​托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统概述|连载1-1

作者：张卫国

随着物流产业的迅猛发展，托盘四向穿梭式立体库因其在流通仓储体系中所具有的高效密集存储功能优势、运作成本优势与系统化智能化管理优势，已发展为仓储物流的主流形式之一。

托盘四向穿梭式立体库

托盘四向穿梭式立体库即：在合适结构的仓库建筑内采用多层托盘四向穿梭式高位货架、出入库托盘自动输送机系统（含各种输送机、AGV对接配套等）、托盘货物外形尺寸检测、条码阅读系统、自动拣选与分拣系统或其他自动化控制系统、自动识别系统、通讯系统、计算机监控与控制系统、计算机仓储管理系统（WMS）以及其他如电线电缆桥架与配电柜、托盘四向穿梭车与托盘单元系统、上料架与调节平台、钢结构平台、叉车等物流设备与辅助设备组合组成的复杂系统,以实现单元托盘货物的高效密集的仓储作业，分半自动化和全自动化作业两种主要形式，其中依靠叉车等人工操作的搬运存储设备对存储货物单元进行钢货架存储区外的仓储作业，并将出入库货物单元暂存于货架库位操作端的交换货位上（如上料架、货架可人工操作的或叉车作业的第一托货位等），然后通过托盘四向穿梭车进行出入库货位货物交换、库层平面内的存储搬运或结合货物提升机实现库层平面之间的换层作业，其中库层可以是分块独立存在或通过轨道连廊贯通的，其整个仓储作业形式为半自动化模式，不能通过仓库周边设备，如输送线等构建完整的自动化、智能化的连续出入库作业；

全自动化模式则有：存储货物单元根据电子计算机的指令或上位管理信息系统可自动化实现库内存储搬运与库外作业的自动化有机结合，在库内靠托盘四向穿梭车系统、货物提升机、输送分拣系统等实现仓储自动化作业，而在库外通过输送线、AGV等多种物流设备的组合，构建库内库外作业的自动化、智能化对接作业，真实实现动态物流管理，该模式下存储单元的物流依靠搬运周转设备（以托盘四向穿梭车+货物提升机）实现水平平层和垂直换层移动，可对指定货格中的存储单元进行存储调度作业，或用托盘自动输送机系统进行货物单元的进出库的自动化作业，实现存储物品的高效自动化、智能化存储管理的目的，以实现缓冲、调节、集散和平衡的仓储管理作用。

托盘四向穿梭式立体库兼具穿梭车货架库（托盘二向货架库、子母穿梭式货架库等）和巷道式自动化立体库的优势，存储空间利用率高、货物存取灵活、自动化程度高、所需作业人员少，物流设备的柔性化组合性高，能够满足多种库房条件的建设需求。

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的主体结构

上海速锐于2012年展开系列托盘四向穿梭车及其系统的研发工作，并于2014年推出第一代试验车和试验库，2015年实施并完成第一个海尔智慧家电工厂的托盘四向穿梭车产线配套案例库，此后两到三年推出一代更新迭代托盘四向穿梭车，目前已经实现第四代托盘式穿梭车的量产（主要特点是实现了全行业的液压驱动结构的最薄款，整机高度仅126mm，甚至比两向穿梭车的整机都薄，可有效压缩穿梭车层的设备占用空间，为客户高效利用仓储的立体空间提供了更优解决方案），并在多行业成功实施案例库。托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的核心设备包括托盘四向穿梭车、专用垂直提升机和配套货架，托盘四向穿梭车结构紧凑、运行速度快，采用无线通信，多台托盘四向穿梭车以编组形式工作，可协同配合，以满足不同场所的应用需求。托盘四向穿梭车不仅能够在配套的货架轨道上四向行驶，还能利用垂直提升机在货架内实现换层作业，提高了货架布局和库内作业的灵活性。

2.1系统组成

穿梭式货架系统加托盘四向穿梭式系统、专用垂直提升搬运存储系统，称托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统，包含WMS、WCS、无线基站AP、服务器及终端、多层货架及其周边设备等组成，托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统则由穿梭车本体依据作业指令实现同一平层作业巷道的四向物流作业，可实现同层任意储位的存储调度与管理，再结合提升机实现智能穿梭单车或存储物品的换平层作业，以实现存储单元在整个存储区域内的三维动态化存储管理，是穿梭式立库建设与改造的升级换代，也是智能化穿梭密集存储的理想物流形态之一；托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的管理控制信息系统负责整个货架系统内部设备的运行状态监控和调度。货架系统内托盘四向穿梭车和垂直提升机的数量配比、部署位置等由作业需求（作业效率、出入库方式）决定，可动态调整。货架货位通过存储巷道轨道连接，单一货架层内的存储巷道通过主轨道连接，各个货架层之间的主轨道通过垂直提升机连接，所有相连的轨道形成一个轨道交通网。在这个交通网内，包括存储货位、存储轨道、主轨道、垂直提升机和货架端口等设施设备，其中存储货位位于存储轨道上，存储货位和存绪轨道都位于存储巷道内。在一个存储巷道内，存储巷道轨道将多个货位连接形成一个货格。若存储巷道两端均可进出货物，则还可从存储巷道中部某处将其切分为两个相邻货格。

经过多年来的技术更新与实践，托盘四向穿梭车在速度、效率和可靠性方面都有了很大提升，与自动化巷道堆垛机、提升机等都具有良好的兼容匹配性，确保了整体选配系统的高可靠性、系统的运行效率和质量；选用或建造何种主体物流工艺的立体库，需要根据客户的具体需求、区域、地理环境与操作运行环境、投资运营成本、运行效率、供应商的资质与完成实际案例的质量、选用系统的可靠度等因素而决定。

图1  托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统

2.2托盘四向穿梭车

托盘四向穿梭车是实时动态调度整车沿定制导轨路径上进行前、后、左、右四个方向上运动行驶与托盘货位智能化存储的轨道式自动仓储货架内物流存储设备，可实现在钢货架内纵横配置的专用轨道上前后双向行驶、轨道节点处原地更换行驶轨道并相对的转换左右双向行驶的运动模式，任意货位原地举升或放置托盘货物单元，并实现随车运行或存储的自动搬运存储过程，实时动态管理整车的运行状态与数据信息交换、整车仓库货架内交通与存储位置等信息，并通过垂直提升机的协助完成托盘货物在垂直方向的运输，实现托盘类货物单元在货架内换层与搬运；具有三个维度的实时调度与运维能力，以负载大、可靠性高、对环境要求低的优势常用在托盘类存储单元的线性布置与规划、重型转运及复杂环境的仓储系统中，是托盘类货物单元的自动化、智能化存储搬运的主流解决途径之一，是保证系统内托盘存储货物的转运效率、质量及系统稳定的从静态物流向动态物流发展的关键物流存储设备，是托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中的主要设备之一。

机械结构是托盘四向穿梭车各功能实现的基础和根本保证，结构设计的是否合理性将会对整车运行平稳性及灵活性、运行定位的准确性、人机交互的友好性等产生影响。托盘四向穿梭车主要由框架总成、行走机构、顶升机构、纵横向运动轮组的升降换向机构及液压系统等组成，所述框架总成由长方形底板与多块侧立板构成，所述立侧板分别垂直焊接于底板四边及车体内部，侧立板设有通孔或紧固孔用于安装行走机构、液压系统等机构，行走机构底部与轮组升降机构通过柔性连接并固定安装在底板与侧立板上，顶升机构底部与底板、侧立板固定连接，让整机及其部件都满足结构的强度、刚度和运动稳定性。整机由以下几个功能模块构成全自动、智能化的仓储货架内的搬运存储设备，其功能模块有：行走定位模块、换向模块、电源模块、传感器模块、车载通讯模块、控制模块等；

（1）行走定位模块：行走定位系统对整车运行及换向转轨起着至关重要的作用。目前，国内外穿梭车常用的定位方式有：条码定位检测、激光测距、RFID定位检测、 旋转编码器定位等；行走模块主要为行驶电机及其驱动模块，为托盘四向穿梭车的前进、后退提供驱动力，完成托盘四向穿梭车在货架纵横轨道间的直线行走，钢货架系统内托盘单元货物的输送过程由托盘四向穿梭车完成货物在水平面的纵横双向运输，可实现存储层面的任意货位的到达和存储搬运；包括电机及驱动控制器、减速机构、链及轴传动系、纵向传动总成和横向传动总成，所述部件及总成安装固定在框架体上；我们采用直流伺服电机及其驱动模块配合旋转编码器作为行走驱动系统的主要构成硬件和控制体系，并综合利用条码定位检测、激光测距、RFID定位检测等多种定位技术复合，以获取满足实际工况要求的定位精度和要求；需要根据托盘四向穿梭车的负载特性和动作顺序合理设计传动体系和空间结构，以满足整车的结构、功能要求。

（2） 托盘举升模块：托盘的举升动作常用的顶升机构有：剪叉式升降机构、楔形滑块机构、凸轮机构、丝杠螺母机构、电驱动蜗轮蜗杆机构等实现，本公司采用电动机驱动液压系统实现顶升动作，具有承载能力大、动作平稳、过载保护、高低位安全限位功能，满足荷载作用下结构的强度、刚度及稳定性；包括顶升液压控制系统、多个顶升液压缸，电机输出端与液压动力单元连接且固定安装于框架总成上，液压动力单元与多个顶升液压缸通过液压管道进行连接，多个顶升液压缸分别固定设置于车体结构、顶升托架上，液压系统的动作逻辑形成托架的举升动作；需要根据托盘四向穿梭车的负载特性和动作顺序合理设计整体结构，以适应托盘荷载的承载及其托盘四向穿梭车的运动附加荷载；

（3） 换向模块：可采用机械机构或液压系统来实现换向机构的上升与下降动作互锁，并实现托盘四向穿梭车的原地换轨动作，即托盘四向穿梭车上设计有双向垂直行走机构，通过内部换向模块实现行走驱动轮的升降与变换，从而实现变轨变向行驶；本公司采用电动机驱动液压系统实现90°原地换轨动作，并利用一套行走驱动动力，实现变轨变向行驶，具有承载能力大、升降动作平稳同步、过载保护、高低位安全限位功能；包括升降液压缸座、升降液压缸、活塞杆及其附属换向机构、液压控制系统等，所述机构与模组通过安装板与换向结构、整车连接，所述液压动力单元、液压缸通过管道连接并固定连接在框架总成上。需要根据托盘四向穿梭车的负载特性和动作顺序合理设计液压系统。

（4） 电源模块：电源模块为托盘四向穿梭车的运行提供恒定的电源，内嵌高性能锂电池为托盘四向穿梭车提供电源。必须测试和选定合适的产品品质和电源管理系统，实时监控电池健康状态，确保托盘四向穿梭车的可靠运行和电源的实时自动充电；在结构设计时，需为电源模块预留安装空间。

（5） 传感器模块：传感器模块主要为各类传感器的组合应用，如扫描及校准传感器等，传感器模块通过收集托盘四向穿梭车在行驶过程中的实时变量与状态参数、搬运装载托盘单元的可控感知信息、位置定位信息与雷达避障感知等，传递给控制模块并及时做出相应动作，也是实现托盘四向穿梭车状态监控的关键模块。在结构设计时，为传感器模块预留安装空间。

（6） 车载通讯模块：托盘四向穿梭车是移动设备，各模块及各设备之间需要进行大量的信息交换，车载通讯系统负责与总控系统之间相关信号的接收与发送。以 Wi-Fi 技术为系统架构，采用无线通讯方式，可通过上位管理控制信息系统无线操控，在各类元器件的协作下完成各项功能的控制与实现。此外，ADS(Automation Device Specification)协议处于网络通讯的应用层，为设备之间的通讯提供路由，实现数据、信息的交换，通过 TwinCAT ADS 协议实现有托盘四向穿梭车与区域控制系统之间的无线通讯。

（7） 控制系统模块：控制系统模块以嵌入式控制系统或PLC为控制核心，负责处理运动规划、逻辑控制、安全保护以及与上位机管理系统的通讯，具有完善的作业逻辑控制功能；控制系统匹配得当，能最大程度发挥整车的智能化搬运性能。在结构设计时，为控制系统模块预留安装空间。

托盘四向穿梭车可大大降低穿梭式货架对堆垛机、高架叉车等的配套依赖程度，并且能够明显的提高普通穿梭式仓储系统的存取效率，提高仓储作业的操作安全性，还能优化穿梭式仓储系统的结构，将所有货物的存储通道与货物的搬运通道有效结合，既可以让钢货架结构更加稳定，又可以让每个货物存储位都可能成为动态物流管理位，降低穿梭式仓储建造成本，提高仓储系统的空间利用率，深化仓储系统的密集型、智能化、自动化发展理念。

托盘四向穿梭车在搬运货物的过程中，具有灵活的任务优先级切换能力，可以系统指派（或人工干预）进行灵活的任务排序。其中通过上位机管理系统发送的指令确定货物的位置信息，按照控制系统设定的行驶路线与托盘四向穿梭车内置导航地图自动匹配运行，并准确地停在需要运输货物所对应的区域坐标（通过有效算法获取最优的纵横向运动路径与避让准则），然后取出货物并运送到指定位置。上位系统可以通过无线终端与托盘四向穿梭车进行数据交换，托盘四向穿梭车在运送货物过程中的相关信息也可以实时发送给上位机管理系统。货物从地面到货架的竖直轨道路径由自动垂直升降机完成；穿梭车始终在货架的直线轨道上运行，其工作状况为平稳、重载。其具有以下特点：

（1）托盘四向穿梭车整机车体需具有一定强度和抗压性，不易变形。

（2）车轮材料选用聚氨酯。因为聚氨酯具有高耐切割性、高耐磨性、优良的耐化学品以及耐油性等优点，而通过实践应用可知橡胶车轮在使用过程中会出现寿命短、耐磨性差、抗撕裂强度较差的缺点。

（3）托盘四向穿梭车运行测试极限恶劣环境与工作环境：

(a)极限测试温度：-25℃～60℃；正常工作温度：0℃～40℃；温度变化率≤±0.5℃/min；温度变化率≤±10℃/h；

(b)测试相对湿度：≤95%；工作相对湿度：30%～85%；（无凝露）；相对湿度变化率：≤±10%/h；

(c)最大负载下工况试验库连续运行两周进行测试评判合格后出厂；

(d)电力网络为TN-S网络（三相五线制，3-ph,N,PE）；

托盘四向穿梭车需在高温仓储和低温仓储环境下都可以正常运行，并在环境测试和疲劳测试中避免出现车体局部过热的情况。

（4）托盘四向穿梭车必须具备完善的安全保护措施：在运行过程中必须确保整车“自身”、 现场人员以及各类设备的安全。一般情况下都采取多级硬件及软件结合的监控措施，并设定安全运行距离与判断原则，特定的运行限位阻挡器或防倾覆机构，确保整车的安保措施是完善合理的。

(a) 电气联锁保护装置。托盘四向穿梭车在存储巷道、坡道间水平行走时，需确保存储巷道、坡道装置与托盘存取动作是锁定的，该装置应确保托盘四向穿梭车纵横向行走与托盘存取相互之间的动作协调好，避免造成事故。

(b) 托盘四向穿梭车需设有货物超长、超宽、超高的检测装置，如：激光测距、超声波反射、红外识别等。当检测到所要存取的货物超过系统设定的最大长度、宽度及高度时，托盘四向穿梭车停止运行，并将情况反馈给上位机管理系统，并将货物退回上架位进行人工整理或调整。

(c) 托盘四向穿梭车在巷道、坡道间换轨操作过程中的位置检测装置。如果位置检测与动作设置不符，托盘四向穿梭车就不能进行下一步运行或动作，以免发生事故。

(d) 断电保护。如果发生意外断电的情况，电机应自动锁住电机轴，托盘四向穿梭车停止工作，将情况反馈给上位机管理系统，并保持断电时的工作状态，并可快速实施软硬件的故障恢复和作业任务顺延。

(e) 过载保护装置。一般使用超载限制器，可以有机械式或电子式，集控制、显示、报警功能于一体。当存取的货物超过限定的最大负载值时，托盘四向穿梭车的过载保护装置启动，托盘四向穿梭车立刻停止工作，并将情况反馈给上位机管理系统。

(f) 物理保护装置。当电子保护元器件失灵或者操作失误时，托盘四向穿梭车碰撞不可避免，这个时候物理保护装置可以有效减少冲击力，降低车体的损坏程度。一般可以在车体周围安装硬挡板或者在托盘四向穿梭车关键部位放置橡胶、聚氨酯缓冲装置等可以减少冲击力的软性物质。

(g) 异常对策装置。当异常状况发生时，如托盘四向穿梭车烟雾传感器、温度传感器等感知环境异常时，禁止托盘四向穿梭车运行，并将情况反馈给上位机管理系统，且发出警报声。

(h) 轮轨技术。为提高整车的运行安全性，整车设置双侧车轮单轮缘内嵌轨道结构，通过车轮轮缘与轨道过渡圆弧面的有效接触与运动滑移、运动轮缘的运动轨迹与轨迹线长度的变化，有效保证整车在曲线运动的过程中实现整车的运动导向与定位，提高了整车运行的可靠性与稳定性。

(i) 换轨技术。换轨机构是完成整车换向运行的关键部分，综合考虑整车结构的稳定可靠性及各结构模块的安全合理布局，采用“整车在轨抬升，双侧同步换向”的形式，当换向运行时，首先通过安装在车架下部的换向体下移，与换向体固接的双侧行驶运动模块逐步与90°换向轨道接触，抬升机构继续将整车抬升一定高度，进而带动与整车一体固接的双侧行驶运动模块上移，脱离原运动轨道，完成整车换向运行。顶升机构固定安装在车体内的液压缸活塞杆顶部，不仅负责转运过程中托盘单元货物的托举，而且也是托盘单元货物的主要承载机构。

(j)故障恢复。合理设置软件故障的一键恢复解决方案，硬件恢复的备灾方案，如应急备用电源、故障救援车、人工排除故障的行走隔离网等，以及为客户储备一定的备用车，既可以应付客户出入库订单的异常猛增，又可以及时更换故障车。

图2  四向穿梭车结构外形

表1   某型四向穿梭车的性能指标