垛機(jī)系統(tǒng)設(shè)備組成簡(jiǎn)單，僅包括貨架、堆垛機(jī)和庫(kù)前端輸送機(jī)，控制和調(diào)度也相對(duì)簡(jiǎn)單，由于技術(shù)非常成熟，成本低。缺點(diǎn)是效率低，故障時(shí)需要停機(jī)檢修。

多層堆垛機(jī)系統(tǒng)由于有庫(kù)前端的雙臂提升機(jī)，每一個(gè)巷道有多臺(tái)堆垛機(jī)，輸送機(jī)也是多層的，成本會(huì)比傳統(tǒng)堆垛機(jī)系統(tǒng)高出很多。優(yōu)點(diǎn)是效率比傳統(tǒng)堆垛機(jī)系統(tǒng)高，有一臺(tái)堆垛機(jī)故障時(shí)，其余堆垛機(jī)也能完成該巷道的出入庫(kù)，不致于造成整個(gè)立體庫(kù)系統(tǒng)的癱瘓。

5.2 對(duì)比多層穿梭車(chē)系統(tǒng)

通常情況下，多層穿梭車(chē)系統(tǒng)不會(huì)布置一層一臺(tái)穿梭車(chē)，那樣會(huì)帶來(lái)高昂的成本，穿梭車(chē)需要換層來(lái)完成所有貨位的出入庫(kù)，因此多層穿梭車(chē)系統(tǒng)會(huì)比多層堆垛機(jī)系統(tǒng)多一臺(tái)穿梭車(chē)換層的提升機(jī)，這臺(tái)提升機(jī)位于巷道庫(kù)尾端，這就增加了成本和占地面積。從貨架結(jié)構(gòu)看，多層穿梭車(chē)系統(tǒng)要求每一層都有穿梭車(chē)軌道，通常的做法是利用軌道作為貨架橫梁，軌道的成本要比普通橫梁高很多，這也造成了成本的增加。

多層穿梭車(chē)系統(tǒng)的效率和柔性要高于多層堆垛機(jī)系統(tǒng)，多層穿梭車(chē)最多可每層布置一臺(tái)車(chē)，可以通過(guò)增加多層穿梭車(chē)數(shù)量來(lái)提高系統(tǒng)的效率，是目前效率最高的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)形式。但是效率也不能無(wú)限地增加，庫(kù)前端的雙臂提升機(jī)是瓶頸，從國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)來(lái)看，一臺(tái)高速提升機(jī)最大能匹配穿梭車(chē)的數(shù)量是10臺(tái)左右，具體數(shù)量需要根據(jù)巷道長(zhǎng)度和立體庫(kù)高度進(jìn)行核算。

6 結(jié)論

本文介紹了新松機(jī)器人公司開(kāi)發(fā)的多層堆垛機(jī)系統(tǒng)，從設(shè)備組成上對(duì)多層堆垛機(jī)系統(tǒng)做了說(shuō)明，簡(jiǎn)要介紹了電氣控制系統(tǒng)及信息系統(tǒng)，分析了多層堆垛機(jī)系統(tǒng)的效率，并將其與傳統(tǒng)的堆垛機(jī)系統(tǒng)和新興的多層穿梭車(chē)系統(tǒng)做了優(yōu)缺點(diǎn)分析。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 牟善棟.多層穿梭車(chē)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)建模與優(yōu)化[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2014.

[2] 余華,旺浩.有軌巷道堆垛機(jī)水平行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新,2014,17(3):16-18.

[3] 周奇才.基于現(xiàn)代物流的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)(AS/RS)管理及控制技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2002.

[4] 何善君.自動(dòng)小車(chē)存取系統(tǒng)的建模及其若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廈門(mén):廈門(mén)大學(xué),2008.

[5] 齊昌盛.自動(dòng)小車(chē)存取系統(tǒng)效率優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真[D].廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)，2011.

[6] CONNON D F,PRADIER H.Rail rolling contact fatigue research by the European Rail Research Institute[J].Wear,1996,19(1):1-13.

[7] 顧迪民.工程起重機(jī)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998.

[8] 于佳.淺談自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)在中國(guó)的發(fā)展[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息,2014(5):322.

[9] 祁慶民.在機(jī)遇中創(chuàng)新發(fā)展—2013年中國(guó)物流裝備市場(chǎng)回顧與2014年展望:自動(dòng)化立體庫(kù):技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展市場(chǎng)穩(wěn)步擴(kuò)大[J].物流技術(shù)與應(yīng)用,2014(4):62-64.

[10] 胡峰.立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技信息,2010(15):71-74.

[11] 徐正林.基于低碳節(jié)能物流裝備的技術(shù)研究[J].物流技術(shù),2011(8):8-10.

[12] 朱宏輝.物流自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[13] 張鵬迪.煙廠輔料成品物流自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D].北京:北京化工大學(xué),2012.

[14]FUKUNARI M.Analytical foundations for Autonomous Vehicle Storage and Retrieval Systems using load transfer station based dwell point strategies[D].Rensselaer Polytechnic Institute,2003.

[15]孫瓊.卷煙立體庫(kù)自動(dòng)化立體庫(kù)總體規(guī)劃設(shè)計(jì)的研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2006.