多层堆垛机系统

韩天文， 薛成超， 傅友宾

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，沈阳 110168）

0 引言

目前市场上，自动化立体仓库主要有两种形式，传统的堆垛机立体库和新兴的多层穿梭车立体库。传统的堆垛机立体库有两方面的不足，一方面是鲁棒性不强，当堆垛机发生故障时，其所服务的巷道随即处于瘫痪状态，无法继续进行相应的出入库作业，且一般不存在备用设备，只能停机维修造成停工。另一方面是柔性不足、效率低，当传统堆垛机式的自动化立体仓库设计建造完成后，其出入库能力随之固定。随着电子商务的发展和定制化服务的深入，产品生命周期不断缩短，小批量、多批次、多品种、高时效特点的订单不断增多，传统的堆垛机立体库已无法满足市场需求，欧美等国推出了多层穿梭车系统，在电商领域大量应用，引起了国内厂商的跟风学习，近两三年，国内各大物流厂商均推出了自己的多层穿梭车系统。多层穿梭车系统柔性好，能显著提高效率，易于拆装维护，但同时带来了高昂的成本，并未能广泛应用于企业。

基于效率和成本的考虑，顺应市场需求，新松机器人公司研发设计了多层堆垛机系统，该系统与多层穿梭车系统一样，适用于料箱立体库。多层堆垛机系统的效率和成本均介于堆垛机系统和多层穿梭车系统之间，适合应用于效率要求较高，业主方成本控制较严的项目，为这类项目提供了很好的解决方案。新松机器人开发的多层堆垛机系统已经成功应用于实际项目，并投入到生产使用，为业主方带来了效益，成为国内首个推出多层堆垛机系统并有实际案例应用的企业。

1 多层堆垛机系统组成

从设备组成来看，多层堆垛机系统包括货架系统、多层堆垛机、双臂提升机、输送系统，考虑到维护方便，需要有爬梯和维修平台。

图1 多层堆垛机系统组成

1.1 货架系统

货架系统包括货架、堆垛机天地轨、维修爬梯、维修平台、上层输送机安装平台。货架作为存储单元，采用组合式横梁货架，每个货格保管4个周转箱，横梁式货架，结构形式与传统的采用勾取式货叉的堆垛机立体库货架结构一致。只是需要额外考虑堆垛机天地轨的安装，维修平台和爬梯的安装。地轨采用双轨形式，靠近货架立柱安装，承力更高。

多层堆垛机的地轨是安装在货架立柱上的，与传统堆垛机不同，传统堆垛机地轨都是安装在地面上的。因此，货架设计时需考虑堆垛机地轨的支撑和连接，并要考虑多层堆垛机的重量。维修平台也是直接安装在货架立柱上，每有一层堆垛机，就有一层维修平台，可通过库尾端的维修爬梯进入到每一层维修平台，方便设备的检修。

1.2 多层堆垛机

多层堆垛机是整个系统最核心的设备。多层堆垛机的功能与传统堆垛机一样，通过行走、升降、伸叉三维运动实现每个货位的出入库。为减轻货架负担，提高速度和加速度，设计着重考虑轻量化，多层堆垛机立柱采用铝型材框架结构，同步带提升，结构紧凑，质量轻，噪声小。行走方向采用4个行走轮，轮径更小，有利于降低堆垛机的底层高度。堆垛机货叉采用勾取式货叉，能够提高速度和加速度，提高货叉取放货的效率，但是货物质量有限制，不能超过50 kg。

多层堆垛机无需换层，每层布置一台堆垛机，这样就省去了堆垛机换层的提升机。多层堆垛机采用滑触线供电，每层都布置滑触线，多层堆垛机的高度通常在2～3 m，一台堆垛机大约负责4层左右的货物存储。每一个巷道多层堆垛机的数量取决于整个立体库系统的效率要求。

1.3 双臂提升机

双臂提升机是多层堆垛机系统的极其关键设备，双臂提升机实现了地面出入库输送机与库前多层输送机的对接，将料箱输送到每一层的多层堆垛机的出入库。提升机的效率决定了整个系统最大可达到的效率，当立体库足够高，多层堆垛机数量很多的情况下，双臂提升机便成为瓶颈。双臂提升机采用单立柱结构，安装到地面上，顶部与货架相连，保证稳定性。提升机两侧各一个载货台，载货台上安装输送机，一侧入库，一侧出库，每个载货台可实现单独控制升降。

1.4 输送系统

输送系统可以分为两个区域，一个区域是位于双臂提升机和货架之间的输送机，这部分输送机采用多层设计，有几层堆垛机就对应几层输送机，多层输送机安装在货架前端的输送机安装平台上，在前端与双臂提升机对接，后端与多层堆垛机对接，实现货物的出入库功能；另一个区域是位于双臂提升机前端的输送机，这部分输送机通常只有一层，直接安装在地面上，与双臂提升机对接，是库房人员的操作区域。

2 电气控制系统

多层堆垛机系统的电气控制系统与传统的堆垛机系统没有任何区别。电气控制系统采用德国西门子的PROFINET工业以太网，构建基于PROFINET架构的电控系统控制网络系统。主控制器采用西门子公司的系列产品。通过PROFINET网络实现设备与设备之间的数据交换，保证了数据的无缝传输的实时性和及时性。电控系统与计算机系统采用独立的网络设计，利于网络的稳定，使电控系统有较强的扩展性。

电气控制系统的功能主要有控制方式切换、信息查询、停电保护等功能。现场分布触摸屏设置操作密码保护，重要的操作需要密码录入确认后才能进入操作界面。

3 信息系统

配置中央控制室，在中央控制室放置服务器，服务器存储数据信息，并运行应用服务程序。服务器通过以太网交换机采用TCP/IP网络协议实现和客户端的通讯、与上位系统生产调度平台的通讯，利用数据库实现信息的传递。

信息管理系统通过以太网将作业命令传达给监控调度系统，监控调度系统将作业命令经过优化后分解为设备可执行命令，通过PROFINET工业以太网传达给设备控制系统，控制设备的各个执行机构快速有效的运行。

4 多层堆垛机系统的效率

通常情况下，多层堆垛机系统的效率取决于多层堆垛机的数量，有几台多层堆垛机，效率就是传统堆垛机系统的几倍。但当多层堆垛机数量特别多时，双臂提升机的效率就成为瓶颈。因此，设计多层堆垛机系统时需要考虑双臂提升机与多层堆垛机的效率匹配。

5 多层堆垛机系统的优缺点

5.1 对比传统堆垛机系统

传统的堆垛机系统设备组成简单，仅包括货架、堆垛机和库前端输送机，控制和调度也相对简单，由于技术非常成熟，成本低。缺点是效率低，故障时需要停机检修。

多层堆垛机系统由于有库前端的双臂提升机，每一个巷道有多台堆垛机，输送机也是多层的，成本会比传统堆垛机系统高出很多。优点是效率比传统堆垛机系统高，有一台堆垛机故障时，其余堆垛机也能完成该巷道的出入库，不致于造成整个立体库系统的瘫痪。

5.2 对比多层穿梭车系统

通常情况下，多层穿梭车系统不会布置一层一台穿梭车，那样会带来高昂的成本，穿梭车需要换层来完成所有货位的出入库，因此多层穿梭车系统会比多层堆垛机系统多一台穿梭车换层的提升机，这台提升机位于巷道库尾端，这就增加了成本和占地面积。从货架结构看，多层穿梭车系统要求每一层都有穿梭车轨道，通常的做法是利用轨道作为货架横梁，轨道的成本要比普通横梁高很多，这也造成了成本的增加。

多层穿梭车系统的效率和柔性要高于多层堆垛机系统，多层穿梭车最多可每层布置一台车，可以通过增加多层穿梭车数量来提高系统的效率，是目前效率最高的自动化立体仓库形式。但是效率也不能无限地增加，库前端的双臂提升机是瓶颈，从国内外数据来看，一台高速提升机最大能匹配穿梭车的数量是10台左右，具体数量需要根据巷道长度和立体库高度进行核算。

6 结论

本文介绍了新松机器人公司开发的多层堆垛机系统，从设备组成上对多层堆垛机系统做了说明，简要介绍了电气控制系统及信息系统，分析了多层堆垛机系统的效率，并将其与传统的堆垛机系统和新兴的多层穿梭车系统做了优缺点分析。

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