多層穿梭車換層技術分析

文/胡建法 李成友 徐超 周伶俐 王浩旭

隨著電子商務的蓬勃發展，規模化定制引導著物流發展趨勢?，F代物流中心的規模變得越來越大，所處理的品規也越來越多，小訂單比例越來越高，揀選和配送速度越來越快。

與傳統的“人到貨”揀選模式相比，穿梭車密集倉儲系統的作業效率及揀選正確率大大提高，同時節約了大量人力成本和土地成本。

目前，件箱密集倉儲系統中采用的穿梭車，主要有普通穿梭車、自動換層穿梭車、子母穿梭車、四向穿梭車等。子母穿梭車、四向穿梭車可在水平方向換道，適用于存在多條巷道的場合；普通穿梭車+換層提升機組合，穿梭車可實現在豎直方向換層。兩種方式均可提高穿梭車的設備利用率，系統柔性。

自動換層穿梭車沿貨架立柱自動爬升方式，對貨架的制造、安裝精度要求較高。本文僅討論提升機自動換層模式。

一、單層作業和跨層作業模式

根據是否可跨層作業，穿梭車系統可分為單層作業和跨層作業兩種模式。

1.單層作業模式

單層作業模式通常由出、入庫提升機、存儲貨架、多層穿梭車組成。

在單層作業模式下，一條巷道內，每層貨架配置一臺穿梭車。其平面布局圖和立面圖，如圖1、圖2。

與“人到貨”揀選模式相比，穿梭車密集倉儲系統的作業效率及揀選正確率更高

圖1 單層作業模式穿梭車系統平面布局圖

2.跨層作業模式

跨層作業模式下，一條巷道內，n層貨架只需配置m臺穿梭車（m＜n）。同時，在單層作業模式穿梭車系統的基礎上，跨層作業模式多配置了一臺穿梭車換層提升機。其平面布局圖，如圖3。

3.兩種作業模式對比

圖2 單層作業模式穿梭車系統立面圖

圖3 跨層作業模式穿梭車系統平面布局圖

圖4 錯位說明示意圖

單條巷道，n層貨架。單層作業模式配置n臺穿梭車；跨層作業模式配置m（m＜n）臺穿梭車，1臺穿梭車換層提升機。當穿梭車系統出入庫流量很大時，即便采用單層作業模式，穿梭車閑置率也很低，這種情況只適宜采用單層作業模式。兩種模式的對比分析，只針對存在一定的穿梭車閑置，適宜采用跨層作業模式的情況。

（1）經濟性對比

通常情況下，密集倉儲系統出入庫端均設有一定數量的緩存工位，用于出入庫物料的排序暫存。穿梭車連續完成某層的出入庫任務后，即可轉入另一層繼續執行出庫任務，從而減少穿梭車空閑時間，提高設備利用率。對于設置有合理數量的出入庫緩存工位的多層穿梭車系統，當穿梭車數量m滿足總出入庫流量時，增加穿梭車數量來增加系統效率的作用逐漸轉弱，即出現穿梭車閑置。

單層作業模式與多層作業模式在設備配置及控制系統方面均有差別，二者的經濟性，取決于系統采用單層作業模式時，穿梭車的閑置率。當閑置穿梭車的成本大于換層提升機的成本時，采用跨層作業模式更為經濟。

（2）擴展性對比

“一軌多車”模式下，需考慮穿梭車之間的相互避讓，效率提高效果不佳，且控制復雜，所以單層作業模式幾乎沒有擴展性；而跨層作業模式可隨出入庫流量的增加，而增加穿梭車數量。

（3）系統柔性對比

當某巷道穿梭車出現故障或其他意外情況時，對單層作業模式來講，該層該巷道的所有貨物都不能進行出入庫作業，這就對出入庫作業產生了極大影響，給企業帶來了一定損失；而對跨層作業模式，某一小車出現故障時，可以調度其他小車至該層完成出入庫作業，可以有效地將某一小車出現故障所帶來的影響降至最低，保證了系統整體性能。

二、穿梭車換層面臨的問題

1.限位裝置的自動開合

單層作業模式下，穿梭車軌道端頭的限位裝置為死擋?？鐚幼鳂I模式下，走行軌道靠換層提升機一側需設置為能自動開合的活動限位裝置。不需要換層時，活動限位裝置能起到防止小車沖出軌道的作用；需要換層時，活動裝置應能自動打開，讓出穿梭車上下換層提升機升降臺的通道。

2.升降臺錯位

（1）錯位的分類

①高度錯位：升降臺處于水平狀態，只存在y方向存在高差，導軌兩側高差相等，即ΔH1=ΔH2。

②x軸轉角錯位：升降臺處于傾斜狀態，存在繞x軸的轉角αx，導軌兩側高差相等，ΔH1=ΔH2。

③z軸轉角錯位：升降臺處于傾斜狀態，存在繞z軸的轉角αz，導軌兩側高差不同，ΔH1≠ΔH2。

對于αx、αz，規定逆時針轉角為正值，順時針轉角為負值。

錯位說明示意圖，如圖4。

（2）錯位的危害

理想狀態，換層提升機升降臺應與穿梭車走行軌道齊平，即，ΔH1=ΔH2=0，αx=αz=0°，以保證穿梭車的平穩過渡。

穿梭車分為帶電池和不帶電池兩種。目前不帶電池的穿梭車一般采用滑觸線供電。采用滑觸線供電的穿梭車還需考慮集電臂的平穩過渡。

以下分析為錯位超差的極端狀態，實際應用時，一般處于理想狀態與極端狀態之間。ΔH1≠ΔH2時，統一按ΔH1＜ΔH2考慮。

①ΔH1=ΔH2＞0且達到一定限度，穿梭車不能走行到升降臺上；

②ΔH1=ΔH2＜0且達到一定限度，穿梭車可以走行到升降臺上，但為跳臺跌落，過渡不平穩；

③αz≠0且達到一定限度，對于滑觸線供電的穿梭車，由于集電臂不能順利過渡，不管高度錯位多少，穿梭車不能走行到升降臺上。

（3）造成錯位的原因

①升降臺走行輪與提升機立柱導軌之間存在安裝間隙。

②運行磨損，導致升降臺走行輪與立柱導軌之間的間隙增大。

③制造、安裝過程中不可避免的誤差。

④走行軌道、升降臺加載后產生變形。升降臺穿梭車進入升降臺的過程，是一個逐漸加載的過程，懸臂端頭撓度必然是個變量。

⑤一組升降臺對應多層貨架，存在停位誤差。

三、提高換層可靠性的有效措施

換層技術的關鍵在于盡量減少高度錯位和轉角錯位，使得穿梭車能平穩過渡，延長設備使用壽命。對于降低錯位誤差，我們有以下幾個努力方向：

1.提高制造、安裝精度

提高制造、安裝精度，可有效控制系統初始靜態誤差，降低系統調試難度。

2.增加升降臺剛度

增加升降臺剛度，能減少升降臺端頭撓度，從而減少高度錯位誤差。

3.合理選用提升機的支撐結構

采用單立柱支撐結構的提升機，除存在高度錯位誤差外，還同時存在x軸轉角錯位誤差和z軸轉角錯位誤差?？枯喥茡p后，轉角誤差還有加大的趨勢。

采用雙立柱支撐結構的提升機，除存在高度錯位誤差外，還存在z軸轉角錯位誤差。

采用四立柱框架支撐結構的提升機，升降臺運行過程中基本能保持水平狀態，轉角錯位誤差可以控制在較小的范圍內，可以考慮為只有高度錯位誤差。

停位精度方面，四立柱框架結構提升機優于雙立柱提升機，雙立柱提升機又優于單立柱提升機。但實際應用中，由于場地限制，物料提升機與換層提升機并列，有時會不得不選用雙立柱，甚至單立柱提升機。

4.增加軌道對接輔助裝置

通過在升降臺一側軌道端頭處增加軌道對接輔助裝置，在對接時，矯正錯位，同時使接縫處形成臨時剛性連接。

5.穿梭車集電臂可脫離設計

此項主要針對不帶電池的穿梭車。如滑觸線供電穿梭車改為帶低容量電池的穿梭車，集電臂與穿梭車可脫離，以使得集電臂只在貨架區域運行，無需和穿梭車一起過渡到換層提升機升降臺，從而減少故障環節。穿梭車帶低容量電池，還有一大好處，即解決意外掉電情況時的穿梭車停車問題。

集電臂順暢過渡要求的錯位誤差，一般比穿梭車順暢過渡要求的錯位誤差更為嚴苛。

6.升降臺采用同步帶傳動

鏈傳動的瞬時轉速和瞬時傳動比不是常數，而同步帶傳動具有準確的傳動比。因此，傳動平穩性及準確停位方面鏈傳動不如同步帶傳動，換層提升機升降臺升降采用同步帶傳動將獲得更高的停位精度及穩定性。

7.升降臺二次停位

控制系統能自動識別升降臺停位誤差，當誤差較大時，啟動二次停位進行修正。

四、結束語

采用提升機對穿梭車進行的多層穿梭車系統，換層提升機升降臺停位后，與穿梭車走行軌道一般都有一定的高度錯位和轉角錯位，從而導致穿梭車過渡時出現不同程度的卡滯、跳臺現象；對于采用滑觸線供電模式的穿梭車，還存在集電臂在軌道對接處過渡不暢的情況。換層技術的關鍵在于盡量減少高度錯位和轉角錯位，使得穿梭車能平穩過渡，延長設備使用壽命。

錯位通常是由多個因素綜合導致的?？梢酝ㄟ^提高制造、安裝精度，增加升降臺剛度，合理選用提升機的支撐結構，增加軌道對接輔助裝置，穿梭車集電臂可脫離設計，升降臺二次停位等方式減少錯位誤差。其中，提高制造安裝精度、合理選用提升機支撐結構往往受經濟性、制造水平、場地限制等因素制約；增加軌道對接輔助裝置，穿梭車集電臂可脫離設計，升降臺二次停位成為成本增加不大卻行之有效的措施，值得進一步探究及推廣使用。