電子商務(wù)與智能制造技術(shù)推動(dòng)了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)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(cāng)儲(chǔ)”的概念。

　　在物流產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展過(guò)程用中，需要對(duì)物流倉(cāng)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(cāng)庫(kù)相比，密集倉(cāng)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(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)因而越來(lái)越多地受到行業(yè)的關(guān)注，其市場(chǎng)發(fā)展前景廣闊。

　　作為面向密集倉(cāng)儲(chǔ)的重要搬運(yùn)設(shè)備，智能托盤(pán)式四向穿梭車(chē)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)四向車(chē)）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(guò)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(chē)無(wú)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(chē)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。

　　一、托盤(pán)式四向穿梭車(chē)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　四向車(chē)根據(jù)任務(wù)要求，協(xié)同往復(fù)式提升機(jī)，通過(guò)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(cāng)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)的控制和調(diào)度下，整個(gè)密集庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)多層多車(chē)同時(shí)運(yùn)作，各四向車(chē)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(wú)貨、故障、工作情況等信息。

　　四向車(chē)具備整存整取、倒貨移動(dòng)、托盤(pán)點(diǎn)數(shù)等作業(yè)功能，實(shí)現(xiàn)物料快速出庫(kù)和庫(kù)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(lái)看，四向車(chē)主要由車(chē)架、頂升機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、車(chē)輪組、電源、電氣控制等部件組成（見(jiàn)圖1）。

圖1 四向穿梭車(chē)主要結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)

　　四向車(chē)車(chē)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(chē)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(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)針對(duì)整車(chē)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(chē)輪

　　四向車(chē)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(mǎn)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(chē)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(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，既保證車(chē)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(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)車(chē)輪長(zhǎng)期受到摩擦，需要耐磨車(chē)輪，經(jīng)過(guò)性能測(cè)試，選用聚氨酯車(chē)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(jiàn)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(chē)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。考慮到機(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(chē)存取貨物通過(guò)頂降托盤(pán)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(chē)在作業(yè)過(guò)程快速頂降、快速換向以縮短作業(yè)周期。穿梭車(chē)頂升機(jī)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 穿梭車(chē)頂升機(jī)構(gòu)示意圖

　　二、數(shù)字化控制及通訊技術(shù)

　　四向車(chē)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(chē)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(wú)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(chē)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(kù)中采用Zigbee無(wú)線通訊方式，上位控制器通過(guò)Zigbee主模塊向四向車(chē)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(hào)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(duì)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(guò)程進(jìn)行中，各類(lèi)傳感器和RFID系統(tǒng)將采集的定位、檢測(cè)、故障等信息通過(guò)Zigbee子模塊反饋給上位器，并由狀態(tài)顯示器反饋給倉(cāng)庫(kù)操作人員，實(shí)現(xiàn)四向車(chē)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

　　三、密集倉(cāng)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(chē)作業(yè)調(diào)度等各種功能。密集倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)采用多任務(wù)模式，為保證四向車(chē)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(kù)區(qū)分配、任務(wù)優(yōu)先級(jí)劃定、貨位分配、路徑規(guī)劃等。在WCS控制下，密集庫(kù)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(cè)；作業(yè)終端基于可視化界面對(duì)多設(shè)備、入出庫(kù)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(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)調(diào)度架構(gòu)如圖5所示。

圖5 高速密集儲(chǔ)存系統(tǒng)調(diào)度構(gòu)架示意圖

　　四、四向車(chē)作業(yè)能力評(píng)估

　　四向車(chē)的作業(yè)能力受倉(cāng)庫(kù)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(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的效率。四向車(chē)在垂直交叉軌道上切換方向完成貨物的水平出入庫(kù)，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(chē)一個(gè)周期內(nèi)只完成一個(gè)出（入）庫(kù)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(kù)和出庫(kù)兩個(gè)任務(wù)。在基于每層一臺(tái)四向車(chē)的系統(tǒng)配置下：

　　1)在單一作業(yè)模式中，四向車(chē)入庫(kù)作業(yè)和出庫(kù)的作業(yè)時(shí)間相同，假設(shè)每層四向車(chē)的平均單一作業(yè)時(shí)間為t1,則該模式下的出入庫(kù)能力η1可計(jì)算為

　　2)在復(fù)合作業(yè)模式中，假設(shè)四向車(chē)的平均復(fù)合作業(yè)為t2,則對(duì)應(yīng)的出入庫(kù)η2為

　　五、應(yīng)用案例

　　案例四向車(chē)已在某公司密集庫(kù)項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用。該密集庫(kù)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)配件成品、半成品存儲(chǔ)，整盤(pán)入出及揀選出庫(kù)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(jí)。

　　單元托盤(pán)尺寸為1200mm×1100mm×1200mm/1400mm(長(zhǎng)×寬×高)，單元最大載重為800kg（含托盤(pán)）。倉(cāng)庫(kù)中整體入出庫(kù)量不少于250托/h，設(shè)備配置有四向車(chē)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(duì)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?xún)r(jià)比高、可拓展的方案，經(jīng)實(shí)際測(cè)試該密集存儲(chǔ)系統(tǒng)項(xiàng)目建成后與傳統(tǒng)立體庫(kù)相比，庫(kù)容量提高了35%，設(shè)備運(yùn)行用電量能耗降低了30%。

　　六、總結(jié)

　　四向車(chē)密集庫(kù)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、智能化、無(wú)人化作業(yè)，與傳統(tǒng)立體倉(cāng)庫(kù)相比，提高了20%～50%的存儲(chǔ)量。隨著托盤(pán)式四向車(chē)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)日趨成熟，其在國(guó)內(nèi)外密集庫(kù)中得到了廣泛應(yīng)用。

　　四向車(chē)多層多車(chē)靈活作業(yè)方式，大大提高入出庫(kù)作業(yè)效率，解決傳統(tǒng)立庫(kù)中堆垛只能在一個(gè)巷道入出庫(kù)作業(yè)的瓶頸問(wèn)題。近些年來(lái)，歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)的各類(lèi)穿梭車(chē)發(fā)展快速、技術(shù)先進(jìn)，各種高品質(zhì)的四向車(chē)出現(xiàn)在市面上。

　　針對(duì)國(guó)內(nèi)倉(cāng)儲(chǔ)市場(chǎng)的實(shí)際需求，研發(fā)的四向車(chē)具有外觀新穎、功能完善、安全可靠等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加之本地化的售后服務(wù)體系，未來(lái)智能倉(cāng)儲(chǔ)等不同工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景可期。