軸承成品自動化立體倉庫的設(shè)計

王兵信，溫優(yōu)優(yōu)，鈔仲凱，毛雨欣，李暢

（1. 中機十院國際工程有限公司，河南 洛陽 471039；2. 洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039）

1 概述

物流倉儲自動化、智能化的產(chǎn)生源于 20 世紀(jì) 50 年代的美國，1963 年美國率先在高架倉庫中采用計算機控制技術(shù)，建立了第一座計算機控制的高架倉庫。此后自動化高架倉庫在美國和歐洲得到迅速發(fā)展，并形成了專門的學(xué)科。目前許多跨國集團、大型企業(yè)均采用這種倉庫，如可口可樂、沃爾瑪?shù)取６袊詣踊Ⅲw倉庫的發(fā)展可以追溯到上世紀(jì)八十年代，當(dāng)時國內(nèi)倉儲設(shè)備市場處于起步階段，因自動化技術(shù)的應(yīng)用有限導(dǎo)致發(fā)展比較緩慢。隨著當(dāng)前中國經(jīng)濟的快速增長和物流行業(yè)的發(fā)展，企業(yè)間的競爭越發(fā)激烈，自動化立體倉庫逐漸成為各行各業(yè)的關(guān)注焦點。

軸承是工業(yè)生產(chǎn)和機械設(shè)備中不可或缺的基礎(chǔ)零部件，它在各行業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用，在我國的機械制造業(yè)中具有重要的地位。隨著自動化、信息化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，自動化立體倉庫在軸承行業(yè)中的應(yīng)用也日益普及。因自動化立體倉庫在軸承行業(yè)中具有存儲密度高、存取效率高、自動化程度高等特點，能夠提高軸承行業(yè)的存儲和物流效率，降低成本，提高市場競爭力，應(yīng)用前景越發(fā)廣闊。

2 自動化立體倉庫業(yè)務(wù)流程及建設(shè)需求

軸承成品自動化立體倉庫的構(gòu)建用于滿足業(yè)務(wù)需求。軸承成品倉庫的日常主要有成品入庫、出庫、盤點三項基本業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)流程分別為：

（1）入庫

生產(chǎn)車間發(fā)起入庫需求→成品運達指定入庫位置→確認(rèn)成品信息（型號、數(shù)量、狀態(tài)）→堆垛至庫位

（2）出庫

銷售部門發(fā)起出庫需求→成品到達指定出庫位置→確認(rèn)成品信息→分揀→運至裝車位置

（3）盤點

盤點業(yè)務(wù)為庫房管理部門定期或不定期對實際存儲情況進行核查，與服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫信息進行對比，核對兩者是否一致；若不一致，則以現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)庫信息進行修正。

結(jié)合軸承行業(yè)的特點，軸承成品自動化立體倉庫建設(shè)主要有以下五個方面的要求：

（1）高效倉儲

軸承行業(yè)的生產(chǎn)和銷售規(guī)模比較龐大，有大量的軸承產(chǎn)品進行倉儲和分發(fā)。自動化立體倉庫需要進行高密度存儲和快速取貨，提高倉儲效率，減少人工操作和等待時間。

（2）精確管理

軸承行業(yè)的產(chǎn)品類型繁多，不同型號規(guī)格的軸承要分類管理。自動化立體倉庫需要精確管理軸承的庫存數(shù)量、位置和狀態(tài)。

（3）質(zhì)量保證

軸承作為重要的機械零部件，其質(zhì)量對于主機設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。自動化立體倉庫需要盡量避免人為因素對貨物造成的損壞和誤操作，保證貨物質(zhì)量的穩(wěn)定可靠。

（4）接單迅速

軸承行業(yè)的訂單量較大，對訂單的快速處理和準(zhǔn)時交付有較高的需求。自動化立體倉庫需要實現(xiàn)訂單的快速分配、貨物的快速取出，提高訂單處理速度和客戶滿意度。

（5）數(shù)據(jù)支持

軸承行業(yè)需要對倉庫運營和庫存情況進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。自動化立體倉庫的管理系統(tǒng)需要可提供實時的數(shù)據(jù)報表和分析，幫助經(jīng)營管理者做出準(zhǔn)確的決策。

3 自動化立體倉庫的構(gòu)成與選擇

軸承成品立體倉庫主要由倉庫建筑、立體貨架、輸送設(shè)備、管理系統(tǒng)等硬件與軟件所構(gòu)成。在設(shè)計自動化立體倉庫時，需要綜合考慮貨物的吞吐量、周轉(zhuǎn)率、裝載單元尺寸等參數(shù)來確定立體貨架的高度、長度與布置形式；再對貨物在庫內(nèi)流動的時間進行分析，確定各相關(guān)設(shè)備的能力，為設(shè)計自動化立體倉庫提供科學(xué)依據(jù)。

3.1 倉庫建筑

倉庫建筑在廠區(qū)內(nèi)的位置要充分提升空間使用利用率，協(xié)調(diào)與相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)廠房之間的物流關(guān)系，使物流便捷、順暢，節(jié)省運輸成本。倉庫建筑考慮到貨物的存儲容量和流動性，通常采用高大的建筑結(jié)構(gòu)，配備適當(dāng)?shù)某鋈肟诤拓浳镞\輸設(shè)備的通道，共同完成軸承成品的存儲、分發(fā)、裝卸、配送任務(wù)。同時還要配備人員辦公輔房、公用設(shè)備用房。

倉庫建筑內(nèi)需保持通風(fēng)、清潔以及適宜的溫度、濕度，軸承存放位置應(yīng)避免陽光直射。若有條件，倉庫內(nèi)設(shè)置通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)保持溫度為15～25 ℃，相對濕度 80% 以下。

軸承所用紙箱、木托等包裝材料重量通常不大于軸承本身重量的 1/4，包裝材料體積不大于軸承本身重量的 1/2，此類倉庫建筑定性為戊類火災(zāi)危險等級。另外，按照我國現(xiàn)有消防規(guī)范要求，高架倉庫應(yīng)設(shè)置自動滅火系統(tǒng)。

3.2 立體貨架

軸承成品自動化立體倉庫的貨架高度一般設(shè)置為 7～30 米，采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，這對貨架立柱、橫梁、拉桿等構(gòu)件的剛度和強度要求較高，貨架立柱和橫梁需用優(yōu)質(zhì)鋼材，同時要保證優(yōu)質(zhì)的制造精度和良好的防銹蝕性能。貨架的最大長度取決于一臺堆垛機在一條通道中所服務(wù)的貨位數(shù)量，由一臺堆垛機上、下貨的貨架的最佳長度在 80～120 米[1]。

軸承成品有的采用紙箱包裝后碼垛在托盤上運輸，有的是直接碼垛在木箱或紙箱中運輸，流通市場中最常見的是采用托盤運輸，本文中的自動立體倉庫設(shè)計以托盤運輸為例。托盤是立體倉庫中存放貨物的器具，其與軸承成品一起構(gòu)成自動化立體倉庫的基本裝載單元。按照我國發(fā)布的《聯(lián)運通用平托盤 主要尺寸及公差》（GB/T 2934—2007）推薦使用托盤的平面尺寸為 1.2米×1 米，由于存在有不同軸承型號尺寸差異、包裝物尺寸誤差、堆放間隙、偏移量等，堆放最大貨態(tài)尺寸可按 1.3 米×1.1 米×1.1 米（長×寬×高）設(shè)計。此外，每個裝載單元平均載荷可按1.5 噸，立體貨架地面集中載荷 5～20 噸，地面平均載荷 3～10 噸 進行初步設(shè)計，具體設(shè)計時需要根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)中不同類型、尺寸段軸承的重量綜合考慮。

貨架布置形式通常采用兩排相鄰的貨架與一臺堆垛機構(gòu)成一個巷道，軸承成品自動立體倉庫一個巷道的總寬度可按 4 米進行設(shè)計。庫內(nèi)物流按流向劃分主要有兩種類型，詳見圖1 所示。

圖1 庫內(nèi)物流流向圖

Ⅰ型是在一端入庫作業(yè)，另一端出庫作業(yè)。U 型是在倉庫一端同時進行入庫及出庫作業(yè)。相比較而言，Ⅰ型效率較高，而 U 型物流管理和經(jīng)濟方面較好[1]。具體哪種流向形式應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場條件、生產(chǎn)綱領(lǐng)、裝載單元的搬運和管理因素。

按立體貨架與倉庫建筑之間的關(guān)系可分為整體式貨架與分離式貨架。整體式貨架與建筑固連在一起，貨架包含了建筑物的某些構(gòu)造，如房頂、外墻，并相互支撐，它省去了柱子，結(jié)構(gòu)合理、布置緊湊，高度大的貨架幾乎都采用整體式。分離式貨架又稱單體式貨架，是在屋頂較高的建筑物內(nèi)設(shè)置的獨立貨架，在倉庫規(guī)模較小，貨架高度 6～9 米時采用此類貨架。

3.3 輸送設(shè)備

輸送設(shè)備用于軸承成品的運輸和存儲，主要包括輸送機、堆垛機、AGV。輸送機主要用于輸送裝載單元，由驅(qū)動裝置驅(qū)動傳動帶、鏈條或滾筒等方式，將貨物從一個位置輸送到另一個位置。輸送機的連接通常采用非焊接方式，便于維修裝拆。輸送機控制系統(tǒng)通過輸送機上的位置光電傳感器判斷托盤的狀態(tài)，自動控制輸送機實現(xiàn)托盤的進出、到位和停止。

堆垛機在貨架的巷道內(nèi)來回運行，將位于堆垛機取貨站臺的貨物存入貨格，或者取出貨格內(nèi)的貨物運送到堆垛機放貨站臺。堆垛機主要由金屬結(jié)構(gòu)、載貨臺、水平運行機構(gòu)、起升機構(gòu)、貨叉伸縮機構(gòu)等部件組成。由行走電機通過驅(qū)動軸帶動驅(qū)動輪在下導(dǎo)軌上做水平行走，由提升電機通過鋼絲繩帶動載貨臺做垂直升降運動，由載貨臺上的貨叉做伸縮運動。行走認(rèn)址器用于控制堆垛機水平行走位置，提升認(rèn)址器用于控制載貨臺升降位置。堆垛機存取貨物周期可通過計算位于自動化立體倉庫平均位置的托盤的單循環(huán)時間得到，該周期是選擇自動化立體倉庫的基本單位。

AGV 是一種自動化導(dǎo)引車輛，通常采用無人駕駛的方式進行運輸。它配備有導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器和控制系統(tǒng)，可以根據(jù)倉庫布局和需求，自主地在倉庫內(nèi)進行貨物的運輸和分發(fā)。AGV 導(dǎo)航系統(tǒng)有磁條、磁釘、激光、二維碼、輪廓、GPS、視覺等多種導(dǎo)引方式，具體選用可根據(jù)場地環(huán)境、路徑、導(dǎo)航精度、維護等情況選擇適合的方式。

3.4 檢測裝置

檢測裝置用于對待入庫的裝載單元長、寬、高進行紅外光電掃描，對重量采用傳感器進行檢測，判斷是否超過設(shè)定值，若檢測合格允許入庫。若超過設(shè)定值，在系統(tǒng)里則視為不合格，要求發(fā)出聲光報警并在電子顯示屏上顯示，并由控制系統(tǒng)退回且向系統(tǒng)報告超差情況，返工合格后可再次入庫。另外，考慮到采用托盤轉(zhuǎn)運貨物存在散托的風(fēng)險，在輸送設(shè)備上增加薄膜纏托設(shè)備對貨物進行防護。

3.5 控制與管理系統(tǒng)

控制與管理系統(tǒng)是整個立體倉庫運作的核心，通過集成倉庫內(nèi)各個設(shè)備來控制并協(xié)調(diào)倉庫內(nèi)各種設(shè)備和物流流程，以實現(xiàn)高效的貨物存儲和取貨, 參見圖2。系統(tǒng)實現(xiàn)倉庫的信息化管理；主要包括對廠房、庫位、堆垛機、碼垛機器人、用戶、業(yè)務(wù)單、貨箱、托盤等的標(biāo)簽數(shù)據(jù)化管理；對物料進出庫業(yè)務(wù)的自動化搬運，采用RFID 無線掃描技術(shù)對所有的實體硬件進行標(biāo)簽數(shù)據(jù)化，采用 C/S 模式通過 Web Service 接口調(diào)用方式實現(xiàn)手持終端和服務(wù)器端的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)同時具有良好的擴充性和開放的數(shù)據(jù)接口，能夠與其它信息系統(tǒng)如 ERP、MES 等進行數(shù)據(jù)交換。

圖2 管理系統(tǒng)架構(gòu)圖[2]

4 結(jié)論

軸承成品自動化立體倉庫與傳統(tǒng)倉庫相比，可提高空間利用率，節(jié)約土地，加快貨物的存取節(jié)奏，減輕勞動強度，提高生產(chǎn)效率，形成先進的物流系統(tǒng)，提高企業(yè)生產(chǎn)管理水平。

隨著自動化技術(shù)的不斷進步和成本的不斷降低，自動化立體倉庫在軸承行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用將會更加廣泛，為軸承行業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型升級、提高生產(chǎn)效率、降低成本等方面帶來重要影響。同時，軸承成品自動化立體倉庫智能化探索是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合運用多種技術(shù)手段，最終實現(xiàn)軸承成品倉庫的高效、準(zhǔn)確和智能化管理。