自动化轨道式仓库搬运系统构建

苏栋梁

摘 要：【目的】探讨如何将轨道、升降机、自动摆放物品等自动化装置运用至仓库，提升仓库中物品的运输效率和物品存放的便捷性。【方法】利用轨道的特点将装有物品的传输装置运输至升降机之上，再由升降机运输至存储装置后由自动摆放装置将物品摆放。【结果】轨道化仓库便捷、高效的物品运输和存储方式，能更好地满足现代小型仓库的应用需求。【结论】轨道化仓库有更明显的优势和市场需求。

关键词：轨道；滚筒传送带；存储装置；钓爪式牵引装置

中图分类号：TH692.3    文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）05-0028-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.006

Construction of Automatic Track Warehouse Handling System

SU Dongliang

（ Henan Institute of Technology， Xinxiang 453000， China）

Abstract： [Purposes] This paper discusses how to apply automatic devices such as rails， lifts and automatic placement of goods to the warehouse to improve the transportation efficiency and convenience of goods storage in the warehouse. [Methods] Using the characteristics of the track， the transmission device containing the items is transported to the elevator， and then the items are placed by the automatic placing device after the elevator is transported to the storage device. [Findings] The convenient and efficient way of goods transportation and storage in the orbital warehouse can better meet the application needs of modern small warehouses. [Conclusions] Orbital warehouse has more obvious advantages and market demand.

Keywords：track， drum conveyor； storage device； fishing claw traction device

0 引言

随着科学技术的不断发展，生产力水平不断提高，仓库的管理需要规范化与自动化的方法，但如今的仓库管理系统在管理效率和成本等方面均存在不足。随着物联网与机械自动化的不断发展应用，轨道化仓库的构建将两者结合起来，可以在一定程度上提高倉库的运行效率。

1 轨道化仓库的概述及优势

1.1 轨道化仓库的概述

轨道化仓库主要是通过在仓库地面、升降机上铺设轨道，利用轨道的运输特性实现物品在仓库中移动。当传输装置到达升降机与轨道的接轨处时，利用对接装置实现地面轨道与升降机轨道的对接，确保传输装置的顺利通行，再由传输装置通过升降机到达存储装置，利用存储装置的自动摆放功能，实现物品的摆放。

1.2 轨道化仓库的优势

1.2.1 投资少，成本低。目前，大型仓库所使用的仓库管理设备主要为堆垛机与立体化自动仓库。堆垛机通常需要较大的初始投资，包括设备本身、系统集成以及安装等方面的费用，但轨道化仓库并不需要较大的投资，主要费用为轨道的安装，以及存储设备的制作。对于预算有限的小微型企业来说，仓库的管理仍然以人力为主，机械化水平低，并且若使用堆垛机等设备，一旦发生故障，机械维修所需的费用也十分昂贵。一些生产数量较为庞大的小型物品企业，其运输和存储的管理相对较为杂乱，使用轨道化仓库可以提高仓库的工作效率，造价成本也相对较低。

1.2.2 保存规范，利用率高。以书库为例，其存储的物品数量相对较大，管理和存放也相对杂乱。使用轨道化仓库，可以将书本分类存放至存储设备中，再将同一类的书本存储设备放至同一个轨道上进行分类保存，一定程度上可以提高仓库的管理规范化。同时使用多层存储设备也提高了仓库的利用率，可以将不常用的物品通过升降装置放置最上层，多层存储设备安装有自动搬移装置，实现机械化存放物品。升降装置采用双轨通道，提高物品的传输效率。

1.2.3 抗风险能力强。面对各类灾害，轨道化仓库都具有相应的应对措施。对于火灾，由于轨道化仓库使用互不相连的传输设备且均使用防火材料，即使其中一个发生火灾也不会影响其他地方；对于水灾，轨道化仓库可以提前将物品通过传输设备运输到高处的存储设备当中，一定程度上可以减少损失；对于地震，轨道化仓库是由铁轨固定的地面设施，更加牢固，一定程度上具有防震作用。

2 轨道化仓库的组成

2.1 简易型铁轨

简易铁轨是轨道化仓库的重要构成部分，主要作用为引导传输设备的平稳运行，它需要具有足够的稳定性和平衡性，以确保传输设备可以正常通行。不同于铁路使用的铁轨装置，简易型铁轨在各方面的能力均较弱，相对的造价也较低，在仓库中使用相对较为合适。简易轨道由以下装置组成。

①钢轨：多段钢轨组成铁轨，由钢材制成（或使用其他合金材料均可），要求具有较高的耐磨、耐压和耐腐蚀特性，主要作用为承受传输装置运行时产生的力，确保传输装置可以安全平稳地运行。钢轨的断面形状采用具有最佳抗弯性能的工字形断面，包括轨头（HEAD）、轨腰（WEB）、轨底（FOOT）［1］。为保证其有足够的强度，头部和底部应该留有足够的面积和高度，腰部和底部不宜太薄。

②轨枕：通常由木材，混凝土，塑料等材料制成，其作用是分担钢轨所承受的重量和压力，保持钢轨的位置和方向不变。

③连接零件：用来连接钢轨和轨枕的零件，确保车轮能顺利滚过钢轨接头，保证前后两个钢轨协调工作，并将钢轨和轨枕连为一体组成轨道框架，使两个钢轨保持正确的相对位置扣件提供足够的压力，防止钢轨倾覆，阻止钢轨的纵向移动［2］。

④道岔：使传输设备从一个轨道转入另一个轨道的连接设备。主要作用为传输装置能够在轨道网中进行复杂的操作，如换道、分支、合并等。

⑤移动驱动装置：可以将物品沿着铁轨自动运送到指定位置，提高作业效率。移动驱动装置主要将滚筒式输送线与铁轨相互结合，首先确定链板式输送线的安装位置，以及铁轨的位置与方向，以确保不影响传输装置的正常运行；然后安装支架，固定导轨和输送线的运行轨道，其间应保证传输轨道与地面铁轨平行，随后可安装输送线，可选择滚筒式传输线，确保其与导轨贴合；最后选择合适的电源驱动，并且配置正、反转电路，控制传输装置的运行方向。

⑥滚筒式传输线：主要由滚筒、支架、电机和控制系统等组成。工作原理为驱动装置将动力传给滚筒，使其旋转，通过滚筒表面与输送物品表面间的摩擦力输送物品，以此实现传输装置在轨道上的运行。需要根据具体情况计算滚筒式传输线与铁轨之间的距离，避免造成传输装置运行时发生故障。

2.2 传输装置

2.2.1 内部装置。内部由多层组成，以提供更多的存储空间。具体设计如下：将各层之间穿透，通过钢绳将各层进行串联，并在每一层下面安装固定装置，保证各层之间平行且距离保持不变，移动装置的控制原理如图1所示。由滑轮控制，一端连接多层设备，另一端连接电机或手拉装置，即可实现各层之间同时上下移动。当需要存放或者取出物品时，将相应的储物层滑动至合适位置，打开锁紧装置进行固定，便可顺利存取物品。为保证稳定性，可以穿透四个小孔确保其重心稳定；为保证安全性，应该选用质量足够好的钢绳。

2.2.2 外部装置。主要由超声波传感器和轮子组成，形状设置为贴合传输线的形式，呈现凸形，如图2所示。将轮子放置在铁轨之上，以确保运行方向的稳定性，装置的底盘贴合于滚筒式传输线，以确保传输线提供足够的驱动力。为避免传输装置运行至交汇处时发生拥挤，以及前后间距缩小所导致的相碰问题，传输装置采用超声波传感器技术，利用超声波检测与周边物品的距离，以确保各个传输装置互不干扰。超声波传感器原理如图3所示，测距原理为从发射计时开始，发射的超声波在空气中传播，由于声波具有反射特性所以遇到障碍物会反射回来，当超声波接收返回的超声波时计时停止，根据介质为空气声速为340 m/s，计算距离公式为式（1）。

s=[ 340 t2] （1）

式中：s表示物品间距离；t表示与超声波传感器发出与收到数据的时间差。

超声波传感器对外界光线和电磁场不敏感，抗干扰能力较强，可以在烟雾灰尘较大的环境当中工作，因此利用超声波传感器在仓库当中更容易工作［3］。超声波传感器的结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化，适用于在仓库中使用，并且超声波传感器数据处理速度较快，适用于实时检测移动中的传输装置。

2.3 升降装置

升降装置具体为改装式、导轨式升降机，在升降装置上铺设铁轨，确保传输装置从地面导轨到升降器导轨时可正常通行。轨道上可铺设双重轨道，以此提高物品的运输效率。

导轨式升降机的导轨一般由槽钢、工字钢，方管焊接而成，实际操作起来较为简便，货品传输经济便捷。导轨式升降机主要包括固定装置、升降装置、导轨装置和检测装置四部分，其中固定装置即当传输装置由地面铁轨移至升降机铁轨时，为保证其稳定性，在升降台安装固定支架；升降装置即升降台面轿厢；导轨装置主要是起到牵引作用，使设备按规定运行；自动检测装置是当升降台到达存储装置的某一层时，若系统提示该层已满，升降机将会自动下降一层。升降装置的内部主要由齿轮机构、支架、蜗轮蜗杆、导向机构、吊臂、上、下壳、限位装置等组成。齿轮机构主要包括大、小齿轮、缠带轮、中轴以及由止动扣、扭簧组成的保险装置［4］。导轨式升降机采用液压系统，控制良好，损坏率低，能耗少，比较节能。

导轨式升降机的安装需要考虑地面铁轨、滚筒传输与升降器铁轨之间的连接。为确保铁轨的准确对接，可以采用机械锁定装置（例如锁销机械锁定装置、拉杆机械锁定装置、扣合机械锁定装置），采用机械锁定装置不仅可以实现两端不同铁轨之间的短时连接，还可以实现断开连接。具体操作为，在连接铁轨时，需要将机械锁定装置放置在两条铁轨的接口处，然后通过手动或自动操作将装置锁定在铁轨上。当需要断开连接时，只需按相反的操作，反接电路即可解锁机械锁定装置，实现铁轨的分离。这种机械锁定装置不但能够确保铁轨的连接牢固可靠，同时也方便了维护和更换铁轨的操作。

2.4 存储装置层

2.4.1 存储装置的材质。存储设备由坚固材料制成，分为多层，每层之间通过钢板进行分离。为保证其能承受所存储物品的重量，存储设备应当拥有足够的稳定性和坚固程度，可提前计算每层的受力情況以确保正常使用时无安全隐患［5］。高度与长度设置应当考虑仓库的存储容量，以及所使用材质的最大承重量，计算公式为式（2）。

W=F×L×p×1/1 000 （2）

式中：W为最大承重，kg；F为材质断面积，m2，L为材质长度，m；p为材质密度，g/cm3。

为保证承重结构的承载能力且防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考虑，选用契合的钢材牌号和材性。

2.4.2 存储装置层自动移动装置。每层顶部安装由轨道控制方向的钩爪式牵引装置，当升降机到达该层时，由钩爪将传输装置吊起来，通过顶部直行轨道控制方向将其运输到特定的位置。当需要取出该存储装置时，钩爪将其吊出后，由人工操作将其精准放置升降器的轨道之上。

2.4.3 钩爪式牵引装置工作原理。当其不工作时收缩至该层顶部，当工作时可自动伸长，吊动存储装置，随后进行自动寻路到达可存储位，具体操作为，将该层分为不同区域，存放置电脑中并且设置每个位置的标志位。位置可存放物品时标志位置1，不可存放时置0，当一个位置已经被存储装置占据，电脑控制该轨道路线不可达置0，当该位置的存储装置取出后，系统设置该位置标志位置为1，即可实现相关功能。由于需要吊起重量较大的存储装置，所以所选材料应当足够坚固，根据不同仓库所存储的物品，以及所设计的存储装置的重量，设置适合的装置。

3 安全分析

3.1 保护措施

断电保护：当受到外力阻拦、内部问题而导致的机器故障时，通过制动器制动升降器，滚筒式传输带强行停止运行并停止在当前运行状态。

终端限位保护：在升降器与轨道的运行轨迹上设置机器限位装置，以实现对其的自由度限制，保证机器正常运行。

3.2 对接程度保护

为解决当轨道的对接不精确时，可能产生传输装置脱离轨道，导致损坏设备的问题，需要在其周边安置超声波传感器装置，当检测到其发生侧偏，对接时发生问题时，会发送警报至控制端由终端检测是否发生问题，若发生问题则打开保护措施，中断装置运行，从而中断机器的运行。

3.3 材质选择

对于主要设备，例如钩爪式牵引装置、轨道的连接等，应当选择合适的材料，进行精确计算，预防安全隐患，并进行定期检测，以确保其可以正常工作。

4 结语

轨道化仓库在存储效率、人工成本等方面，与其他的仓库存储模式相比具有一定优势，通过建设轨道化仓库，可以实现物品的自动运输和存储。随着企业的不断发展以及生产力水平的提高，仓库建设的规划显得更加重要，建设轨道化仓库不仅可以优化仓库的效率，而且一定程度减少灾害发生时的经济损失。

参考文献：

［1］程杰.无支座连续刚构轨道结构受力分析及温度跨度研究［D］.北京：北京交通大学，2015.

［2］田松.基于随机时间序列的地铁线路物资消耗研究［D］.北京：北京交通大学，2014.

［3］杨银辉.基于超声波传感器的割台高度自动控制系统研究［D］.杨凌：西北农林科技大学，2007.

［4］曹慧俐，张建国，李军.轨道式升降机的功能与结构设计［J］.现代制造工程，2010（7）：109-112.

［5］默增禄，贾蔚濤，姚一丁，等. 输电杆塔常用钢材低温特性试验研究［C］// 第五届输配电技术国际会议. 中国电力企业联合会；国家电网公司，2005：125-127.