多層堆垛機系統

韓天文， 薛成超， 傅友賓

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110168）

0 引言

目前市場上，自動化立體倉庫主要有兩種形式，傳統的堆垛機立體庫和新興的多層穿梭車立體庫。傳統的堆垛機立體庫有兩方面的不足，一方面是魯棒性不強，當堆垛機發生故障時，其所服務的巷道隨即處于癱瘓狀態，無法繼續進行相應的出入庫作業，且一般不存在備用設備，只能停機維修造成停工。另一方面是柔性不足、效率低，當傳統堆垛機式的自動化立體倉庫設計建造完成后，其出入庫能力隨之固定。隨著電子商務的發展和定制化服務的深入，產品生命周期不斷縮短，小批量、多批次、多品種、高時效特點的訂單不斷增多，傳統的堆垛機立體庫已無法滿足市場需求，歐美等國推出了多層穿梭車系統，在電商領域大量應用，引起了國內廠商的跟風學習，近兩三年，國內各大物流廠商均推出了自己的多層穿梭車系統。多層穿梭車系統柔性好，能顯著提高效率，易于拆裝維護，但同時帶來了高昂的成本，并未能廣泛應用于企業。

基于效率和成本的考慮，順應市場需求，新松機器人公司研發設計了多層堆垛機系統，該系統與多層穿梭車系統一樣，適用于料箱立體庫。多層堆垛機系統的效率和成本均介于堆垛機系統和多層穿梭車系統之間，適合應用于效率要求較高，業主方成本控制較嚴的項目，為這類項目提供了很好的解決方案。新松機器人開發的多層堆垛機系統已經成功應用于實際項目，并投入到生產使用，為業主方帶來了效益，成為國內首個推出多層堆垛機系統并有實際案例應用的企業。

1 多層堆垛機系統組成

從設備組成來看，多層堆垛機系統包括貨架系統、多層堆垛機、雙臂提升機、輸送系統，考慮到維護方便，需要有爬梯和維修平臺。

圖1 多層堆垛機系統組成

1.1 貨架系統

貨架系統包括貨架、堆垛機天地軌、維修爬梯、維修平臺、上層輸送機安裝平臺。貨架作為存儲單元，采用組合式橫梁貨架，每個貨格保管4個周轉箱，橫梁式貨架，結構形式與傳統的采用勾取式貨叉的堆垛機立體庫貨架結構一致。只是需要額外考慮堆垛機天地軌的安裝，維修平臺和爬梯的安裝。地軌采用雙軌形式，靠近貨架立柱安裝，承力更高。

多層堆垛機的地軌是安裝在貨架立柱上的，與傳統堆垛機不同，傳統堆垛機地軌都是安裝在地面上的。因此，貨架設計時需考慮堆垛機地軌的支撐和連接，并要考慮多層堆垛機的重量。維修平臺也是直接安裝在貨架立柱上，每有一層堆垛機，就有一層維修平臺，可通過庫尾端的維修爬梯進入到每一層維修平臺，方便設備的檢修。

1.2 多層堆垛機

多層堆垛機是整個系統最核心的設備。多層堆垛機的功能與傳統堆垛機一樣，通過行走、升降、伸叉三維運動實現每個貨位的出入庫。為減輕貨架負擔，提高速度和加速度，設計著重考慮輕量化，多層堆垛機立柱采用鋁型材框架結構，同步帶提升，結構緊湊，質量輕，噪聲小。行走方向采用4個行走輪，輪徑更小，有利于降低堆垛機的底層高度。堆垛機貨叉采用勾取式貨叉，能夠提高速度和加速度，提高貨叉取放貨的效率，但是貨物質量有限制，不能超過50 kg。

多層堆垛機無需換層，每層布置一臺堆垛機，這樣就省去了堆垛機換層的提升機。多層堆垛機采用滑觸線供電，每層都布置滑觸線，多層堆垛機的高度通常在2～3 m，一臺堆垛機大約負責4層左右的貨物存儲。每一個巷道多層堆垛機的數量取決于整個立體庫系統的效率要求。

1.3 雙臂提升機

雙臂提升機是多層堆垛機系統的極其關鍵設備，雙臂提升機實現了地面出入庫輸送機與庫前多層輸送機的對接，將料箱輸送到每一層的多層堆垛機的出入庫。提升機的效率決定了整個系統最大可達到的效率，當立體庫足夠高，多層堆垛機數量很多的情況下，雙臂提升機便成為瓶頸。雙臂提升機采用單立柱結構，安裝到地面上，頂部與貨架相連，保證穩定性。提升機兩側各一個載貨臺，載貨臺上安裝輸送機，一側入庫，一側出庫，每個載貨臺可實現單獨控制升降。

1.4 輸送系統

輸送系統可以分為兩個區域，一個區域是位于雙臂提升機和貨架之間的輸送機，這部分輸送機采用多層設計，有幾層堆垛機就對應幾層輸送機，多層輸送機安裝在貨架前端的輸送機安裝平臺上，在前端與雙臂提升機對接，后端與多層堆垛機對接，實現貨物的出入庫功能；另一個區域是位于雙臂提升機前端的輸送機，這部分輸送機通常只有一層，直接安裝在地面上，與雙臂提升機對接，是庫房人員的操作區域。

2 電氣控制系統

多層堆垛機系統的電氣控制系統與傳統的堆垛機系統沒有任何區別。電氣控制系統采用德國西門子的PROFINET工業以太網，構建基于PROFINET架構的電控系統控制網絡系統。主控制器采用西門子公司的系列產品。通過PROFINET網絡實現設備與設備之間的數據交換，保證了數據的無縫傳輸的實時性和及時性。電控系統與計算機系統采用獨立的網絡設計，利于網絡的穩定，使電控系統有較強的擴展性。

電氣控制系統的功能主要有控制方式切換、信息查詢、停電保護等功能。現場分布觸摸屏設置操作密碼保護，重要的操作需要密碼錄入確認后才能進入操作界面。

3 信息系統

配置中央控制室，在中央控制室放置服務器，服務器存儲數據信息，并運行應用服務程序。服務器通過以太網交換機采用TCP/IP網絡協議實現和客戶端的通訊、與上位系統生產調度平臺的通訊，利用數據庫實現信息的傳遞。

信息管理系統通過以太網將作業命令傳達給監控調度系統，監控調度系統將作業命令經過優化后分解為設備可執行命令，通過PROFINET工業以太網傳達給設備控制系統，控制設備的各個執行機構快速有效的運行。

4 多層堆垛機系統的效率

通常情況下，多層堆垛機系統的效率取決于多層堆垛機的數量，有幾臺多層堆垛機，效率就是傳統堆垛機系統的幾倍。但當多層堆垛機數量特別多時，雙臂提升機的效率就成為瓶頸。因此，設計多層堆垛機系統時需要考慮雙臂提升機與多層堆垛機的效率匹配。

5 多層堆垛機系統的優缺點

5.1 對比傳統堆垛機系統

傳統的堆垛機系統設備組成簡單，僅包括貨架、堆垛機和庫前端輸送機，控制和調度也相對簡單，由于技術非常成熟，成本低。缺點是效率低，故障時需要停機檢修。

多層堆垛機系統由于有庫前端的雙臂提升機，每一個巷道有多臺堆垛機，輸送機也是多層的，成本會比傳統堆垛機系統高出很多。優點是效率比傳統堆垛機系統高，有一臺堆垛機故障時，其余堆垛機也能完成該巷道的出入庫，不致于造成整個立體庫系統的癱瘓。

5.2 對比多層穿梭車系統

通常情況下，多層穿梭車系統不會布置一層一臺穿梭車，那樣會帶來高昂的成本，穿梭車需要換層來完成所有貨位的出入庫，因此多層穿梭車系統會比多層堆垛機系統多一臺穿梭車換層的提升機，這臺提升機位于巷道庫尾端，這就增加了成本和占地面積。從貨架結構看，多層穿梭車系統要求每一層都有穿梭車軌道，通常的做法是利用軌道作為貨架橫梁，軌道的成本要比普通橫梁高很多，這也造成了成本的增加。

多層穿梭車系統的效率和柔性要高于多層堆垛機系統，多層穿梭車最多可每層布置一臺車，可以通過增加多層穿梭車數量來提高系統的效率，是目前效率最高的自動化立體倉庫形式。但是效率也不能無限地增加，庫前端的雙臂提升機是瓶頸，從國內外數據來看，一臺高速提升機最大能匹配穿梭車的數量是10臺左右，具體數量需要根據巷道長度和立體庫高度進行核算。

6 結論

本文介紹了新松機器人公司開發的多層堆垛機系統，從設備組成上對多層堆垛機系統做了說明，簡要介紹了電氣控制系統及信息系統，分析了多層堆垛機系統的效率，并將其與傳統的堆垛機系統和新興的多層穿梭車系統做了優缺點分析。

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