穿梭車在自動化物流系統(tǒng)中的應(yīng)用

許劍梅　樓冬梅　王潔芳　袁　皓

摘要：穿梭車在自動化物流系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，針對國內(nèi)外穿梭車的設(shè)計及實際運用，本文著重介紹往復(fù)式、環(huán)行、單軌、雙軌、轉(zhuǎn)軌等穿梭車的結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)用特點。

關(guān)鍵詞：穿梭車、往復(fù)式、環(huán)行、單軌、雙軌、轉(zhuǎn)軌

近年來，自動化物流系統(tǒng)在煙草、機(jī)電、醫(yī)藥、食品、軍隊等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，相關(guān)物流裝備趨于多元化，其技術(shù)性能和水平不斷提高。在自動化物流系統(tǒng)中，物料輸送主要采用鏈?zhǔn)?、輥道、帶式輸送機(jī)等通用設(shè)備，一般均固定在地面上。將上述設(shè)備裝上走行輪，沿固定路徑移動，就成為穿梭車。穿梭車具有動態(tài)移栽的特點，能使物料在不同工位之間的傳送及輸送線布局更加緊湊、簡捷，從而提高物料的輸送效率。因此，穿梭車在自動化物流系統(tǒng)中應(yīng)用較為普遍。

一般來說，沿固定軌道行走的輸送設(shè)備稱為穿梭車(RGV)，無軌的稱為自動導(dǎo)引車(AGV)，在空中輸送的稱為懸掛小車(EMS)。從軌道形式上，穿梭車可分為往復(fù)式直行穿梭車和環(huán)行穿梭車，環(huán)行穿梭車能在同一軌道上運行多輛車體，可大大提高搬運能力，是穿梭車的發(fā)展趨勢。目前，國內(nèi)穿梭車的速度一般為120～200m/min，在國外機(jī)場行李分揀系統(tǒng)中，采用無接觸能量傳輸技術(shù)的穿梭車最高走行速度可達(dá)600m/min。

往復(fù)直行穿梭車

往復(fù)直行穿梭車是一種用于自動化物流系統(tǒng)中的智能型軌道導(dǎo)引搬運設(shè)備。在電控系統(tǒng)控制下，通過編碼器、激光測距等認(rèn)址方式精確定位于各個輸入、輸出工位，接受物料后進(jìn)行往復(fù)穿梭運輸，主要應(yīng)用于自動化物流系統(tǒng)中單元物料高速、高效的平面自動輸送，具有高度的自動化和靈活性。

1、結(jié)構(gòu)組成

往復(fù)直行穿梭車主要由車體系統(tǒng)、輸送裝置、認(rèn)址裝置、導(dǎo)軌系統(tǒng)、報警裝置、電氣裝置等組成。

(1)車體系統(tǒng)

車體系統(tǒng)主要由車架體、行走驅(qū)動裝置、裝飾罩組成。車架體是承載其他部件的主體，主要由型鋼焊接而成。行走驅(qū)動裝置主要由傳動軸、驅(qū)動輪及電機(jī)等組成。行走驅(qū)動裝置的走行輪采用高科技聚氯酯材料，既提高了輪子耐磨性，又大大減少了輪子與走行輪問的摩擦力，這樣可以延長輪子的使用壽命。此外，車體可根據(jù)總體工藝流量需要設(shè)計成雙車體，以適應(yīng)雙工位的需求，可提高總體輸送能力。

(2)輸送裝置

輸送裝置是物料輸送部分，安裝于車體上，框架采用鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)物料的形式，可選擇輥道輸送、鏈?zhǔn)捷斔?、皮帶輸送等輸送形式，同時可根據(jù)總體工藝流量需要設(shè)計成雙輸送裝置，以適應(yīng)雙工位輸送的需求，可大大提高總體輸送能力。

(3)認(rèn)址裝置

認(rèn)址裝置是穿梭車出入庫站臺的定位信號裝置。認(rèn)址裝置有鏈條式、同步帶式、摩擦輪式編碼認(rèn)址，以及激光認(rèn)址、條碼認(rèn)址等多種方式，根據(jù)不同的電控模式進(jìn)行選擇。認(rèn)址裝置的精確性和可靠性直接影響穿梭車的定位精度及運行的平穩(wěn)性，因此要根據(jù)設(shè)備的運行能力要求及投資成本選擇不同的認(rèn)址方式。

(4)導(dǎo)軌系統(tǒng)

導(dǎo)軌系統(tǒng)由導(dǎo)軌部分和停止器組成，是承載穿梭車的基礎(chǔ)和行走的導(dǎo)向。導(dǎo)軌有外購輕型鋼軌、專用鋁型材導(dǎo)軌兩種形式。兩種軌道都配置停止器，包括緩沖器和支架等，安裝在軌道兩端，防止穿梭車在意外情況下沖出軌道。軌道類型根據(jù)設(shè)備的運行能力要求及投資成本進(jìn)行選擇。

(5)電氣裝置

電氣裝置由PLC、變頻驅(qū)動器、光電開關(guān)、編碼器、條碼識別器等組成。不同的走行速度配置不同的電控模式，目前較為通用的行走速度為180m/min的往復(fù)式穿梭車其電控模式采用的是速度及位移雙閉環(huán)控制。供電模式主要有柔性拖纜供電、滑觸線供電、無接觸供電三種模式。

2，技術(shù)參數(shù)

物料輸送速度：車載輸送機(jī)輸送速度為12～24m/min，穿梭車走行速度為120～250m/min；

定位精度：±3mm；

最大載重量：1200kg。

3、應(yīng)用特點

進(jìn)行物流系統(tǒng)總體方案設(shè)計時，要從整個系統(tǒng)的能力指標(biāo)、功能要求、總體布局出發(fā)。在選型時，首先要提供系統(tǒng)要求處理的流量、路線布局圖，經(jīng)能力仿真和計算后，才能確定采用的模式。比如，根據(jù)能力不同，在相同的速度、控制模式下可選單工位往復(fù)式直行穿梭車、雙工位往復(fù)式直行穿梭車、一軌雙車雙工位往復(fù)式穿梭車；此外，物料大小、形狀也比較重要，決定了移載、輸送的形式。

單軌環(huán)形穿梭車

單軌環(huán)行穿梭車系統(tǒng)是為適應(yīng)現(xiàn)代化物流系統(tǒng)的快速發(fā)展而開發(fā)的智能型單軌道導(dǎo)引搬運設(shè)備。在電控系統(tǒng)控制下，通過編碼器或條碼認(rèn)址精確定位于各個輸入、輸出工位，接受物料后進(jìn)行環(huán)形單向運輸。

1、結(jié)構(gòu)組成

單軌環(huán)行穿梭車主要由機(jī)械和電氣兩大部分組成，機(jī)械部分由穿梭車、單軌軌道系統(tǒng)和維修車等組成，電氣部分由單機(jī)控制系統(tǒng)、軌道電源供給系統(tǒng)和計算機(jī)調(diào)度管理系統(tǒng)組成。

(1)單機(jī)結(jié)構(gòu)

行走裝置用于實現(xiàn)穿梭車在單軌上直行或轉(zhuǎn)彎走行，由前驅(qū)動部件(含行走行輪和電機(jī))、后驅(qū)動部件(含行走行輪和電機(jī))、2個萬向輪、2組限位導(dǎo)向輪等組成。該裝置是本機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)部分，前后驅(qū)動裝置與輸送裝置之間用可旋轉(zhuǎn)的連接件連接，在轉(zhuǎn)彎時保證可靠、平穩(wěn)、連續(xù)。萬向輪為兩組，分別裝于車體另一側(cè)的地上行走部分，并與其上的立柱固定連接，萬向輪與地面接觸。

輸送裝置由鏈條、鏈輪、左右框梁和輸送減速電機(jī)組成，采用導(dǎo)向輥子導(dǎo)向，導(dǎo)向可靠。

單軌環(huán)行穿梭車的走行輪同樣采用聚氨酯材料。

(2)單軌軌道系統(tǒng)

利用導(dǎo)向輪在軌道上導(dǎo)向，穿梭車就沿著軌道運行。軌道采用專用鋁型材，直線度好、承載能力高，還可用于安裝電器各類輔件。軌道分為直行段和轉(zhuǎn)彎段兩種軌道，其中直行段采用分段設(shè)計，以便于安裝，轉(zhuǎn)彎段最小轉(zhuǎn)彎半徑為800mm。

(3)維修車

在某一臺穿梭車發(fā)生故障時，故障穿梭車可離開主線，整個系統(tǒng)并不停止運行，其他穿梭車仍然繼續(xù)工作。如果維修車不在主線上，互鎖裝置將啟動，使其他穿梭車停下來，需要維修的穿梭車可安全地移載到拆裝軌道上。

(4)電氣部分

①單機(jī)控制系統(tǒng)

輸送和走行均采用變頻控制緩起緩?fù)＃跃徍蛯Π徇\貨物的沖擊，防止貨物在搬運過程中潰散；與各站臺的接口處設(shè)有輸送過渡裝置，使輸送過渡平穩(wěn)，防止貨物在搬運過程中潰散。

②編碼器認(rèn)址方式定位

編碼器使速度控制及停止位置控制簡單化。采用認(rèn)址控制后，系統(tǒng)的可維護(hù)性得到很大的改善，在系統(tǒng)中增加小車及站臺數(shù)量也非常簡單。

③走行裝置

變頻器控制小車的加速或減速，以避免貨物從小車上掉落，使用內(nèi)部微處理器實現(xiàn)了最優(yōu)化

速度控制(加速及減速)和排隊方式起停。

④軌道電源供給系統(tǒng)

供電方式采用安全滑觸線或無接觸能量傳輸方式。

⑤軌道通訊系統(tǒng)

基于Profibus的軌道通訊系統(tǒng)可實時顯示每輛穿梭車的運行狀態(tài)(裝貨/卸貨、穿梭車的位置)，針對每輛穿梭車發(fā)來的搬運請求給予最優(yōu)化的任務(wù)分配，運行可靠，信號不易丟失。

⑥計算機(jī)調(diào)度管理系統(tǒng)

采用Microsoft Visual Basic開發(fā)的調(diào)度管理系統(tǒng)，任務(wù)分配更合理、更優(yōu)化。

⑦可用遙控器模式操作

當(dāng)使用遙控器將穿梭車切換到本地模式后，穿梭車不再受上位計算機(jī)控制。此時，只能使用遙控器操作穿梭車的動作。在此狀態(tài)下，穿梭車可完成多段速前進(jìn)、后退、送貨和取貨操作。

2、技術(shù)參數(shù)

物料輸送速度：車載鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的輸送速度為12～24m/min，穿梭車走行速度為120～250m/min；

定位精度：±5mm；

最大載重量：1200kg；

最小轉(zhuǎn)彎半徑：800mm。

3、應(yīng)用特點

在系統(tǒng)處理能力為100～200次/小時、輸送路線不在一條直線、輸送物料需要排序且轉(zhuǎn)送站臺較多的情況下，一般采用單軌環(huán)形穿梭車來進(jìn)行系統(tǒng)總體平面布局。該系統(tǒng)原則上可替代直行穿梭車，可實現(xiàn)單軌雙向運行。

轉(zhuǎn)軌穿梭車

轉(zhuǎn)軌穿梭車是一種新型的雙軌物料搬運小車，在電控系統(tǒng)的控制下，可以完成在T形(或Y形)岔道的曲線路徑上往返運動，以實現(xiàn)物料搬運功能。針對不同的物料，可以配置不同形式的輸送裝置，以滿足輸送要求。

1、結(jié)構(gòu)組成

轉(zhuǎn)軌穿梭車系統(tǒng)由多臺轉(zhuǎn)軌穿梭車以及軌道系統(tǒng)、電控和調(diào)度系統(tǒng)等組成。

(1)單機(jī)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：是轉(zhuǎn)軌穿梭車的關(guān)鍵部件，由一個減速電機(jī)驅(qū)動一套連桿結(jié)構(gòu)，進(jìn)而帶動位于連桿機(jī)構(gòu)末端的活動導(dǎo)向輪運動。當(dāng)需要通過岔道時，需要轉(zhuǎn)向的一側(cè)活動導(dǎo)向輪向外擺動，擺動到位后，與內(nèi)側(cè)對應(yīng)的導(dǎo)向輪一起，夾持住軌道上的導(dǎo)向板，從而引導(dǎo)車體向相應(yīng)的方向轉(zhuǎn)向行走。

驅(qū)動裝置：轉(zhuǎn)軌穿梭車的行走驅(qū)動采用雙電機(jī)驅(qū)動。雙電機(jī)采用主從模式控制，在直道行走時作速度同步跟蹤，彎道行走時作速度差速匹配，保證直行時兩個驅(qū)動輪速度一致和彎道行走時車輪速度與車輪轉(zhuǎn)彎半徑的關(guān)系。

輸送裝置：用于實現(xiàn)物料的輸入與輸出。根據(jù)輸送物料的不同，移載裝置可采用鏈?zhǔn)?、輥道式等形式?/p>

(2)軌道系統(tǒng)

轉(zhuǎn)軌穿梭車的軌道采用通用型鋼和鋼板組焊而成，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，承載能力高。軌道分為直行段、左轉(zhuǎn)彎段、右轉(zhuǎn)彎段、左岔道段、右岔道段5種形式，其中直行段采用分段設(shè)計。以便于制造和安裝，設(shè)計時根據(jù)總體工藝流程可設(shè)計成環(huán)形或L形。

(3)電控和調(diào)度系統(tǒng)

采用雙電機(jī)驅(qū)動模式，雙電機(jī)采用主從配置，通過獨特的“數(shù)字鎖”技術(shù)，實現(xiàn)速度跟隨、力矩跟隨和速度限幅，從而保證兩個電機(jī)在不同行走狀態(tài)下的速度匹配。

轉(zhuǎn)軌穿梭車系統(tǒng)帶有兩套通訊系統(tǒng)，一是由中控調(diào)度管理系統(tǒng)通過Ethernet無線以太網(wǎng)向穿梭車的調(diào)度管理系統(tǒng)發(fā)布指令，二是由線控系統(tǒng)通過Profinet總線向穿梭車的調(diào)度管理系統(tǒng)發(fā)布指令。

供電采用無接觸能量傳輸供電方式，布線簡單，對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，免維護(hù)。

轉(zhuǎn)軌穿梭車的行走位置檢測采用條碼定位系統(tǒng)實現(xiàn)，定位精度高，并且保證了曲線軌道上的位置檢測。

2、技術(shù)參數(shù)

物料輸送速度：車載鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的輸送速度為12～24m/min，穿梭車走行速度為120～250m/min：

定位精度：±5mm；

最大載重量：1200kg；

行走車輪間距(軌道間距)：1100mm；

前后車輪軸間距：1100mm；

內(nèi)側(cè)軌道彎曲中心半徑：1500mm；

外側(cè)軌道彎曲中心半徑：2600mm；

中心彎曲半徑：2050mm。

3、應(yīng)用特點

在系統(tǒng)功能上，轉(zhuǎn)軌穿梭車系統(tǒng)實現(xiàn)了往復(fù)式穿梭車和單軌環(huán)形穿梭車搬運系統(tǒng)的全部功能。包括直行、轉(zhuǎn)彎、分岔行走和搬運。在岔道處需要改變行走方向時，由穿梭車自己根據(jù)轉(zhuǎn)向要求，通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實現(xiàn)行走方向的改變，從而實現(xiàn)設(shè)備自主換軌轉(zhuǎn)向。與采用地面換軌裝置進(jìn)行對比，轉(zhuǎn)軌穿梭車的軌道系統(tǒng)不采用扳道機(jī)構(gòu)或換軌機(jī)構(gòu)，而是采取單車獨立控制，自主選擇路線執(zhí)行上位系統(tǒng)下發(fā)的任務(wù)，具有較高的效率。

在不同行業(yè)的自動化物流系統(tǒng)中，根據(jù)總體工藝及能力的要求，當(dāng)系統(tǒng)處理能力高于200次/小時且轉(zhuǎn)送站臺較多的情況下，采用單軌環(huán)形穿梭車會使得調(diào)度系統(tǒng)難度增加，并且小車的交通堵塞會非常嚴(yán)重，造成整個系統(tǒng)能力下降。若采用AGV系統(tǒng)或EMS系統(tǒng)，則整個系統(tǒng)的資金投入會驟增。此時可采用轉(zhuǎn)軌穿梭車系統(tǒng)，它適用于自動化物流系統(tǒng)處理能力高且成本較低的情況。

基于以上幾種常用類型的穿梭車在自動化物流系統(tǒng)中應(yīng)用的特點，針對不同的自動化物流系統(tǒng)的能力需求和應(yīng)用條件，用戶可選擇經(jīng)濟(jì)、適用、先進(jìn)、可靠的穿梭車系統(tǒng)。