​托盤四向穿梭式自動化密集倉儲係統概述|連載1-1

作者：張衛國

隨著物流產(chan) 業(ye) 的迅猛發展，托盤四向穿梭式立體(ti) 庫因其在流通倉(cang) 儲(chu) 體(ti) 係中所具有的高效密集存儲(chu) 功能優(you) 勢、運作成本優(you) 勢與(yu) 係統化智能化管理優(you) 勢，已發展為(wei) 倉(cang) 儲(chu) 物流的主流形式之一。

托盤四向穿梭式立體(ti) 庫

托盤四向穿梭式立體(ti) 庫即：在合適結構的倉(cang) 庫建築內(nei) 采用多層托盤四向穿梭式高位貨架、出入庫托盤自動輸送機係統（含各種輸送機、AGV對接配套等）、托盤貨物外形尺寸檢測、條碼閱讀係統、自動揀選與(yu) 分揀係統或其他自動化控製係統、自動識別係統、通訊係統、計算機監控與(yu) 控製係統、計算機倉(cang) 儲(chu) 管理係統（WMS）以及其他如電線電纜橋架與(yu) 配電櫃、托盤四向穿梭車與(yu) 托盤單元係統、上料架與(yu) 調節米兰体育官网入口、鋼結構米兰体育官网入口、叉車等物流設備與(yu) 輔助設備組合組成的複雜係統,以實現單元托盤貨物的高效密集的倉(cang) 儲(chu) 作業(ye) ，分半自動化和全自動化作業(ye) 兩(liang) 種主要形式，其中依靠叉車等人工操作的搬運存儲(chu) 設備對存儲(chu) 貨物單元進行鋼貨架存儲(chu) 區外的倉(cang) 儲(chu) 作業(ye) ，並將出入庫貨物單元暫存於(yu) 貨架庫位操作端的交換貨位上（如上料架、貨架可人工操作的或叉車作業(ye) 的第一托貨位等），然後通過托盤四向穿梭車進行出入庫貨位貨物交換、庫層平麵內(nei) 的存儲(chu) 搬運或結合貨物提升機實現庫層平麵之間的換層作業(ye) ，其中庫層可以是分塊獨立存在或通過軌道連廊貫通的，其整個(ge) 倉(cang) 儲(chu) 作業(ye) 形式為(wei) 半自動化模式，不能通過倉(cang) 庫周邊設備，如輸送線等構建完整的自動化、智能化的連續出入庫作業(ye) ；

全自動化模式則有：存儲(chu) 貨物單元根據電子計算機的指令或上位管理信息係統可自動化實現庫內(nei) 存儲(chu) 搬運與(yu) 庫外作業(ye) 的自動化有機結合，在庫內(nei) 靠托盤四向穿梭車係統、貨物提升機、輸送分揀係統等實現倉(cang) 儲(chu) 自動化作業(ye) ，而在庫外通過輸送線、AGV等多種物流設備的組合，構建庫內(nei) 庫外作業(ye) 的自動化、智能化對接作業(ye) ，真實實現動態物流管理，該模式下存儲(chu) 單元的物流依靠搬運周轉設備（以托盤四向穿梭車+貨物提升機）實現水平平層和垂直換層移動，可對指定貨格中的存儲(chu) 單元進行存儲(chu) 調度作業(ye) ，或用托盤自動輸送機係統進行貨物單元的進出庫的自動化作業(ye) ，實現存儲(chu) 物品的高效自動化、智能化存儲(chu) 管理的目的，以實現緩衝(chong) 、調節、集散和平衡的倉(cang) 儲(chu) 管理作用。

托盤四向穿梭式立體(ti) 庫兼具穿梭車貨架庫（托盤二向貨架庫、子母穿梭式貨架庫等）和巷道式自動化立體(ti) 庫的優(you) 勢，存儲(chu) 空間利用率高、貨物存取靈活、自動化程度高、所需作業(ye) 人員少，物流設備的柔性化組合性高，能夠滿足多種庫房條件的建設需求。

托盤四向穿梭式自動化密集倉(cang) 儲(chu) 係統的主體(ti) 結構

上海速銳於(yu) 2012年展開係列托盤四向穿梭車及其係統的研發工作，並於(yu) 2014年推出第一代試驗車和試驗庫，2015年實施並完成第一個(ge) 海爾智慧家電工廠的托盤四向穿梭車產(chan) 線配套案例庫，此後兩(liang) 到三年推出一代更新迭代托盤四向穿梭車，目前已經實現第四代托盤式穿梭車的量產(chan) （主要特點是實現了全行業(ye) 的液壓驅動結構的最薄款，整機高度僅(jin) 126mm，甚至比兩(liang) 向穿梭車的整機都薄，可有效壓縮穿梭車層的設備占用空間，為(wei) 客戶高效利用倉(cang) 儲(chu) 的立體(ti) 空間提供了更優(you) 解決(jue) 方案），並在多行業(ye) 成功實施案例庫。托盤四向穿梭式自動化密集倉(cang) 儲(chu) 係統的核心設備包括托盤四向穿梭車、專(zhuan) 用垂直提升機和配套貨架，托盤四向穿梭車結構緊湊、運行速度快，采用無線通信，多台托盤四向穿梭車以編組形式工作，可協同配合，以滿足不同場所的應用需求。托盤四向穿梭車不僅(jin) 能夠在配套的貨架軌道上四向行駛，還能利用垂直提升機在貨架內(nei) 實現換層作業(ye) ，提高了貨架布局和庫內(nei) 作業(ye) 的靈活性。

2.1係統組成

穿梭式貨架係統加托盤四向穿梭式係統、專(zhuan) 用垂直提升搬運存儲(chu) 係統，稱托盤四向穿梭式自動化密集倉(cang) 儲(chu) 係統，包含WMS、WCS、無線基站AP、米兰体育官方网站首页入口器及終端、多層貨架及其周邊設備等組成，托盤四向穿梭式自動化密集倉(cang) 儲(chu) 係統則由穿梭車本體(ti) 依據作業(ye) 指令實現同一平層作業(ye) 巷道的四向物流作業(ye) ，可實現同層任意儲(chu) 位的存儲(chu) 調度與(yu) 管理，再結合提升機實現智能穿梭單車或存儲(chu) 物品的換平層作業(ye) ，以實現存儲(chu) 單元在整個(ge) 存儲(chu) 區域內(nei) 的三維動態化存儲(chu) 管理，是穿梭式立庫建設與(yu) 改造的升級換代，也是智能化穿梭密集存儲(chu) 的理想物流形態之一；托盤四向穿梭式自動化密集倉(cang) 儲(chu) 係統的管理控製信息係統負責整個(ge) 貨架係統內(nei) 部設備的運行狀態監控和調度。貨架係統內(nei) 托盤四向穿梭車和垂直提升機的數量配比、部署位置等由作業(ye) 需求（作業(ye) 效率、出入庫方式）決(jue) 定，可動態調整。貨架貨位通過存儲(chu) 巷道軌道連接，單一貨架層內(nei) 的存儲(chu) 巷道通過主軌道連接，各個(ge) 貨架層之間的主軌道通過垂直提升機連接，所有相連的軌道形成一個(ge) 軌道交通網。在這個(ge) 交通網內(nei) ，包括存儲(chu) 貨位、存儲(chu) 軌道、主軌道、垂直提升機和貨架端口等設施設備，其中存儲(chu) 貨位位於(yu) 存儲(chu) 軌道上，存儲(chu) 貨位和存緒軌道都位於(yu) 存儲(chu) 巷道內(nei) 。在一個(ge) 存儲(chu) 巷道內(nei) ，存儲(chu) 巷道軌道將多個(ge) 貨位連接形成一個(ge) 貨格。若存儲(chu) 巷道兩(liang) 端均可進出貨物，則還可從(cong) 存儲(chu) 巷道中部某處將其切分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 相鄰貨格。

經過多年來的技術更新與(yu) 實踐，托盤四向穿梭車在速度、效率和可靠性方麵都有了很大提升，與(yu) 自動化巷道堆垛機、提升機等都具有良好的兼容匹配性，確保了整體(ti) 選配係統的高可靠性、係統的運行效率和質量；選用或建造何種主體(ti) 物流工藝的立體(ti) 庫，需要根據客戶的具體(ti) 需求、區域、地理環境與(yu) 操作運行環境、投資運營成本、運行效率、供應商的資質與(yu) 完成實際案例的質量、選用係統的可靠度等因素而決(jue) 定。

圖1  托盤四向穿梭式自動化密集倉(cang) 儲(chu) 係統

2.2托盤四向穿梭車

托盤四向穿梭車是實時動態調度整車沿定製導軌路徑上進行前、後、左、右四個(ge) 方向上運動行駛與(yu) 托盤貨位智能化存儲(chu) 的軌道式自動倉(cang) 儲(chu) 貨架內(nei) 物流存儲(chu) 設備，可實現在鋼貨架內(nei) 縱橫配置的專(zhuan) 用軌道上前後雙向行駛、軌道節點處原地更換行駛軌道並相對的轉換左右雙向行駛的運動模式，任意貨位原地舉(ju) 升或放置托盤貨物單元，並實現隨車運行或存儲(chu) 的自動搬運存儲(chu) 過程，實時動態管理整車的運行狀態與(yu) 數據信息交換、整車倉(cang) 庫貨架內(nei) 交通與(yu) 存儲(chu) 位置等信息，並通過垂直提升機的協助完成托盤貨物在垂直方向的運輸，實現托盤類貨物單元在貨架內(nei) 換層與(yu) 搬運；具有三個(ge) 維度的實時調度與(yu) 運維能力，以負載大、可靠性高、對環境要求低的優(you) 勢常用在托盤類存儲(chu) 單元的線性布置與(yu) 規劃、重型轉運及複雜環境的倉(cang) 儲(chu) 係統中，是托盤類貨物單元的自動化、智能化存儲(chu) 搬運的主流解決(jue) 途徑之一，是保證係統內(nei) 托盤存儲(chu) 貨物的轉運效率、質量及係統穩定的從(cong) 靜態物流向動態物流發展的關(guan) 鍵物流存儲(chu) 設備，是托盤四向穿梭式自動化密集倉(cang) 儲(chu) 係統中的主要設備之一。

機械結構是托盤四向穿梭車各功能實現的基礎和根本保證，結構設計的是否合理性將會(hui) 對整車運行平穩性及靈活性、運行定位的準確性、人機交互的友好性等產(chan) 生影響。托盤四向穿梭車主要由框架總成、行走機構、頂升機構、縱橫向運動輪組的升降換向機構及液壓係統等組成，所述框架總成由長方形底板與(yu) 多塊側(ce) 立板構成，所述立側(ce) 板分別垂直焊接於(yu) 底板四邊及車體(ti) 內(nei) 部，側(ce) 立板設有通孔或緊固孔用於(yu) 安裝行走機構、液壓係統等機構，行走機構底部與(yu) 輪組升降機構通過柔性連接並固定安裝在底板與(yu) 側(ce) 立板上，頂升機構底部與(yu) 底板、側(ce) 立板固定連接，讓整機及其部件都滿足結構的強度、剛度和運動穩定性。整機由以下幾個(ge) 功能模塊構成全自動、智能化的倉(cang) 儲(chu) 貨架內(nei) 的搬運存儲(chu) 設備，其功能模塊有：行走定位模塊、換向模塊、電源模塊、傳(chuan) 感器模塊、車載通訊模塊、控製模塊等；

（1）行走定位模塊：行走定位係統對整車運行及換向轉軌起著至關(guan) 重要的作用。目前，國內(nei) 外穿梭車常用的定位方式有：條碼定位檢測、激光測距、RFID定位檢測、 旋轉編碼器定位等；行走模塊主要為(wei) 行駛電機及其驅動模塊，為(wei) 托盤四向穿梭車的前進、後退提供驅動力，完成托盤四向穿梭車在貨架縱橫軌道間的直線行走，鋼貨架係統內(nei) 托盤單元貨物的輸送過程由托盤四向穿梭車完成貨物在水平麵的縱橫雙向運輸，可實現存儲(chu) 層麵的任意貨位的到達和存儲(chu) 搬運；包括電機及驅動控製器、減速機構、鏈及軸傳(chuan) 動係、縱向傳(chuan) 動總成和橫向傳(chuan) 動總成，所述部件及總成安裝固定在框架體(ti) 上；我們(men) 采用直流伺服電機及其驅動模塊配合旋轉編碼器作為(wei) 行走驅動係統的主要構成硬件和控製體(ti) 係，並綜合利用條碼定位檢測、激光測距、RFID定位檢測等多種定位技術複合，以獲取滿足實際工況要求的定位精度和要求；需要根據托盤四向穿梭車的負載特性和動作順序合理設計傳(chuan) 動體(ti) 係和空間結構，以滿足整車的結構、功能要求。

（2） 托盤舉(ju) 升模塊：托盤的舉(ju) 升動作常用的頂升機構有：剪叉式升降機構、楔形滑塊機構、凸輪機構、絲(si) 杠螺母機構、電驅動蝸輪蝸杆機構等實現，本公司采用電動機驅動液壓係統實現頂升動作，具有承載能力大、動作平穩、過載保護、高低位安全限位功能，滿足荷載作用下結構的強度、剛度及穩定性；包括頂升液壓控製係統、多個(ge) 頂升液壓缸，電機輸出端與(yu) 液壓動力單元連接且固定安裝於(yu) 框架總成上，液壓動力單元與(yu) 多個(ge) 頂升液壓缸通過液壓管道進行連接，多個(ge) 頂升液壓缸分別固定設置於(yu) 車體(ti) 結構、頂升托架上，液壓係統的動作邏輯形成托架的舉(ju) 升動作；需要根據托盤四向穿梭車的負載特性和動作順序合理設計整體(ti) 結構，以適應托盤荷載的承載及其托盤四向穿梭車的運動附加荷載；

（3） 換向模塊：可采用機械機構或液壓係統來實現換向機構的上升與(yu) 下降動作互鎖，並實現托盤四向穿梭車的原地換軌動作，即托盤四向穿梭車上設計有雙向垂直行走機構，通過內(nei) 部換向模塊實現行走驅動輪的升降與(yu) 變換，從(cong) 而實現變軌變向行駛；本公司采用電動機驅動液壓係統實現90°原地換軌動作，並利用一套行走驅動動力，實現變軌變向行駛，具有承載能力大、升降動作平穩同步、過載保護、高低位安全限位功能；包括升降液壓缸座、升降液壓缸、活塞杆及其附屬換向機構、液壓控製係統等，所述機構與(yu) 模組通過安裝板與(yu) 換向結構、整車連接，所述液壓動力單元、液壓缸通過管道連接並固定連接在框架總成上。需要根據托盤四向穿梭車的負載特性和動作順序合理設計液壓係統。

（4） 電源模塊：電源模塊為(wei) 托盤四向穿梭車的運行提供恒定的電源，內(nei) 嵌高性能鋰電池為(wei) 托盤四向穿梭車提供電源。必須測試和選定合適的產(chan) 品品質和電源管理係統，實時監控電池健康狀態，確保托盤四向穿梭車的可靠運行和電源的實時自動充電；在結構設計時，需為(wei) 電源模塊預留安裝空間。

（5） 傳(chuan) 感器模塊：傳(chuan) 感器模塊主要為(wei) 各類傳(chuan) 感器的組合應用，如掃描及校準傳(chuan) 感器等，傳(chuan) 感器模塊通過收集托盤四向穿梭車在行駛過程中的實時變量與(yu) 狀態參數、搬運裝載托盤單元的可控感知信息、位置定位信息與(yu) 雷達避障感知等，傳(chuan) 遞給控製模塊並及時做出相應動作，也是實現托盤四向穿梭車狀態監控的關(guan) 鍵模塊。在結構設計時，為(wei) 傳(chuan) 感器模塊預留安裝空間。

（6） 車載通訊模塊：托盤四向穿梭車是移動設備，各模塊及各設備之間需要進行大量的信息交換，車載通訊係統負責與(yu) 總控係統之間相關(guan) 信號的接收與(yu) 發送。以 Wi-Fi 技術為(wei) 係統架構，采用無線通訊方式，可通過上位管理控製信息係統無線操控，在各類元器件的協作下完成各項功能的控製與(yu) 實現。此外，ADS(Automation Device Specification)協議處於(yu) 網絡通訊的應用層，為(wei) 設備之間的通訊提供路由，實現數據、信息的交換，通過 TwinCAT ADS 協議實現有托盤四向穿梭車與(yu) 區域控製係統之間的無線通訊。

（7） 控製係統模塊：控製係統模塊以嵌入式控製係統或PLC為(wei) 控製核心，負責處理運動規劃、邏輯控製、安全保護以及與(yu) 上位機管理係統的通訊，具有完善的作業(ye) 邏輯控製功能；控製係統匹配得當，能最大程度發揮整車的智能化搬運性能。在結構設計時，為(wei) 控製係統模塊預留安裝空間。

托盤四向穿梭車可大大降低穿梭式貨架對堆垛機、高架叉車等的配套依賴程度，並且能夠明顯的提高普通穿梭式倉(cang) 儲(chu) 係統的存取效率，提高倉(cang) 儲(chu) 作業(ye) 的操作安全性，還能優(you) 化穿梭式倉(cang) 儲(chu) 係統的結構，將所有貨物的存儲(chu) 通道與(yu) 貨物的搬運通道有效結合，既可以讓鋼貨架結構更加穩定，又可以讓每個(ge) 貨物存儲(chu) 位都可能成為(wei) 動態物流管理位，降低穿梭式倉(cang) 儲(chu) 建造成本，提高倉(cang) 儲(chu) 係統的空間利用率，深化倉(cang) 儲(chu) 係統的密集型、智能化、自動化發展理念。

托盤四向穿梭車在搬運貨物的過程中，具有靈活的任務優(you) 先級切換能力，可以係統指派（或人工幹預）進行靈活的任務排序。其中通過上位機管理係統發送的指令確定貨物的位置信息，按照控製係統設定的行駛路線與(yu) 托盤四向穿梭車內(nei) 置導航地圖自動匹配運行，並準確地停在需要運輸貨物所對應的區域坐標（通過有效算法獲取最優(you) 的縱橫向運動路徑與(yu) 避讓準則），然後取出貨物並運送到指定位置。上位係統可以通過無線終端與(yu) 托盤四向穿梭車進行數據交換，托盤四向穿梭車在運送貨物過程中的相關(guan) 信息也可以實時發送給上位機管理係統。貨物從(cong) 地麵到貨架的豎直軌道路徑由自動垂直升降機完成；穿梭車始終在貨架的直線軌道上運行，其工作狀況為(wei) 平穩、重載。其具有以下特點：

（1）托盤四向穿梭車整機車體(ti) 需具有一定強度和抗壓性，不易變形。

（2）車輪材料選用聚氨酯。因為(wei) 聚氨酯具有高耐切割性、高耐磨性、優(you) 良的耐化學品以及耐油性等優(you) 點，而通過實踐應用可知橡膠車輪在使用過程中會(hui) 出現壽命短、耐磨性差、抗撕裂強度較差的缺點。

（3）托盤四向穿梭車運行測試極限惡劣環境與(yu) 工作環境：

(a)極限測試溫度：-25℃～60℃；正常工作溫度：0℃～40℃；溫度變化率≤±0.5℃/min；溫度變化率≤±10℃/h；

(b)測試相對濕度：≤95%；工作相對濕度：30%～85%；（無凝露）；相對濕度變化率：≤±10%/h；

(c)最大負載下工況試驗庫連續運行兩(liang) 周進行測試評判合格後出廠；

(d)電力網絡為(wei) TN-S網絡（三相五線製，3-ph,N,PE）；

托盤四向穿梭車需在高溫倉(cang) 儲(chu) 和低溫倉(cang) 儲(chu) 環境下都可以正常運行，並在環境測試和疲勞測試中避免出現車體(ti) 局部過熱的情況。

（4）托盤四向穿梭車必須具備完善的安全保護措施：在運行過程中必須確保整車“自身”、 現場人員以及各類設備的安全。一般情況下都采取多級硬件及軟件結合的監控措施，並設定安全運行距離與(yu) 判斷原則，特定的運行限位阻擋器或防傾(qing) 覆機構，確保整車的安保措施是完善合理的。

(a) 電氣聯鎖保護裝置。托盤四向穿梭車在存儲(chu) 巷道、坡道間水平行走時，需確保存儲(chu) 巷道、坡道裝置與(yu) 托盤存取動作是鎖定的，該裝置應確保托盤四向穿梭車縱橫向行走與(yu) 托盤存取相互之間的動作協調好，避免造成事故。

(b) 托盤四向穿梭車需設有貨物超長、超寬、超高的檢測裝置，如：激光測距、超聲波反射、紅外識別等。當檢測到所要存取的貨物超過係統設定的最大長度、寬度及高度時，托盤四向穿梭車停止運行，並將情況反饋給上位機管理係統，並將貨物退回上架位進行人工整理或調整。

(c) 托盤四向穿梭車在巷道、坡道間換軌操作過程中的位置檢測裝置。如果位置檢測與(yu) 動作設置不符，托盤四向穿梭車就不能進行下一步運行或動作，以免發生事故。

(d) 斷電保護。如果發生意外斷電的情況，電機應自動鎖住電機軸，托盤四向穿梭車停止工作，將情況反饋給上位機管理係統，並保持斷電時的工作狀態，並可快速實施軟硬件的故障恢複和作業(ye) 任務順延。

(e) 過載保護裝置。一般使用超載限製器，可以有機械式或電子式，集控製、顯示、報警功能於(yu) 一體(ti) 。當存取的貨物超過限定的最大負載值時，托盤四向穿梭車的過載保護裝置啟動，托盤四向穿梭車立刻停止工作，並將情況反饋給上位機管理係統。

(f) 物理保護裝置。當電子保護元器件失靈或者操作失誤時，托盤四向穿梭車碰撞不可避免，這個(ge) 時候物理保護裝置可以有效減少衝(chong) 擊力，降低車體(ti) 的損壞程度。一般可以在車體(ti) 周圍安裝硬擋板或者在托盤四向穿梭車關(guan) 鍵部位放置橡膠、聚氨酯緩衝(chong) 裝置等可以減少衝(chong) 擊力的軟性物質。

(g) 異常對策裝置。當異常狀況發生時，如托盤四向穿梭車煙霧傳(chuan) 感器、溫度傳(chuan) 感器等感知環境異常時，禁止托盤四向穿梭車運行，並將情況反饋給上位機管理係統，且發出警報聲。

(h) 輪軌技術。為(wei) 提高整車的運行安全性，整車設置雙側(ce) 車輪單輪緣內(nei) 嵌軌道結構，通過車輪輪緣與(yu) 軌道過渡圓弧麵的有效接觸與(yu) 運動滑移、運動輪緣的運動軌跡與(yu) 軌跡線長度的變化，有效保證整車在曲線運動的過程中實現整車的運動導向與(yu) 定位，提高了整車運行的可靠性與(yu) 穩定性。

(i) 換軌技術。換軌機構是完成整車換向運行的關(guan) 鍵部分，綜合考慮整車結構的穩定可靠性及各結構模塊的安全合理布局，采用“整車在軌抬升，雙側(ce) 同步換向”的形式，當換向運行時，首先通過安裝在車架下部的換向體(ti) 下移，與(yu) 換向體(ti) 固接的雙側(ce) 行駛運動模塊逐步與(yu) 90°換向軌道接觸，抬升機構繼續將整車抬升一定高度，進而帶動與(yu) 整車一體(ti) 固接的雙側(ce) 行駛運動模塊上移，脫離原運動軌道，完成整車換向運行。頂升機構固定安裝在車體(ti) 內(nei) 的液壓缸活塞杆頂部，不僅(jin) 負責轉運過程中托盤單元貨物的托舉(ju) ，而且也是托盤單元貨物的主要承載機構。

(j)故障恢複。合理設置軟件故障的一鍵恢複解決(jue) 方案，硬件恢複的備災方案，如應急備用電源、故障救援車、人工排除故障的行走隔離網等，以及為(wei) 客戶儲(chu) 備一定的備用車，既可以應付客戶出入庫訂單的異常猛增，又可以及時更換故障車。

圖2  四向穿梭車結構外形

表1   某型四向穿梭車的性能指標