多層堆垛機系統(tǒng)

韓天文， 薛成超， 傅友賓

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110168）

0 引言

目前市場上，自動化立體倉庫主要有兩種形式，傳統(tǒng)的堆垛機立體庫和新興的多層穿梭車立體庫。傳統(tǒng)的堆垛機立體庫有兩方面的不足，一方面是魯棒性不強，當堆垛機發(fā)生故障時，其所服務的巷道隨即處于癱瘓狀態(tài)，無法繼續(xù)進行相應的出入庫作業(yè)，且一般不存在備用設備，只能停機維修造成停工。另一方面是柔性不足、效率低，當傳統(tǒng)堆垛機式的自動化立體倉庫設計建造完成后，其出入庫能力隨之固定。隨著電子商務的發(fā)展和定制化服務的深入，產(chǎn)品生命周期不斷縮短，小批量、多批次、多品種、高時效特點的訂單不斷增多，傳統(tǒng)的堆垛機立體庫已無法滿足市場需求，歐美等國推出了多層穿梭車系統(tǒng)，在電商領(lǐng)域大量應用，引起了國內(nèi)廠商的跟風學習，近兩三年，國內(nèi)各大物流廠商均推出了自己的多層穿梭車系統(tǒng)。多層穿梭車系統(tǒng)柔性好，能顯著提高效率，易于拆裝維護，但同時帶來了高昂的成本，并未能廣泛應用于企業(yè)。

基于效率和成本的考慮，順應市場需求，新松機器人公司研發(fā)設計了多層堆垛機系統(tǒng)，該系統(tǒng)與多層穿梭車系統(tǒng)一樣，適用于料箱立體庫。多層堆垛機系統(tǒng)的效率和成本均介于堆垛機系統(tǒng)和多層穿梭車系統(tǒng)之間，適合應用于效率要求較高，業(yè)主方成本控制較嚴的項目，為這類項目提供了很好的解決方案。新松機器人開發(fā)的多層堆垛機系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于實際項目，并投入到生產(chǎn)使用，為業(yè)主方帶來了效益，成為國內(nèi)首個推出多層堆垛機系統(tǒng)并有實際案例應用的企業(yè)。

1 多層堆垛機系統(tǒng)組成

從設備組成來看，多層堆垛機系統(tǒng)包括貨架系統(tǒng)、多層堆垛機、雙臂提升機、輸送系統(tǒng)，考慮到維護方便，需要有爬梯和維修平臺。

圖1 多層堆垛機系統(tǒng)組成

1.1 貨架系統(tǒng)

貨架系統(tǒng)包括貨架、堆垛機天地軌、維修爬梯、維修平臺、上層輸送機安裝平臺。貨架作為存儲單元，采用組合式橫梁貨架，每個貨格保管4個周轉(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立體庫貨架結(jié)構(gòu)一致。只是需要額外考慮堆垛機天地軌的安裝，維修平臺和爬梯的安裝。地軌采用雙軌形式，靠近貨架立柱安裝，承力更高。

多層堆垛機的地軌是安裝在貨架立柱上的，與傳統(tǒng)堆垛機不同，傳統(tǒng)堆垛機地軌都是安裝在地面上的。因此，貨架設計時需考慮堆垛機地軌的支撐和連接，并要考慮多層堆垛機的重量。維修平臺也是直接安裝在貨架立柱上，每有一層堆垛機，就有一層維修平臺，可通過庫尾端的維修爬梯進入到每一層維修平臺，方便設備的檢修。

1.2 多層堆垛機

多層堆垛機是整個系統(tǒng)最核心的設備。多層堆垛機的功能與傳統(tǒng)堆垛機一樣，通過行走、升降、伸叉三維運動實現(xiàn)每個貨位的出入庫。為減輕貨架負擔，提高速度和加速度，設計著重考慮輕量化，多層堆垛機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個行走輪，輪徑更小，有利于降低堆垛機的底層高度。堆垛機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50 kg。

多層堆垛機無需換層，每層布置一臺堆垛機，這樣就省去了堆垛機換層的提升機。多層堆垛機采用滑觸線供電，每層都布置滑觸線，多層堆垛機的高度通常在2～3 m，一臺堆垛機大約負責4層左右的貨物存儲。每一個巷道多層堆垛機的數(shù)量取決于整個立體庫系統(tǒng)的效率要求。

1.3 雙臂提升機

雙臂提升機是多層堆垛機系統(tǒng)的極其關(guān)鍵設備，雙臂提升機實現(xiàn)了地面出入庫輸送機與庫前多層輸送機的對接，將料箱輸送到每一層的多層堆垛機的出入庫。提升機的效率決定了整個系統(tǒng)最大可達到的效率，當立體庫足夠高，多層堆垛機數(shù)量很多的情況下，雙臂提升機便成為瓶頸。雙臂提升機采用單立柱結(jié)構(gòu)，安裝到地面上，頂部與貨架相連，保證穩(wěn)定性。提升機兩側(cè)各一個載貨臺，載貨臺上安裝輸送機，一側(cè)入庫，一側(cè)出庫，每個載貨臺可實現(xiàn)單獨控制升降。

1.4 輸送系統(tǒng)

輸送系統(tǒng)可以分為兩個區(qū)域，一個區(qū)域是位于雙臂提升機和貨架之間的輸送機，這部分輸送機采用多層設計，有幾層堆垛機就對應幾層輸送機，多層輸送機安裝在貨架前端的輸送機安裝平臺上，在前端與雙臂提升機對接，后端與多層堆垛機對接，實現(xiàn)貨物的出入庫功能；另一個區(qū)域是位于雙臂提升機前端的輸送機，這部分輸送機通常只有一層，直接安裝在地面上，與雙臂提升機對接，是庫房人員的操作區(qū)域。

2 電氣控制系統(tǒng)

多層堆垛機系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的堆垛機系統(tǒng)沒有任何區(qū)別。電氣控制系統(tǒng)采用德國西門子的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)絡系統(tǒng)。主控制器采用西門子公司的系列產(chǎn)品。通過PROFINET網(wǎng)絡實現(xiàn)設備與設備之間的數(shù)據(jù)交換，保證了數(shù)據(jù)的無縫傳輸?shù)膶崟r性和及時性。電控系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)采用獨立的網(wǎng)絡設計，利于網(wǎng)絡的穩(wěn)定，使電控系統(tǒng)有較強的擴展性。

電氣控制系統(tǒng)的功能主要有控制方式切換、信息查詢、停電保護等功能?，F(xiàn)場分布觸摸屏設置操作密碼保護，重要的操作需要密碼錄入確認后才能進入操作界面。

3 信息系統(tǒng)

配置中央控制室，在中央控制室放置服務器，服務器存儲數(shù)據(jù)信息，并運行應用服務程序。服務器通過以太網(wǎng)交換機采用TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)和客戶端的通訊、與上位系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度平臺的通訊，利用數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)信息的傳遞。

信息管理系統(tǒng)通過以太網(wǎng)將作業(yè)命令傳達給監(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)過優(yōu)化后分解為設備可執(zhí)行命令，通過PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)傳達給設備控制系統(tǒng)，控制設備的各個執(zhí)行機構(gòu)快速有效的運行。

4 多層堆垛機系統(tǒng)的效率

通常情況下，多層堆垛機系統(tǒng)的效率取決于多層堆垛機的數(shù)量，有幾臺多層堆垛機，效率就是傳統(tǒng)堆垛機系統(tǒng)的幾倍。但當多層堆垛機數(shù)量特別多時，雙臂提升機的效率就成為瓶頸。因此，設計多層堆垛機系統(tǒng)時需要考慮雙臂提升機與多層堆垛機的效率匹配。

5 多層堆垛機系統(tǒng)的優(yōu)缺點

5.1 對比傳統(tǒng)堆垛機系統(tǒng)

傳統(tǒng)的堆垛機系統(tǒng)設備組成簡單，僅包括貨架、堆垛機和庫前端輸送機，控制和調(diào)度也相對簡單，由于技術(shù)非常成熟，成本低。缺點是效率低，故障時需要停機檢修。

多層堆垛機系統(tǒng)由于有庫前端的雙臂提升機，每一個巷道有多臺堆垛機，輸送機也是多層的，成本會比傳統(tǒng)堆垛機系統(tǒng)高出很多。優(yōu)點是效率比傳統(tǒng)堆垛機系統(tǒng)高，有一臺堆垛機故障時，其余堆垛機也能完成該巷道的出入庫，不致于造成整個立體庫系統(tǒng)的癱瘓。

5.2 對比多層穿梭車系統(tǒng)

通常情況下，多層穿梭車系統(tǒng)不會布置一層一臺穿梭車，那樣會帶來高昂的成本，穿梭車需要換層來完成所有貨位的出入庫，因此多層穿梭車系統(tǒng)會比多層堆垛機系統(tǒng)多一臺穿梭車換層的提升機，這臺提升機位于巷道庫尾端，這就增加了成本和占地面積。從貨架結(jié)構(gòu)看，多層穿梭車系統(tǒng)要求每一層都有穿梭車軌道，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。

多層穿梭車系統(tǒng)的效率和柔性要高于多層堆垛機系統(tǒng)，多層穿梭車最多可每層布置一臺車，可以通過增加多層穿梭車數(shù)量來提高系統(tǒng)的效率，是目前效率最高的自動化立體倉庫形式。但是效率也不能無限地增加，庫前端的雙臂提升機是瓶頸，從國內(nèi)外數(shù)據(jù)來看，一臺高速提升機最大能匹配穿梭車的數(shù)量是10臺左右，具體數(shù)量需要根據(jù)巷道長度和立體庫高度進行核算。

6 結(jié)論

本文介紹了新松機器人公司開發(fā)的多層堆垛機系統(tǒng)，從設備組成上對多層堆垛機系統(tǒng)做了說明，簡要介紹了電氣控制系統(tǒng)及信息系統(tǒng)，分析了多層堆垛機系統(tǒng)的效率，并將其與傳統(tǒng)的堆垛機系統(tǒng)和新興的多層穿梭車系統(tǒng)做了優(yōu)缺點分析。

[參考文獻]

[1] 牟善棟.多層穿梭車倉儲系統(tǒng)建模與優(yōu)化[D].濟南:山東大學,2014.

[2] 余華,旺浩.有軌巷道堆垛機水平行走機構(gòu)的設計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2014,17(3):16-18.

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

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

[5] 齊昌盛.自動小車存取系統(tǒng)效率優(yōu)化設計與仿真[D].廈門：廈門大學，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[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[8] 于佳.淺談自動化立體倉庫在中國的發(fā)展[J].現(xiàn)代經(jīng)濟信息,2014(5):322.

[9] 祁慶民.在機遇中創(chuàng)新發(fā)展—2013年中國物流裝備市場回顧與2014年展望:自動化立體庫:技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展市場穩(wěn)步擴大[J].物流技術(shù)與應用,2014(4):62-64.

[10] 胡峰.立體倉庫控制系統(tǒng)設計與實現(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.物流自動化系統(tǒng)設計及應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.

[13] 張鵬迪.煙廠輔料成品物流自動化系統(tǒng)設計與應用研究[D].北京:北京化工大學,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.卷煙立體庫自動化立體庫總體規(guī)劃設計的研究[D].昆明:昆明理工大學,2006.