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倉儲是物流鏈中重要的一環(huán), 是物流運作的一個關鍵節(jié)點[1]。倉儲作為物流的核心, 已從先前的單純物資存儲轉變?yōu)橹陵P重要的物流中轉樞紐, 其經濟性和實效性直接影響整個物流環(huán)節(jié)的效率和效益。但日益緊張的土地資源和經濟高速運轉下對物資的快捷需求是對傳統(tǒng)倉儲方式提出的嚴重質疑。普通貨架儲存率低, 空間浪費大, 且開放的存放方式安全性差, 存取、管理方式均由人工完成, 勞動強度大, 重復乏味, 錯誤率高, 不穩(wěn)定, 造成很大的人力資源浪費。密集、自動和信息化存儲已成為存儲物流業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

20世紀70年代初期, 我國開始研究采用巷道式堆垛機的立體倉庫。1980年, 由北京機械工業(yè)自動化研究所等單位研制建成的我國第一座自動化立體倉庫在北京汽車制造廠投產。從此, 立體倉庫在我國得到了迅速的發(fā)展。自動化倉儲比普通貨架有著不可替代的優(yōu)勢:采用自動化的立體倉庫, 可以充分利用空間, 實現(xiàn)機械化、自動化, 提高倉庫的管理水平;降低對人工需求的依賴, 特別是降低特殊倉儲環(huán)境中的人力資源成本[2]。

自動倉儲系統(tǒng)的可靠性、快速性與自動化價值主要體現(xiàn)在出庫部分。目前, 自動倉儲系統(tǒng)主要應用在體積、重量比較龐大的貨物中, 或者大包裝貨物, 種類少, 發(fā)貨實時性要求較低, 各倉儲系統(tǒng)僅區(qū)分于不同的貨架排布方式, 出庫搬運設備為堆垛機[3], 這方面研究較多。對于貨物體積小, 種類繁多, 發(fā)貨速度要求高的場合, 例如醫(yī)院發(fā)藥科, 對自動倉儲系統(tǒng)的密集儲存、出庫系統(tǒng)的微型體積、高速動作都有著比較高的要求, 這方面的研究比較少。

本文研究一種適用于小型貨物、多品種、高出庫速度的自動倉儲系統(tǒng)。倉儲部分利用重力落料原理采用傾斜式結構, 并成矩陣式排布, 以提高儲存率, 即傾斜矩陣式倉儲物流系統(tǒng)。先概述該倉儲系統(tǒng)的各組成部分, 再重點對比三種不同的取出機構, 最后通過建模得出的力學模型對三種取出機構進行分析對比研究, 為自動倉儲系統(tǒng)出庫方式的優(yōu)化提供理論指導。

倉儲物流是微觀物流的一種, 指的是物資從入庫到被重新發(fā)出這一段的運動過程[1], 包括入庫、存庫和出庫。在結構上分為儲存架、取出機構和升降臺。

儲存架主要實現(xiàn)存庫, 取出機構和升降臺實現(xiàn)出庫。出庫時, 升降臺先運動至確定的貨位, 然后取出機構將貨物從儲存架移動到升降臺, 升降臺運動至分揀線位置。存庫為靜態(tài), 出庫為動態(tài)。取出機構的位置設計, 即動靜態(tài)規(guī)劃, 是整個系統(tǒng)設計的關鍵之一。

儲存架主要實現(xiàn)貨物的安全倉儲和可靠倉儲。從形式上分為水平布置與傾斜布置兩種。

水平布置的儲存架優(yōu)點是由于貨物僅受豎直方向上重力與儲存架支持力作用, 且兩力平衡, 所以水平方向無力的作用, 沒有運動趨勢, 易于實現(xiàn)可靠倉儲;缺點是作為整個自動倉儲系統(tǒng)的一部分, 對于取出機構的設計要求較高, 且有很大的局限性, 必須通過機械手等可作用于水平力的機構實現(xiàn)貨物的出庫。例如德國的ROWA自動化藥房就是采用此方法[4]。該類型自動倉儲系統(tǒng)的核心是真空吸附和機械夾持協(xié)調動作的機械手, 一次只能處理一個貨物, 工作效率比較低[5]。

傾斜布置的儲存架, 在重力沿儲存架分力 (即下滑力) 的作用下, 貨物有下滑的趨勢。從可靠倉儲的角度講, 必須提供外力克服下滑力, 即設置機構保持貨物定位在貨架上;從出庫角度講, 下滑力利于貨物的快速出庫, 便于取出機構的微型設計, 更適于高速出庫的自動倉儲系統(tǒng)。

本文研究對象是小型貨物, 一般體積為120mm×60mm×15mm, 重量為50～300g, 故采用傾斜儲存架, 對于微型、高速自動倉儲系統(tǒng)設計更為合理。對于矩陣式倉儲可根據(jù)取出機構與倉儲口的關系分為一對一式、多對一式和多對多式。

一對一式指每一個倉儲口設置一個取出機構, 貨物靜止時靠儲存架上的固定擋軸可靠定位, 運動時靠取出機構的運動實現(xiàn)出庫, 如圖1所示。

圖1 一對一式取出機構  下載原圖

對于不同的貨物, 固定擋軸的高度不同, 主要由貨物的高度決定。擋軸高度還關系到取出機構的設計。靜止時, 取出機構的擺桿位于貨物下方, 當動作時, 擺桿旋轉, 將貨物抬高并高過固定擋軸, 由于貨物是傾斜放置, 在下滑力的作用下貨物會自動完成出庫, 之后擺桿反方向旋轉, 下一個貨物被固定擋軸定位。

一對一式出庫方案的設計由于是機械式固定擋軸, 貨物靜止時定位可靠, 動作時出庫速度快。以藥品為例, 該取出機構每分鐘平均定位發(fā)放115盒藥品, 出錯率0.005%。其缺點是一個儲存口設置一個取出機構, 成本高, 且控制設計復雜。

多對一式指同一列的貨物使用同一個取出機構, 所有取出機構均水平布置在升降機上, 出庫時首先由升降機的上、下運動完成行的定位, 再由升降機上水平布置的取出機構完成列定位, 從而確定出需出庫貨物的位置, 取出機構動作, 完成出庫。

多對一式中每個儲存口對應一個翻板, 靠扭簧等裝置安裝在儲存架體上, 用來定位靜止時的貨物。有出庫要求時, 升降機帶著取出機構升到需出庫貨位層, 對應出庫列的取出機構動作, 推動翻板旋轉, 克服扭簧力, 完成此行此列的貨物出庫。此時推力撤銷, 扭簧復位, 后面的貨物被擋住。見圖2。

以藥品為例, 該取出機構每分鐘平均定位發(fā)放115盒藥品, 出錯率0.05%。多對一式出庫方案因為是一列共用一個取出機構, 大大降低了成本, 而且控制容易, 出庫速度快。只是貨物的定位靠扭簧的扭力, 可靠性較差。

圖2 多對一式取出機構  下載原圖

多對多式指每一列儲存口通用一個出庫驅動, 每一行儲存口通用一個出庫驅動, 行與列的交點即是出庫貨物所在位置, 見圖3。

圖3 多對多式取出機構1.儲存架體 2.Y向拉桿 3.Y向銷 4.定位軸5.翻板 6.X向拉桿 7.X向銷 8.X向驅動 9.Y向驅動  下載原圖

多對一式中也有翻板, 但機理不同, 形狀也不同。多對一式中翻板分別安裝在每一通道的儲存架上, 除了定位靜止的貨物外, 還有幫助貨物出庫的作用, 所以是三叉形, 而且受取出機構限制不能旋轉90°;多對多式只是定位靜止貨物, 可旋轉90°, 貨物在沒有翻板定位的情況下依靠重力自動出庫, 翻板是兩叉形。

靜止時, 翻板在X向拉桿上的X向銷與Y向拉桿上的Y向銷的作用下將貨物定位;動作時, X向拉桿在X向驅動的作用下向左運動, 將X向銷拉離翻板, 然后該貨物所在口的Y向拉桿在Y向驅動的作用下向下運動, Y向銷向下放開翻板, 翻板在自重及貨物下滑力的作用下向下翻轉90°, 貨物在下滑力作用下出庫。復位時Y向拉桿先動作, 然后是X向拉桿。所以這種設計同一時刻存在死點, 不能所有通道同時出庫。

以藥品為例, 該取出機構每分鐘平均定位發(fā)放30盒藥品, 出錯率0.005%。

多對多式出庫方案巧妙地運用了行列組合, 大大降低了成本, 而且是機械式定位貨物, 可靠性高;缺點是出庫速度比較慢, 裝配困難。

上述三種取出機構雖然在結構上相差甚多, 但貨物均放置在傾斜儲物架上, 以貨物為研究對象, 靜止時受力分析見圖4。

圖4 貨物靜止時受力分析圖  下載原圖

{∑FX=Gsinθ?f?F∑FY=N?Gcosθ (1){∑FX=Gsinθ-f-F∑FY=Ν-Gcosθ(1)

式中:FX為沿傾斜儲物架方向的力;FY為垂直傾斜儲物架方向的力;G為貨物重力;f為摩擦力;F為定位外力;N為支持力;θ為儲物架傾角, θ∈ (0°, 90°) 。

貨物在垂直傾斜儲物架方向沒有運動, 故∑FY=0。在沿傾斜儲物架方向, 令Gsinθ-f=F′, F′為貨物在儲物架上的下滑力, 代入式 (1) 得:

∑FX=F′-F (2)

當∑FX≤0時, 即定位外力大于下滑力的時候, 系統(tǒng)處于靜止狀態(tài);當∑FX>0時, 即定位外力小于下滑力的時候, 達到出庫條件, 完成出庫。

式 (2) 中, 對于確定的貨物, 下滑力F′是相對定量, 實現(xiàn)出庫, 即調整變量F。

經過現(xiàn)場試驗證明, 三種取出機構都能很好地實現(xiàn)傾斜式矩陣倉儲系統(tǒng)的出庫, 但各有優(yōu)缺點?，F(xiàn)從以下幾個方面進行對比分析。

假設倉儲系統(tǒng)是m行n列, 則三種方案所需的取出機構數(shù)量:一對一式為m×n組;多對一式為n組;多對多式為m+n組。

顯而易見, 一對一式與多對一式之間存在著m倍的差距。不同的設計方案, 經濟性差異較大。

由于貨物是依照重力落料原理實現(xiàn)出庫, 不同狀態(tài)下沿儲物架方向合力∑FX的大小決定著整個倉儲系統(tǒng)存儲與出庫環(huán)節(jié)的可靠性。靜止時∑FX越小系統(tǒng)越可靠;出庫時∑FX越大系統(tǒng)越可靠。以質量為200g的藥品為例, 對三種取出機構進行定量對比。經試驗發(fā)現(xiàn), 儲物架傾角取15°～20°最佳, 本文取θ=20°, 取摩擦因數(shù)μ=0.05。

在一對一式中, 定位貨物的裝置是固定擋軸, 故靜止時定位外力F=+∞, 傾角θ=20°, 下滑力F′=Gsinθ-f=0.58N;出庫時取出機構對貨物施加一個底部向上的外力, 在下滑力的作用下貨物跨過固定擋軸, 實現(xiàn)定位外力F=0, 但此時由于貨物抬高, 傾角θ=10°, 下滑力F′=Gsinθ-f變小, 代入數(shù)據(jù)得F′小=0.07N。兩種狀態(tài)下合力∑FX分別為:

∑FX1=F′- (+∞) =-∞ (3)

∑FX2=F′小-0=0.07N (4)

式中:∑FX1為系統(tǒng)靜止時沿儲物架方向合力;∑FX2為出庫時沿儲物架方向合力;F′小為儲物架傾角θ變小后的下滑力。

在多對一式中, 利用扭簧的扭力對貨物進行定位, 定位外力F>Gsinθ, F=N;出庫時取出機構克服扭簧扭力, 定位外力F=0, 貨物抬高, θ變小, 下滑力成為F′小=0.07N。靜止與出庫時力學模型為:

∑FX1=F′-F=-0.42N (5)

∑FX2=F′小-0=0.07N (6)

在多對多式中, 固定擋軸對貨物進行定位, 定位外力F=+∞;出庫時翻板完全撤銷, F=0, θ不變, 下滑力仍為F′。靜止與出庫時力學模型為:

∑FX1=F′- (+∞) =-∞ (7)

∑FX2=F′-0=0.58N (8)

由此可見, 多對多式取出機構可靠性最高。

取出機構動作一次需要時間為0.5s, 一對一式和多對一式都是取出機構動作一次即完成一次出庫, 即出庫時間均為0.5s;多對多式中X向拉桿動作一次, Y向拉桿動作兩次完成一次出庫, 即出庫時間為1.5s, 是前兩者的三倍。

一對一式很容易實現(xiàn)各部分的模塊化, 并且對貨物起定位作用的固定擋軸也可抽離儲存架槽, 每行的7～8個儲存口可共用一個固定擋軸, 裝卸方便。多對一式中翻板起定位作用, 分別安裝在每個儲存口, 與儲存架相連, 因為翻板是易損件, 更換時必須與儲存架一同更換。多對多式因為是每行通用一個拉桿, 每列通用一個拉桿, 而且要運動順暢, 這對平行度要求很高, 現(xiàn)場裝配很難。

一對一式取出機構需要對m×n組取出機構進行控制, 多對一式是n組, 多對多是m+n組。需控制的取出機構越多, 控制系統(tǒng)越復雜, 而且現(xiàn)場走線很多, 需預留很大空間, 不利于外觀設計。

取出機構在整個倉儲系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位。對于一個完整倉儲系統(tǒng)來說, 成本、可靠性、出庫速度和裝配難易都是至關重要的因素, 而這些都取決于取出機構的設計。以上三種取出機構都在試驗中得到了驗證, 并且第一和第二種已經產品化, 第三種也有著很大的強勢, 如果能在一定程度上解決現(xiàn)場裝配的問題將會有很大的應用空間。