四向穿梭車技術(shù)以及能力評估
前言
電子商務(wù)與智能制造技術(shù)推動(dòng)了自動(dòng)化立體倉庫的快速發(fā)展與創(chuàng)新，在現(xiàn)代物流業(yè)中更加注重考慮物流系統(tǒng)整體的密度以及數(shù)字化、智能、信息化集成應(yīng)用，而不是僅考慮單一設(shè)備和系統(tǒng)的能力，產(chǎn)生了“密集倉儲(chǔ)”的概念。在物流產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展過程用中，需要對物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行全面規(guī)劃和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。與普通立體倉庫相比，密集倉儲(chǔ)土地利用率和空間利用率上可提高20%～100%左右，同時(shí)作業(yè)效率可提高20%，運(yùn)行能耗可降低30%，單元投資成本可節(jié)約10%左右,密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)因而越來越多地受到行業(yè)的關(guān)注，其市場發(fā)展前景廣闊。
作為面向密集倉儲(chǔ)的重要搬運(yùn)設(shè)備，智能托盤式四向穿梭車（以下簡稱四向車）是一種智能型軌道導(dǎo)引自動(dòng)換向變軌的搬運(yùn)設(shè)備，在電控系統(tǒng)控制下，通過編碼器、RFID、光電傳感器等數(shù)字化技術(shù)精確定位各個(gè)輸入、輸出工位，配置智能化調(diào)度系統(tǒng)，接收物料后進(jìn)行自動(dòng)往復(fù)穿梭搬運(yùn)，四向車無需人員操作，運(yùn)行速度快、智能化程度高，適用于各種物流存儲(chǔ)系統(tǒng)，能夠促進(jìn)單元物料快速實(shí)現(xiàn)平面自動(dòng)輸送。在智能化調(diào)度系統(tǒng)的驅(qū)使下，多層多車協(xié)同并行作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效的作業(yè)模式，為企業(yè)的物流存儲(chǔ)系統(tǒng)提供新的物流解決方案。
01托盤式四向穿梭車關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
四向穿梭車根據(jù)任務(wù)要求，協(xié)同往復(fù)式提升機(jī)，通過行駛軌道在貨架不同層、不同貨道內(nèi)完成作業(yè)任務(wù)，在倉庫監(jiān)控系統(tǒng)的控制和調(diào)度下，整個(gè)密集庫可以實(shí)現(xiàn)多層多車同時(shí)運(yùn)作，各四向車在工作時(shí)可以向信息管理系統(tǒng)上傳位置、速度、電量、有無貨、故障、工作情況等信息；四向車具備整存整取、倒貨移動(dòng)、托盤點(diǎn)數(shù)等作業(yè)功能，實(shí)現(xiàn)物料快速出庫和庫存管理；其內(nèi)部設(shè)置有避障功能和故障報(bào)警提示功能，能夠起到安全保護(hù)作用，并及時(shí)反饋故障信息。從硬件系統(tǒng)來看，四向車主要由車架、頂升機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、車輪組、電源、電氣控制等部件組成（見圖1）。
圖1 四向穿梭車主要結(jié)構(gòu)示意圖
1.1 車體結(jié)構(gòu)
四向車車體結(jié)構(gòu)應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)采用優(yōu)質(zhì)鋼材組合成型，整車設(shè)計(jì)載重為1500kg及以上，最低安全系數(shù)建議為1.6，材料屈服強(qiáng)度為2.75MPa；四向車車體結(jié)構(gòu)針對整車的可靠性與結(jié)構(gòu)的輕量化進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及車輪
四向車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，行星減速加換向器，促進(jìn)二個(gè)方向的快速換向，一般工況下空載運(yùn)行速度為1.4m/s～1.6m/s，滿載運(yùn)行速度為1.0m/s～1.2m/s；在貨架層水平運(yùn)行時(shí)，四向車在X向采用4輪驅(qū)動(dòng)，Z向采用8輪驅(qū)動(dòng)，選擇八輪（主動(dòng)輪和從動(dòng)輪組合）傳動(dòng)方式滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，既保證車行走的穩(wěn)定性，又減少了內(nèi)部機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜性。四向車運(yùn)動(dòng)時(shí)車輪長期受到摩擦，需要耐磨車輪，經(jīng)過性能測試，選用聚氨酯車輪，經(jīng)久耐用、減少躁音，確保運(yùn)行穩(wěn)定性。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖見圖2。
圖2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖
1.3 頂升機(jī)構(gòu)
四向車作業(yè)需要多次頂降換向動(dòng)作，應(yīng)設(shè)計(jì)機(jī)械機(jī)構(gòu)頂降或液壓頂降裝置?？紤]到機(jī)械結(jié)構(gòu)安全可靠經(jīng)久耐用，建議頂升行程為40mm，頂升時(shí)間為3～5s。四向車存取貨物通過頂降托盤和換向升降完成一次作業(yè)周期，為提高作業(yè)效率，應(yīng)確保四向車在作業(yè)過程快速頂降、快速換向以縮短作業(yè)周期。穿梭車頂升機(jī)構(gòu)示意圖見圖3。
02數(shù)字化控制及通訊技術(shù)
四向車采用PLC及工控機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)邏輯控制，結(jié)合底層路徑自學(xué)習(xí)算法，確保高速運(yùn)行、精準(zhǔn)定位、安全可靠。四向車選用SIMATICS7系列PLC作為核心控制器，充分利用其豐富的擴(kuò)展性集成接口，將傳感器模塊、供電模塊、無線通訊模塊以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊等集成，實(shí)現(xiàn)整車運(yùn)動(dòng)導(dǎo)引、驅(qū)動(dòng)控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作，安全防護(hù)等工作。密集庫中采用Zigbee無線通訊方式，上位控制器通過Zigbee主模塊向四向車下達(dá)任務(wù)指令，任務(wù)指令傳遞至PLC完成計(jì)算處理后，轉(zhuǎn)變成具體的控制信號并輸送至控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)控制模塊中，在該模塊中對驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)動(dòng)作。在這一過程進(jìn)行中，各類傳感器和RFID系統(tǒng)將采集的定位、檢測、故障等信息通過Zigbee子模塊反饋給上位器，并由狀態(tài)顯示器反饋給倉庫操作人員，實(shí)現(xiàn)四向車動(dòng)態(tài)信息的雙向傳遞。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4?控制模塊功能示意圖
03密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)的智能調(diào)度技術(shù)
基于WCS可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)任務(wù)設(shè)置、貨位決策優(yōu)化、密集多深位存儲(chǔ)、多層多四向車作業(yè)調(diào)度等各種功能。密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)采用多任務(wù)模式，為保證四向車集群全局效率提升，需制定合理有效的智能調(diào)度策略。智能化調(diào)度包括庫區(qū)分配、任務(wù)優(yōu)先級劃定、貨位分配、路徑規(guī)劃等。在WCS控制下，密集庫中各設(shè)備基于實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃完成多任務(wù)并行作業(yè)；設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)3D可視化監(jiān)測；作業(yè)終端基于可視化界面對多設(shè)備、入出庫作業(yè)、多深位貨物狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)作業(yè)數(shù)據(jù)分析完成遠(yuǎn)程診斷。密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)調(diào)度架構(gòu)如圖5所示。
04四向車作業(yè)能力評估
四向車的作業(yè)能力受倉庫訂單任務(wù)、調(diào)度技術(shù)、存儲(chǔ)策略、作業(yè)模式、設(shè)備技術(shù)參數(shù)等因素的影響，其高低直接影響密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)的效率。四向車在垂直交叉軌道上切換方向完成貨物的水平出入庫，具備單一作業(yè)和復(fù)合作業(yè)兩種模式。
在單一作業(yè)模式中，四向車一個(gè)周期內(nèi)只完成一個(gè)出（入）庫任務(wù)；在復(fù)合作業(yè)模式中，設(shè)備一個(gè)周期內(nèi)完成入庫和出庫兩個(gè)任務(wù)。在基于每層一臺(tái)四向車的系統(tǒng)配置下：
1)在單一作業(yè)模式中，四向車入庫作業(yè)和出庫的作業(yè)時(shí)間相同，假設(shè)每層四向車的平均單一作業(yè)時(shí)間為t1,則該模式下的出入庫能力η1可計(jì)算為
05應(yīng)用案例
案例四向車已在某公司密集庫項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用。該密集庫實(shí)現(xiàn)汽車配件成品、半成品存儲(chǔ)，整盤入出及揀選出庫等功能，總的占地面積為1765m2，貨架總體高度為20m，共有貨位6929個(gè)，具有7度防震等級。單元托盤尺寸為1200mm×1100mm×1200mm/1400mm(長×寬×高)，單元最大載重為800kg（含托盤）。倉庫中整體入出庫量不少于250托/h，設(shè)備配置有四向車11臺(tái)，提升機(jī)4臺(tái)，輸送機(jī)系統(tǒng)8套。根據(jù)該企業(yè)對現(xiàn)代化物流的不同需求，在做大量的需求調(diào)研和分析后，設(shè)計(jì)出一套符合該企業(yè)需求、性價(jià)比高、可拓展的方案，經(jīng)實(shí)際測試該密集存儲(chǔ)系統(tǒng)項(xiàng)目建成后與傳統(tǒng)立體庫相比，庫容量提高了35%，設(shè)備運(yùn)行用電量能耗降低了30%。案例項(xiàng)目四向穿梭車密集存儲(chǔ)系統(tǒng)示意圖見圖6。
圖6?案例項(xiàng)目四向穿梭車密集存儲(chǔ)系統(tǒng)示意圖
06結(jié)論
四向車密集庫可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、智能化、無人化作業(yè)，與傳統(tǒng)立體倉庫相比，提高了20%～50%的存儲(chǔ)量。隨著托盤式四向車各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)日趨成熟，其在國內(nèi)外密集庫中得到了廣泛應(yīng)用。四向車多層多車靈活作業(yè)方式，大大提高入出庫作業(yè)效率，解決傳統(tǒng)立庫中堆垛只能在一個(gè)巷道入出庫作業(yè)的瓶頸問題。近些年來，歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)的各類穿梭車發(fā)展快速、技術(shù)先進(jìn)，各種高品質(zhì)的四向車出現(xiàn)在市面上。針對國內(nèi)倉儲(chǔ)市場的實(shí)際需求，研發(fā)的四向車具有外觀新穎、功能完善、安全可靠等技術(shù)優(yōu)勢，加之本地化的售后服務(wù)體系，未來智能倉儲(chǔ)等不同工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景可期。
