軸承成品自動(dòng)化立體倉庫的設(shè)計(jì)

王兵信，溫優(yōu)優(yōu)，鈔仲凱，毛雨欣，李暢

（1. 中機(jī)十院國際工程有限公司，河南 洛陽 471039；2. 洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039）

1 概述

物流倉儲(chǔ)自動(dòng)化、智能化的產(chǎn)生源于 20 世紀(jì) 50 年代的美國，1963 年美國率先在高架倉庫中采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，建立了第一座計(jì)算機(jī)控制的高架倉庫。此后自動(dòng)化高架倉庫在美國和歐洲得到迅速發(fā)展，并形成了專門的學(xué)科。目前許多跨國集團(tuán)、大型企業(yè)均采用這種倉庫，如可口可樂、沃爾瑪?shù)取６袊詣?dòng)化立體倉庫的發(fā)展可以追溯到上世紀(jì)八十年代，當(dāng)時(shí)國內(nèi)倉儲(chǔ)設(shè)備市場處于起步階段，因自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用有限導(dǎo)致發(fā)展比較緩慢。隨著當(dāng)前中國經(jīng)濟(jì)的快速增長和物流行業(yè)的發(fā)展，企業(yè)間的競爭越發(fā)激烈，自動(dòng)化立體倉庫逐漸成為各行各業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)。

軸承是工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)械設(shè)備中不可或缺的基礎(chǔ)零部件，它在各行業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用，在我國的機(jī)械制造業(yè)中具有重要的地位。隨著自動(dòng)化、信息化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，自動(dòng)化立體倉庫在軸承行業(yè)中的應(yīng)用也日益普及。因自動(dòng)化立體倉庫在軸承行業(yè)中具有存儲(chǔ)密度高、存取效率高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，能夠提高軸承行業(yè)的存儲(chǔ)和物流效率，降低成本，提高市場競爭力，應(yīng)用前景越發(fā)廣闊。

2 自動(dòng)化立體倉庫業(yè)務(wù)流程及建設(shè)需求

軸承成品自動(dòng)化立體倉庫的構(gòu)建用于滿足業(yè)務(wù)需求。軸承成品倉庫的日常主要有成品入庫、出庫、盤點(diǎn)三項(xiàng)基本業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)流程分別為：

（1）入庫

生產(chǎn)車間發(fā)起入庫需求→成品運(yùn)達(dá)指定入庫位置→確認(rèn)成品信息（型號(hào)、數(shù)量、狀態(tài)）→堆垛至庫位

（2）出庫

銷售部門發(fā)起出庫需求→成品到達(dá)指定出庫位置→確認(rèn)成品信息→分揀→運(yùn)至裝車位置

（3）盤點(diǎn)

盤點(diǎn)業(yè)務(wù)為庫房管理部門定期或不定期對(duì)實(shí)際存儲(chǔ)情況進(jìn)行核查，與服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行對(duì)比，核對(duì)兩者是否一致；若不一致，則以現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行修正。

結(jié)合軸承行業(yè)的特點(diǎn)，軸承成品自動(dòng)化立體倉庫建設(shè)主要有以下五個(gè)方面的要求：

（1）高效倉儲(chǔ)

軸承行業(yè)的生產(chǎn)和銷售規(guī)模比較龐大，有大量的軸承產(chǎn)品進(jìn)行倉儲(chǔ)和分發(fā)。自動(dòng)化立體倉庫需要進(jìn)行高密度存儲(chǔ)和快速取貨，提高倉儲(chǔ)效率，減少人工操作和等待時(shí)間。

（2）精確管理

軸承行業(yè)的產(chǎn)品類型繁多，不同型號(hào)規(guī)格的軸承要分類管理。自動(dòng)化立體倉庫需要精確管理軸承的庫存數(shù)量、位置和狀態(tài)。

（3）質(zhì)量保證

軸承作為重要的機(jī)械零部件，其質(zhì)量對(duì)于主機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。自動(dòng)化立體倉庫需要盡量避免人為因素對(duì)貨物造成的損壞和誤操作，保證貨物質(zhì)量的穩(wěn)定可靠。

（4）接單迅速

軸承行業(yè)的訂單量較大，對(duì)訂單的快速處理和準(zhǔn)時(shí)交付有較高的需求。自動(dòng)化立體倉庫需要實(shí)現(xiàn)訂單的快速分配、貨物的快速取出，提高訂單處理速度和客戶滿意度。

（5）數(shù)據(jù)支持

軸承行業(yè)需要對(duì)倉庫運(yùn)營和庫存情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。自動(dòng)化立體倉庫的管理系統(tǒng)需要可提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)報(bào)表和分析，幫助經(jīng)營管理者做出準(zhǔn)確的決策。

3 自動(dòng)化立體倉庫的構(gòu)成與選擇

軸承成品立體倉庫主要由倉庫建筑、立體貨架、輸送設(shè)備、管理系統(tǒng)等硬件與軟件所構(gòu)成。在設(shè)計(jì)自動(dòng)化立體倉庫時(shí)，需要綜合考慮貨物的吞吐量、周轉(zhuǎn)率、裝載單元尺寸等參數(shù)來確定立體貨架的高度、長度與布置形式；再對(duì)貨物在庫內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間進(jìn)行分析，確定各相關(guān)設(shè)備的能力，為設(shè)計(jì)自動(dòng)化立體倉庫提供科學(xué)依據(jù)。

3.1 倉庫建筑

倉庫建筑在廠區(qū)內(nèi)的位置要充分提升空間使用利用率，協(xié)調(diào)與相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)廠房之間的物流關(guān)系，使物流便捷、順暢，節(jié)省運(yùn)輸成本。倉庫建筑考慮到貨物的存儲(chǔ)容量和流動(dòng)性，通常采用高大的建筑結(jié)構(gòu)，配備適當(dāng)?shù)某鋈肟诤拓浳镞\(yùn)輸設(shè)備的通道，共同完成軸承成品的存儲(chǔ)、分發(fā)、裝卸、配送任務(wù)。同時(shí)還要配備人員辦公輔房、公用設(shè)備用房。

倉庫建筑內(nèi)需保持通風(fēng)、清潔以及適宜的溫度、濕度，軸承存放位置應(yīng)避免陽光直射。若有條件，倉庫內(nèi)設(shè)置通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)保持溫度為15～25 ℃，相對(duì)濕度 80% 以下。

軸承所用紙箱、木托等包裝材料重量通常不大于軸承本身重量的 1/4，包裝材料體積不大于軸承本身重量的 1/2，此類倉庫建筑定性為戊類火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)。另外，按照我國現(xiàn)有消防規(guī)范要求，高架倉庫應(yīng)設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)。

3.2 立體貨架

軸承成品自動(dòng)化立體倉庫的貨架高度一般設(shè)置為 7～30 米，采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，這對(duì)貨架立柱、橫梁、拉桿等構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度要求較高，貨架立柱和橫梁需用優(yōu)質(zhì)鋼材，同時(shí)要保證優(yōu)質(zhì)的制造精度和良好的防銹蝕性能。貨架的最大長度取決于一臺(tái)堆垛機(jī)在一條通道中所服務(wù)的貨位數(shù)量，由一臺(tái)堆垛機(jī)上、下貨的貨架的最佳長度在 80～120 米[1]。

軸承成品有的采用紙箱包裝后碼垛在托盤上運(yùn)輸，有的是直接碼垛在木箱或紙箱中運(yùn)輸，流通市場中最常見的是采用托盤運(yùn)輸，本文中的自動(dòng)立體倉庫設(shè)計(jì)以托盤運(yùn)輸為例。托盤是立體倉庫中存放貨物的器具，其與軸承成品一起構(gòu)成自動(dòng)化立體倉庫的基本裝載單元。按照我國發(fā)布的《聯(lián)運(yùn)通用平托盤 主要尺寸及公差》（GB/T 2934—2007）推薦使用托盤的平面尺寸為 1.2米×1 米，由于存在有不同軸承型號(hào)尺寸差異、包裝物尺寸誤差、堆放間隙、偏移量等，堆放最大貨態(tài)尺寸可按 1.3 米×1.1 米×1.1 米（長×寬×高）設(shè)計(jì)。此外，每個(gè)裝載單元平均載荷可按1.5 噸，立體貨架地面集中載荷 5～20 噸，地面平均載荷 3～10 噸 進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)中不同類型、尺寸段軸承的重量綜合考慮。

貨架布置形式通常采用兩排相鄰的貨架與一臺(tái)堆垛機(jī)構(gòu)成一個(gè)巷道，軸承成品自動(dòng)立體倉庫一個(gè)巷道的總寬度可按 4 米進(jìn)行設(shè)計(jì)。庫內(nèi)物流按流向劃分主要有兩種類型，詳見圖1 所示。

圖1 庫內(nèi)物流流向圖

Ⅰ型是在一端入庫作業(yè)，另一端出庫作業(yè)。U 型是在倉庫一端同時(shí)進(jìn)行入庫及出庫作業(yè)。相比較而言，Ⅰ型效率較高，而 U 型物流管理和經(jīng)濟(jì)方面較好[1]。具體哪種流向形式應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場條件、生產(chǎn)綱領(lǐng)、裝載單元的搬運(yùn)和管理因素。

按立體貨架與倉庫建筑之間的關(guān)系可分為整體式貨架與分離式貨架。整體式貨架與建筑固連在一起，貨架包含了建筑物的某些構(gòu)造，如房頂、外墻，并相互支撐，它省去了柱子，結(jié)構(gòu)合理、布置緊湊，高度大的貨架幾乎都采用整體式。分離式貨架又稱單體式貨架，是在屋頂較高的建筑物內(nèi)設(shè)置的獨(dú)立貨架，在倉庫規(guī)模較小，貨架高度 6～9 米時(shí)采用此類貨架。

3.3 輸送設(shè)備

輸送設(shè)備用于軸承成品的運(yùn)輸和存儲(chǔ)，主要包括輸送機(jī)、堆垛機(jī)、AGV。輸送機(jī)主要用于輸送裝載單元，由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)帶、鏈條或滾筒等方式，將貨物從一個(gè)位置輸送到另一個(gè)位置。輸送機(jī)的連接通常采用非焊接方式，便于維修裝拆。輸送機(jī)控制系統(tǒng)通過輸送機(jī)上的位置光電傳感器判斷托盤的狀態(tài)，自動(dòng)控制輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)托盤的進(jìn)出、到位和停止。

堆垛機(jī)在貨架的巷道內(nèi)來回運(yùn)行，將位于堆垛機(jī)取貨站臺(tái)的貨物存入貨格，或者取出貨格內(nèi)的貨物運(yùn)送到堆垛機(jī)放貨站臺(tái)。堆垛機(jī)主要由金屬結(jié)構(gòu)、載貨臺(tái)、水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)等部件組成。由行走電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪在下導(dǎo)軌上做水平行走，由提升電機(jī)通過鋼絲繩帶動(dòng)載貨臺(tái)做垂直升降運(yùn)動(dòng)，由載貨臺(tái)上的貨叉做伸縮運(yùn)動(dòng)。行走認(rèn)址器用于控制堆垛機(jī)水平行走位置，提升認(rèn)址器用于控制載貨臺(tái)升降位置。堆垛機(jī)存取貨物周期可通過計(jì)算位于自動(dòng)化立體倉庫平均位置的托盤的單循環(huán)時(shí)間得到，該周期是選擇自動(dòng)化立體倉庫的基本單位。

AGV 是一種自動(dòng)化導(dǎo)引車輛，通常采用無人駕駛的方式進(jìn)行運(yùn)輸。它配備有導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器和控制系統(tǒng)，可以根據(jù)倉庫布局和需求，自主地在倉庫內(nèi)進(jìn)行貨物的運(yùn)輸和分發(fā)。AGV 導(dǎo)航系統(tǒng)有磁條、磁釘、激光、二維碼、輪廓、GPS、視覺等多種導(dǎo)引方式，具體選用可根據(jù)場地環(huán)境、路徑、導(dǎo)航精度、維護(hù)等情況選擇適合的方式。

3.4 檢測裝置

檢測裝置用于對(duì)待入庫的裝載單元長、寬、高進(jìn)行紅外光電掃描，對(duì)重量采用傳感器進(jìn)行檢測，判斷是否超過設(shè)定值，若檢測合格允許入庫。若超過設(shè)定值，在系統(tǒng)里則視為不合格，要求發(fā)出聲光報(bào)警并在電子顯示屏上顯示，并由控制系統(tǒng)退回且向系統(tǒng)報(bào)告超差情況，返工合格后可再次入庫。另外，考慮到采用托盤轉(zhuǎn)運(yùn)貨物存在散托的風(fēng)險(xiǎn)，在輸送設(shè)備上增加薄膜纏托設(shè)備對(duì)貨物進(jìn)行防護(hù)。

3.5 控制與管理系統(tǒng)

控制與管理系統(tǒng)是整個(gè)立體倉庫運(yùn)作的核心，通過集成倉庫內(nèi)各個(gè)設(shè)備來控制并協(xié)調(diào)倉庫內(nèi)各種設(shè)備和物流流程，以實(shí)現(xiàn)高效的貨物存儲(chǔ)和取貨, 參見圖2。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)倉庫的信息化管理；主要包括對(duì)廠房、庫位、堆垛機(jī)、碼垛機(jī)器人、用戶、業(yè)務(wù)單、貨箱、托盤等的標(biāo)簽數(shù)據(jù)化管理；對(duì)物料進(jìn)出庫業(yè)務(wù)的自動(dòng)化搬運(yùn)，采用RFID 無線掃描技術(shù)對(duì)所有的實(shí)體硬件進(jìn)行標(biāo)簽數(shù)據(jù)化，采用 C/S 模式通過 Web Service 接口調(diào)用方式實(shí)現(xiàn)手持終端和服務(wù)器端的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)同時(shí)具有良好的擴(kuò)充性和開放的數(shù)據(jù)接口，能夠與其它信息系統(tǒng)如 ERP、MES 等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖2 管理系統(tǒng)架構(gòu)圖[2]

4 結(jié)論

軸承成品自動(dòng)化立體倉庫與傳統(tǒng)倉庫相比，可提高空間利用率，節(jié)約土地，加快貨物的存取節(jié)奏，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，形成先進(jìn)的物流系統(tǒng)，提高企業(yè)生產(chǎn)管理水平。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的不斷降低，自動(dòng)化立體倉庫在軸承行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛，為軸承行業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)、提高生產(chǎn)效率、降低成本等方面帶來重要影響。同時(shí)，軸承成品自動(dòng)化立體倉庫智能化探索是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段，最終實(shí)現(xiàn)軸承成品倉庫的高效、準(zhǔn)確和智能化管理。