多托盤共用自動(dòng)化物流系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)
——以某汽車企業(yè)零部件配送物流為例

李成友，盧會(huì)超，李永衡，胡建法，全英玉

（昆船智能技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650051）

0 引言

近年來(lái)我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)日益走向規(guī)模化和專業(yè)化，隨著信息技術(shù)的大量應(yīng)用、互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的興起以及企業(yè)對(duì)成本控制要求的提升，個(gè)性化的消費(fèi)訴求，使產(chǎn)品的需求特性變得更加小批量、多品種，包裝方式也越來(lái)越多樣化，供應(yīng)鏈體系不得不快速響應(yīng)市場(chǎng)多樣化和不確定的動(dòng)態(tài)需求，力求在最短周期內(nèi)為顧客提供滿意的產(chǎn)品。這迫使物流系統(tǒng)也必須做出變革，提升企業(yè)供應(yīng)鏈的運(yùn)行效率。

在企業(yè)的供應(yīng)鏈管理中，貨物的單元化形式受運(yùn)輸成本及成品保護(hù)等因素的影響。為提高流通及搬運(yùn)效率，減少庫(kù)存，企業(yè)利用單元化載具循環(huán)共用的方式，提升貨物的持續(xù)補(bǔ)貨能力。載具存在較大的差異，不易使用單一載具的規(guī)劃設(shè)計(jì)方式，覆蓋所有貨物條件的管理需求。多托盤共用自動(dòng)化物流系統(tǒng)，以企業(yè)現(xiàn)有托盤管理體系作為貨物的標(biāo)準(zhǔn)化載具，最大程度維系當(dāng)前行業(yè)供應(yīng)鏈的管理模式，降低了系統(tǒng)建設(shè)成本及應(yīng)用難度，更具柔性，也具有更高的作業(yè)效率。

1 多托盤共用模式

托盤是自動(dòng)化物流系統(tǒng)最重要的單元化載體。由于不同國(guó)家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差異，托盤形式各異，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)格尺寸呈現(xiàn)多樣性。因此，難以采用單一的載具，適應(yīng)自動(dòng)化物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

以某汽車企業(yè)零部件配送物流為例，作為典型的供應(yīng)鏈管理企業(yè)，供應(yīng)鏈體系高度固化。載具設(shè)計(jì)以運(yùn)輸和貨物保護(hù)為核心，貨物載具涉及木托盤、吸塑托盤、塑料托盤和鐵質(zhì)籠框等多種類型。采用以托盤包裝單元為子托盤，加裝母托盤的方式，實(shí)現(xiàn)貨物單元在輸送、存儲(chǔ)、搬運(yùn)過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)化管理，但增加了托盤及設(shè)備投入，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化復(fù)雜程度，容易導(dǎo)致后期高昂的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

多托盤共用自動(dòng)化物流系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)設(shè)備和工藝流程的特殊設(shè)計(jì)，可在不改變現(xiàn)有管理方式及載具形式的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多類型、多規(guī)格載具單元的智能化倉(cāng)儲(chǔ)、自動(dòng)化輸送以及托盤一貫化承載輸送作業(yè)。這有效地減少了供應(yīng)鏈上下游環(huán)節(jié)中，由于更換托盤載具帶來(lái)的時(shí)間成本和人力成本浪費(fèi)。

2 多托盤共用自動(dòng)化物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式及解決方案

某汽車企業(yè)零部件配送物流的生產(chǎn)管理相對(duì)復(fù)雜，工藝流程較多，供應(yīng)鏈體系結(jié)構(gòu)龐大。終端產(chǎn)品也會(huì)隨市場(chǎng)需求不斷調(diào)整，導(dǎo)致貨物的供應(yīng)商直接影響企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃。由于貨物的供應(yīng)商通常是長(zhǎng)期和相對(duì)固定的合作關(guān)系，載具也能隨供應(yīng)關(guān)系循環(huán)利用（如圖1所示），從而降低貨物運(yùn)輸成本，提高貨物的搬運(yùn)效率。

為確保產(chǎn)品的質(zhì)量及交付能力符合各方利益，供應(yīng)商往往會(huì)加大對(duì)貨物包裝方面的投入力度，采用各式各樣的載具將貨物單元化，加快貨物的裝卸及搬運(yùn)速度，縮短運(yùn)輸車輛在物流節(jié)點(diǎn)的滯留時(shí)間，實(shí)現(xiàn)貨物在裝卸、搬運(yùn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸環(huán)節(jié)的快速運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，為有效地保護(hù)貨物成品，減少轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的破損，貨物的載具形式也變得更加專業(yè)化和個(gè)性化，形狀各異，大小不同。為避免單一托盤載具方案造成的空間浪費(fèi)，以供應(yīng)商載具作為貨物單元化載體。從多類型托盤的共線輸送，托盤自由叉孔尺寸的自動(dòng)識(shí)別，堆垛機(jī)可變距貨叉的調(diào)節(jié)等多個(gè)設(shè)計(jì)維度，最終實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)對(duì)多類型托盤的識(shí)別、定位及存儲(chǔ)等重要環(huán)節(jié)的全自動(dòng)運(yùn)行。

圖1 載具循環(huán)共用模式示意圖

2.1 托盤類型

根據(jù)管理貨物的統(tǒng)計(jì)分析，適宜倉(cāng)儲(chǔ)的托盤尺寸為1 250mm×1 100mm，在該尺寸范圍內(nèi)，大部分托盤為吸塑托盤，少部分為1 200mm×1 000mm標(biāo)準(zhǔn)木托盤或者塑料托盤。為了將該尺寸范圍內(nèi)的托盤納入自動(dòng)化物流系統(tǒng)管理范圍，實(shí)現(xiàn)無(wú)母托盤的倉(cāng)儲(chǔ)模式。對(duì)吸塑托盤進(jìn)行了相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，吸塑托盤共計(jì)有29種規(guī)格，底部結(jié)構(gòu)為九腳類型。

2.2 物流系統(tǒng)定位及檢測(cè)

結(jié)合倉(cāng)儲(chǔ)容量、貨物出入庫(kù)的等待時(shí)間以及庫(kù)區(qū)的自動(dòng)化物流系統(tǒng)接口等規(guī)劃功能要素，某汽車企業(yè)零部件配送物流采用多托盤共用的運(yùn)行模式設(shè)計(jì)。倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域?yàn)橄锏蓝讯鈾C(jī)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，輸送作業(yè)采用穿梭車，完成貨物托盤在各巷道間的集中調(diào)度管理，如圖2所示。

圖2 多托盤共用自動(dòng)化物流系統(tǒng)平面示意圖

2.2.1 出入庫(kù)站臺(tái)定位及檢測(cè)。物流系統(tǒng)對(duì)托盤的無(wú)差別自動(dòng)運(yùn)行，還需要對(duì)托盤貨物進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)。既要實(shí)現(xiàn)對(duì)托盤的條件性篩選，又需要完成初始段托盤的精準(zhǔn)定位。操作人員在出入庫(kù)站臺(tái)完成托盤貨物的側(cè)邊定位，短邊寬度方向采用光電檢測(cè)傳感器定位，內(nèi)側(cè)傳感器檢測(cè)不到托盤貨物時(shí)，則托盤短邊寬度尺寸低于物流系統(tǒng)的適用范圍。外側(cè)傳感器檢測(cè)到托盤貨物時(shí)，則托盤短邊寬度尺寸超過(guò)物流系統(tǒng)的適用范圍。

托盤貨物定位邊一側(cè)，安裝三維圖像識(shí)別系統(tǒng)（如圖3所示），對(duì)托盤的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度、叉孔寬度、叉孔高度和墩腳尺寸進(jìn)行測(cè)量（如圖4所示）。參數(shù)值滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，將托盤的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度尺寸傳遞給輸送系統(tǒng)完成后續(xù)定位。

2.2.2 堆垛機(jī)取貨站臺(tái)及輸送設(shè)備定位。由于輸送設(shè)備的載體為板鏈?zhǔn)交蛘叨嗯沛準(zhǔn)?，托盤與承載鏈的摩擦力較大，托盤在堆垛機(jī)取貨位置的定位，依靠設(shè)備的輸送停位完成。輸送設(shè)備采用伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在與穿梭車接駁貨物端頭安裝光電檢測(cè)傳感器。檢測(cè)到貨物時(shí)，系統(tǒng)利用已知的貨物中心至光電檢測(cè)傳感器檢測(cè)位的距離S，減去測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)的托盤寬度尺寸L4，則自動(dòng)計(jì)算出需要輸送的行走距離S1（S1=SL4）。托盤完成定位后，上位系統(tǒng)調(diào)度堆垛機(jī)到達(dá)貨物取貨中心位置，并根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)的托盤取貨中心尺寸，調(diào)整貨叉中心距，堆垛機(jī)叉取貨物到系統(tǒng)指定貨位存放（如圖5所示）。

圖3 三維圖像識(shí)別系統(tǒng)安裝示意圖

圖4 圖像采集及參數(shù)識(shí)別示意圖

圖5 貨物托盤在取貨站臺(tái)的定位示意圖

2.3 工藝流程設(shè)計(jì)

托盤通過(guò)人工站臺(tái)上線后完成靠邊定位，出入庫(kù)站臺(tái)上的光電檢測(cè)傳感器，對(duì)托盤定位邊和托盤短邊寬度尺寸進(jìn)行檢測(cè)，利用三維圖像識(shí)別系統(tǒng)完成定位邊的托盤輪廓尺寸檢測(cè)。剔除不能滿足運(yùn)行條件的托盤貨物，報(bào)警提示由人工處理。

托盤貨物經(jīng)識(shí)別檢測(cè)合格后，將貨物信息及托盤尺寸信息發(fā)送給上層信息系統(tǒng)。系統(tǒng)將托盤長(zhǎng)邊長(zhǎng)度尺寸分配給輸送系統(tǒng)，以完成后續(xù)輸送定位使用。將取貨中心間距分配給堆垛機(jī)，堆垛機(jī)按照該取貨中心尺寸完成相應(yīng)的貨叉間距調(diào)整。系統(tǒng)同時(shí)分配存儲(chǔ)貨位，將取貨中心尺寸與該貨位托盤的貨物信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，便于后續(xù)出庫(kù)使用。

穿梭車將貨物輸送至與堆垛機(jī)接口的取貨站臺(tái)，輸送設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方式為伺服驅(qū)動(dòng)。在輸送過(guò)程中，托盤貨物觸發(fā)該輸送設(shè)備端頭光電檢測(cè)傳感器，輸送系統(tǒng)記錄托盤起點(diǎn)位置信息，根據(jù)預(yù)設(shè)的托盤貨物至觸發(fā)光電檢測(cè)傳感器的距離，由PLC計(jì)算出托盤貨物的輸送距離，完成托盤貨物至取貨中心位置的停位。該位置的升降臺(tái)驅(qū)動(dòng)托盤貨位上升，升降臺(tái)的頂升位置為托盤孔位的6個(gè)支點(diǎn)。

托盤貨物在輸送設(shè)備根據(jù)堆垛機(jī)取貨中心位置完成定位后，系統(tǒng)調(diào)度堆垛機(jī)到達(dá)取貨位，并根據(jù)托盤叉孔中心距尺寸，調(diào)整堆垛機(jī)貨叉間距，叉取貨物后到達(dá)指定位置存儲(chǔ)。

2.4 輸送及搬運(yùn)處理措施

根據(jù)額定載荷為1-1.5t的貨叉對(duì)搬運(yùn)托盤的尺寸要求，托盤在貨叉叉取方向需具備可落地結(jié)構(gòu)，且在自由叉孔高度方向尺寸不得低于120mm，寬度方向不得低于250mm（如圖6所示）。而對(duì)于九腳吸塑托盤，可在托盤的長(zhǎng)邊或者短邊完成托盤貨物的搬運(yùn)。數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，托盤短邊叉孔寬度尺寸較小，僅有11種托盤滿足貨叉叉取搬運(yùn)要求。而采用托盤長(zhǎng)邊作為叉取方向，全部托盤均可滿足貨叉在該重量下的作業(yè)要求。因此，吸塑托盤采用長(zhǎng)邊作為貨叉搬運(yùn)方向，而木托盤或者塑料托盤采用短邊作為搬運(yùn)方向。

圖6 堆垛機(jī)貨叉及托盤尺寸示意圖

2.4.1 搬運(yùn)定位。由于托盤墩腳尺寸差異太大，每一種托盤都呈現(xiàn)不同的尺寸參數(shù)。托盤墩腳尺寸最小僅為38mm，最大為170mm。在長(zhǎng)度方向最小尺寸為1 000mm，最大尺寸為1 240mm，極限偏差尺寸為240mm。若采用托盤中心的定位，叉孔值偏差尺寸120mm。顯然，采用單一的定位基準(zhǔn)，托盤叉孔極值重疊尺寸可用空間值僅為128mm，無(wú)法滿足堆垛機(jī)貨叉的叉取要求。因此，托盤的定位方式只能選擇多基準(zhǔn)定位方案，如圖7所示。

圖7 托盤定位基準(zhǔn)示意圖

綜合托盤叉孔數(shù)據(jù)，中間墩腳寬度尺寸最小的吸塑托盤，貨叉中心距最小，貨叉中心距尺寸為338mm。中間墩腳寬度尺寸最大的吸塑托盤，貨叉中心距最大，貨叉中心距尺寸為603mm。貨叉的取貨中心距極限偏差值為265mm，堆垛機(jī)貨叉采用可變距貨叉，以滿足不同托盤不同取貨中心的調(diào)整需要（如圖8所示）。

圖8 堆垛機(jī)貨叉調(diào)整范圍示意圖

2.4.2 貨位設(shè)計(jì)。存放托盤涉及九腳吸塑托盤，且大部分托盤叉孔高度低于120mm，貨架采用橫梁加支撐梁的方式，以確保托盤底部均受到有效支撐。由于托盤尺寸的不確定性，同一個(gè)貨位需滿足所有托盤的存儲(chǔ)需求。

托盤采用中心定位原則，為確保貨叉具有最大的叉取空間，貨架的中間位置墊梁寬度參照托盤中間墩腳最小尺寸，兩邊的支撐墊梁依據(jù)托盤最大取貨中心和最小叉孔寬度值確定。因此，貨位兩側(cè)支撐墊梁間距為865mm，從安全存儲(chǔ)的角度設(shè)計(jì)，托盤邊緣至少50mm在支撐墊梁范圍內(nèi)，托盤長(zhǎng)邊長(zhǎng)度尺寸不得低于965mm。托盤最小叉孔高度為85mm，墊梁高度設(shè)計(jì)為50mm，單個(gè)存儲(chǔ)貨位設(shè)計(jì)為5組支撐墊梁（如圖9所示）。在該尺寸范圍內(nèi)，兼顧貨位存儲(chǔ)的安全性，共計(jì)5種托盤的墩腳在支撐墊梁位置的支撐面過(guò)小，不能滿足貨位存儲(chǔ)要求。

圖9 托盤存儲(chǔ)貨位示意圖

2.4.3 輸送定位。由于托盤墩腳尺寸變化較大，多數(shù)托盤無(wú)法采用輥筒類設(shè)備輸送。為確保托盤的平穩(wěn)輸送，采用鏈?zhǔn)阶鳛槠叫杏谙锏婪较虻妮斔洼d體。根據(jù)前端定位要求，采用托盤側(cè)向定位，輸送設(shè)備沿托盤長(zhǎng)邊輸送，利用托盤短邊的墩腳尺寸完成輸送鏈條布置。托盤寬度共涉及15 種類型，寬度尺寸范圍在600-1 100mm 之間，考慮輸送設(shè)備制造的經(jīng)濟(jì)性，剔除部分托盤短邊寬度尺寸過(guò)小的貨物。因此，輸送設(shè)備兼容短邊寬度尺寸范圍為950-1 100mm，輸送設(shè)備的承載類型為板式或者多排鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，以提高對(duì)不同托盤墩腳的兼容性（如圖10所示）。

圖10 托盤輸送定位示意圖

2.5 載具單元規(guī)格適用范圍

通過(guò)堆垛機(jī)貨叉搬運(yùn)、貨架貨位存儲(chǔ)、輸送設(shè)備三個(gè)維度分析，29 種托盤中共有21 種托盤符合存儲(chǔ)條件，自動(dòng)化物流系統(tǒng)在一定的托盤尺寸范圍（見(jiàn)表1）內(nèi)滿足使用要求。

2.6 方案特點(diǎn)

多托盤共用自動(dòng)化物流系統(tǒng)的關(guān)鍵輸送設(shè)備均采用光電檢測(cè)及伺服控制技術(shù)，以確保托盤在堆垛機(jī)取貨中心位置完成定位。為最大程度適應(yīng)更多規(guī)格和更多類型的托盤，堆垛機(jī)貨叉采用可變距調(diào)節(jié)方式，依據(jù)測(cè)量參數(shù)對(duì)貨叉中心距尺寸進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。完成托盤尺寸測(cè)量后，輸送系統(tǒng)再根據(jù)測(cè)量尺寸，對(duì)托盤進(jìn)行精確定位，以滿足堆垛機(jī)的叉取要求。而貨架由于存儲(chǔ)貨位需要兼顧不同類型的托盤，適當(dāng)增加了墊梁密度，確保貨物存儲(chǔ)安全。該系統(tǒng)的工藝流程簡(jiǎn)潔，技術(shù)較為成熟，系統(tǒng)性能相對(duì)穩(wěn)定可靠。

表1 載具單元規(guī)格適用范圍表

此外，三維圖像識(shí)別系統(tǒng)可對(duì)托盤規(guī)格尺寸參數(shù)全程在線采集，無(wú)需逐一手動(dòng)錄入數(shù)據(jù)或判斷托盤的受損狀況。該物流系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)人值守。通過(guò)程序算法以及物流節(jié)點(diǎn)的定位控制，該物流系統(tǒng)還能在一定程度上適應(yīng)貨物載具單元產(chǎn)生的規(guī)格尺寸變化，可實(shí)時(shí)響應(yīng)任何貨物的尺寸更改。搭載更高層級(jí)的圖像識(shí)別技術(shù)，甚至還可完成貨物的質(zhì)檢和盤點(diǎn)，具有良好的智能化擴(kuò)展空間。但該物流系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)度依賴三維圖像識(shí)別系統(tǒng)，關(guān)鍵輸送設(shè)備需采用伺服驅(qū)動(dòng)。由于系統(tǒng)流量壓力，以及實(shí)施過(guò)程中的不確定性因素，為獲得更高的測(cè)量精度，該物流系統(tǒng)作業(yè)端增設(shè)有多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)一步提高了前端處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，其軟件程序也需要二次開(kāi)發(fā)，周期長(zhǎng)，且技術(shù)難度較大。

2.7 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

多托盤共用自動(dòng)化物流系統(tǒng)可減少母托盤的使用，主要的成本為變距貨叉、伺服驅(qū)動(dòng)、多排鏈或鏈板類設(shè)備。以該項(xiàng)目13 120個(gè)貨位，8個(gè)巷道為例。減少托盤投資約790萬(wàn)，8臺(tái)堆垛機(jī)的貨叉成本增加16萬(wàn)；輸送設(shè)備按每臺(tái)3萬(wàn)估算，伺服及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的增加對(duì)比普通設(shè)備價(jià)格接近1倍，按20臺(tái)輸送設(shè)備計(jì)算，成本增加60萬(wàn)。若三維圖像識(shí)別系統(tǒng)設(shè)備按50萬(wàn)估算，不考慮其他建設(shè)成本的情況下，大約可節(jié)約近600萬(wàn)投資成本，具有非常高的經(jīng)濟(jì)性建設(shè)優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，也是出口大國(guó)，有著數(shù)量龐大的供應(yīng)鏈型企業(yè)，配套協(xié)作管理體系互利共生而又競(jìng)爭(zhēng)激烈，價(jià)格控制較為敏感，多托盤共用自動(dòng)化物流系統(tǒng)在貨物轉(zhuǎn)運(yùn)及運(yùn)輸過(guò)程中具有非常明顯的低成本優(yōu)勢(shì)。

多托盤共用自動(dòng)化物流系統(tǒng)直接利用供應(yīng)鏈產(chǎn)品的載具作為管理單元，系統(tǒng)柔性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，最大程度節(jié)約了建設(shè)成本。其依靠自身載具完成對(duì)貨物的流轉(zhuǎn)、搬運(yùn)及存儲(chǔ)，作業(yè)效率高，數(shù)據(jù)采集快速、高效，避免了貨物多次更換載具帶來(lái)的損耗風(fēng)險(xiǎn)。

多托盤共用自動(dòng)化物流系統(tǒng)無(wú)需搭載母托盤，也無(wú)需增加母托盤處理工藝及設(shè)施。不僅使物流系統(tǒng)獲得了效率的提升，而且大幅度減少了初始投資費(fèi)用。在存儲(chǔ)貨位多的使用環(huán)境下，更能凸顯其經(jīng)濟(jì)性，將會(huì)成為貨物托盤實(shí)現(xiàn)一貫化作業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。