多層穿梭車換層技術(shù)分析

文/胡建法 李成友 徐超 周伶俐 王浩旭

隨著電子商務(wù)的蓬勃發(fā)展，規(guī)模化定制引導(dǎo)著物流發(fā)展趨勢。現(xiàn)代物流中心的規(guī)模變得越來越大，所處理的品規(guī)也越來越多，小訂單比例越來越高，揀選和配送速度越來越快。

與傳統(tǒng)的“人到貨”揀選模式相比，穿梭車密集倉儲系統(tǒng)的作業(yè)效率及揀選正確率大大提高，同時節(jié)約了大量人力成本和土地成本。

目前，件箱密集倉儲系統(tǒng)中采用的穿梭車，主要有普通穿梭車、自動換層穿梭車、子母穿梭車、四向穿梭車等。子母穿梭車、四向穿梭車可在水平方向換道，適用于存在多條巷道的場合；普通穿梭車+換層提升機組合，穿梭車可實現(xiàn)在豎直方向換層。兩種方式均可提高穿梭車的設(shè)備利用率，系統(tǒng)柔性。

自動換層穿梭車沿貨架立柱自動爬升方式，對貨架的制造、安裝精度要求較高。本文僅討論提升機自動換層模式。

一、單層作業(yè)和跨層作業(yè)模式

根據(jù)是否可跨層作業(yè)，穿梭車系統(tǒng)可分為單層作業(yè)和跨層作業(yè)兩種模式。

1.單層作業(yè)模式

單層作業(yè)模式通常由出、入庫提升機、存儲貨架、多層穿梭車組成。

在單層作業(yè)模式下，一條巷道內(nèi)，每層貨架配置一臺穿梭車。其平面布局圖和立面圖，如圖1、圖2。

與“人到貨”揀選模式相比，穿梭車密集倉儲系統(tǒng)的作業(yè)效率及揀選正確率更高

圖1 單層作業(yè)模式穿梭車系統(tǒng)平面布局圖

2.跨層作業(yè)模式

跨層作業(yè)模式下，一條巷道內(nèi)，n層貨架只需配置m臺穿梭車（m＜n）。同時，在單層作業(yè)模式穿梭車系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，跨層作業(yè)模式多配置了一臺穿梭車換層提升機。其平面布局圖，如圖3。

3.兩種作業(yè)模式對比

圖2 單層作業(yè)模式穿梭車系統(tǒng)立面圖

圖3 跨層作業(yè)模式穿梭車系統(tǒng)平面布局圖

圖4 錯位說明示意圖

單條巷道，n層貨架。單層作業(yè)模式配置n臺穿梭車；跨層作業(yè)模式配置m（m＜n）臺穿梭車，1臺穿梭車換層提升機。當(dāng)穿梭車系統(tǒng)出入庫流量很大時，即便采用單層作業(yè)模式，穿梭車閑置率也很低，這種情況只適宜采用單層作業(yè)模式。兩種模式的對比分析，只針對存在一定的穿梭車閑置，適宜采用跨層作業(yè)模式的情況。

（1）經(jīng)濟性對比

通常情況下，密集倉儲系統(tǒng)出入庫端均設(shè)有一定數(shù)量的緩存工位，用于出入庫物料的排序暫存。穿梭車連續(xù)完成某層的出入庫任務(wù)后，即可轉(zhuǎn)入另一層繼續(xù)執(zhí)行出庫任務(wù)，從而減少穿梭車空閑時間，提高設(shè)備利用率。對于設(shè)置有合理數(shù)量的出入庫緩存工位的多層穿梭車系統(tǒng)，當(dāng)穿梭車數(shù)量m滿足總出入庫流量時，增加穿梭車數(shù)量來增加系統(tǒng)效率的作用逐漸轉(zhuǎn)弱，即出現(xiàn)穿梭車閑置。

單層作業(yè)模式與多層作業(yè)模式在設(shè)備配置及控制系統(tǒng)方面均有差別，二者的經(jīng)濟性，取決于系統(tǒng)采用單層作業(yè)模式時，穿梭車的閑置率。當(dāng)閑置穿梭車的成本大于換層提升機的成本時，采用跨層作業(yè)模式更為經(jīng)濟。

（2）擴展性對比

“一軌多車”模式下，需考慮穿梭車之間的相互避讓，效率提高效果不佳，且控制復(fù)雜，所以單層作業(yè)模式幾乎沒有擴展性；而跨層作業(yè)模式可隨出入庫流量的增加，而增加穿梭車數(shù)量。

（3）系統(tǒng)柔性對比

當(dāng)某巷道穿梭車出現(xiàn)故障或其他意外情況時，對單層作業(yè)模式來講，該層該巷道的所有貨物都不能進行出入庫作業(yè)，這就對出入庫作業(yè)產(chǎn)生了極大影響，給企業(yè)帶來了一定損失；而對跨層作業(yè)模式，某一小車出現(xiàn)故障時，可以調(diào)度其他小車至該層完成出入庫作業(yè)，可以有效地將某一小車出現(xiàn)故障所帶來的影響降至最低，保證了系統(tǒng)整體性能。

二、穿梭車換層面臨的問題

1.限位裝置的自動開合

單層作業(yè)模式下，穿梭車軌道端頭的限位裝置為死擋。跨層作業(yè)模式下，走行軌道靠換層提升機一側(cè)需設(shè)置為能自動開合的活動限位裝置。不需要換層時，活動限位裝置能起到防止小車沖出軌道的作用；需要換層時，活動裝置應(yīng)能自動打開，讓出穿梭車上下?lián)Q層提升機升降臺的通道。

2.升降臺錯位

（1）錯位的分類

①高度錯位：升降臺處于水平狀態(tài)，只存在y方向存在高差，導(dǎo)軌兩側(cè)高差相等，即ΔH1=ΔH2。

②x軸轉(zhuǎn)角錯位：升降臺處于傾斜狀態(tài)，存在繞x軸的轉(zhuǎn)角αx，導(dǎo)軌兩側(cè)高差相等，ΔH1=ΔH2。

③z軸轉(zhuǎn)角錯位：升降臺處于傾斜狀態(tài)，存在繞z軸的轉(zhuǎn)角αz，導(dǎo)軌兩側(cè)高差不同，ΔH1≠ΔH2。

對于αx、αz，規(guī)定逆時針轉(zhuǎn)角為正值，順時針轉(zhuǎn)角為負值。

錯位說明示意圖，如圖4。

（2）錯位的危害

理想狀態(tài)，換層提升機升降臺應(yīng)與穿梭車走行軌道齊平，即，ΔH1=ΔH2=0，αx=αz=0°，以保證穿梭車的平穩(wěn)過渡。

穿梭車分為帶電池和不帶電池兩種。目前不帶電池的穿梭車一般采用滑觸線供電。采用滑觸線供電的穿梭車還需考慮集電臂的平穩(wěn)過渡。

以下分析為錯位超差的極端狀態(tài)，實際應(yīng)用時，一般處于理想狀態(tài)與極端狀態(tài)之間。ΔH1≠ΔH2時，統(tǒng)一按ΔH1＜ΔH2考慮。

①ΔH1=ΔH2＞0且達到一定限度，穿梭車不能走行到升降臺上；

②ΔH1=ΔH2＜0且達到一定限度，穿梭車可以走行到升降臺上，但為跳臺跌落，過渡不平穩(wěn)；

③αz≠0且達到一定限度，對于滑觸線供電的穿梭車，由于集電臂不能順利過渡，不管高度錯位多少，穿梭車不能走行到升降臺上。

（3）造成錯位的原因

①升降臺走行輪與提升機立柱導(dǎo)軌之間存在安裝間隙。

②運行磨損，導(dǎo)致升降臺走行輪與立柱導(dǎo)軌之間的間隙增大。

③制造、安裝過程中不可避免的誤差。

④走行軌道、升降臺加載后產(chǎn)生變形。升降臺穿梭車進入升降臺的過程，是一個逐漸加載的過程，懸臂端頭撓度必然是個變量。

⑤一組升降臺對應(yīng)多層貨架，存在停位誤差。

三、提高換層可靠性的有效措施

換層技術(shù)的關(guān)鍵在于盡量減少高度錯位和轉(zhuǎn)角錯位，使得穿梭車能平穩(wěn)過渡，延長設(shè)備使用壽命。對于降低錯位誤差，我們有以下幾個努力方向：

1.提高制造、安裝精度

提高制造、安裝精度，可有效控制系統(tǒng)初始靜態(tài)誤差，降低系統(tǒng)調(diào)試難度。

2.增加升降臺剛度

增加升降臺剛度，能減少升降臺端頭撓度，從而減少高度錯位誤差。

3.合理選用提升機的支撐結(jié)構(gòu)

采用單立柱支撐結(jié)構(gòu)的提升機，除存在高度錯位誤差外，還同時存在x軸轉(zhuǎn)角錯位誤差和z軸轉(zhuǎn)角錯位誤差。靠輪破損后，轉(zhuǎn)角誤差還有加大的趨勢。

采用雙立柱支撐結(jié)構(gòu)的提升機，除存在高度錯位誤差外，還存在z軸轉(zhuǎn)角錯位誤差。

采用四立柱框架支撐結(jié)構(gòu)的提升機，升降臺運行過程中基本能保持水平狀態(tài)，轉(zhuǎn)角錯位誤差可以控制在較小的范圍內(nèi)，可以考慮為只有高度錯位誤差。

停位精度方面，四立柱框架結(jié)構(gòu)提升機優(yōu)于雙立柱提升機，雙立柱提升機又優(yōu)于單立柱提升機。但實際應(yīng)用中，由于場地限制，物料提升機與換層提升機并列，有時會不得不選用雙立柱，甚至單立柱提升機。

4.增加軌道對接輔助裝置

通過在升降臺一側(cè)軌道端頭處增加軌道對接輔助裝置，在對接時，矯正錯位，同時使接縫處形成臨時剛性連接。

5.穿梭車集電臂可脫離設(shè)計

此項主要針對不帶電池的穿梭車。如滑觸線供電穿梭車改為帶低容量電池的穿梭車，集電臂與穿梭車可脫離，以使得集電臂只在貨架區(qū)域運行，無需和穿梭車一起過渡到換層提升機升降臺，從而減少故障環(huán)節(jié)。穿梭車帶低容量電池，還有一大好處，即解決意外掉電情況時的穿梭車停車問題。

集電臂順暢過渡要求的錯位誤差，一般比穿梭車順暢過渡要求的錯位誤差更為嚴苛。

6.升降臺采用同步帶傳動

鏈傳動的瞬時轉(zhuǎn)速和瞬時傳動比不是常數(shù)，而同步帶傳動具有準(zhǔn)確的傳動比。因此，傳動平穩(wěn)性及準(zhǔn)確停位方面鏈傳動不如同步帶傳動，換層提升機升降臺升降采用同步帶傳動將獲得更高的停位精度及穩(wěn)定性。

7.升降臺二次停位

控制系統(tǒng)能自動識別升降臺停位誤差，當(dāng)誤差較大時，啟動二次停位進行修正。

四、結(jié)束語

采用提升機對穿梭車進行的多層穿梭車系統(tǒng)，換層提升機升降臺停位后，與穿梭車走行軌道一般都有一定的高度錯位和轉(zhuǎn)角錯位，從而導(dǎo)致穿梭車過渡時出現(xiàn)不同程度的卡滯、跳臺現(xiàn)象；對于采用滑觸線供電模式的穿梭車，還存在集電臂在軌道對接處過渡不暢的情況。換層技術(shù)的關(guān)鍵在于盡量減少高度錯位和轉(zhuǎn)角錯位，使得穿梭車能平穩(wěn)過渡，延長設(shè)備使用壽命。

錯位通常是由多個因素綜合導(dǎo)致的?？梢酝ㄟ^提高制造、安裝精度，增加升降臺剛度，合理選用提升機的支撐結(jié)構(gòu)，增加軌道對接輔助裝置，穿梭車集電臂可脫離設(shè)計，升降臺二次停位等方式減少錯位誤差。其中，提高制造安裝精度、合理選用提升機支撐結(jié)構(gòu)往往受經(jīng)濟性、制造水平、場地限制等因素制約；增加軌道對接輔助裝置，穿梭車集電臂可脫離設(shè)計，升降臺二次停位成為成本增加不大卻行之有效的措施，值得進一步探究及推廣使用。