自动化立体仓库设计文献综述

2011 届机械 设计 制造及其自动化专业毕业设计（文献综述） 1 摘要： 自动化立体仓库是近年来国内外发展迅速并得到越来越广泛应用的一种新型仓储方式。 巷道堆垛机是自动化立体仓库系统的核心部件，是实现整个仓储系统功能的关键设备 。 可编程控制器 (巷道堆垛机实施自动控制 ,来完成货物的自动入库、出库、盘库等作业。 因此 ,堆垛机 不同类型的立体仓库 ,其堆垛机运行方式也各有特点。 本文 将 综述 自动化立体仓库 的发展及应用， 堆垛机理 、 分类及 特点 。 关键词 ： 自动化立体仓库 ； 堆垛机 ； 发展 自动化立体仓库是一种 先进的仓储模式，是物流技术、仓储技术、机电一体化技术的结晶，集存储、搬运、输送、分发于一体，是物流技术发展的方向。自动化立体仓库中最重要设备就是巷道堆垛机 , 堆垛机在巷道中运动，对货物进行存、取与转移，来完成入库、出库及倒库功能。 巷道堆垛机是实现整个仓库系统 “ 自动 ” 功能的关键设备。对其控制系统的研究具有广阔的应用前景。 一、 自动化立体仓库 发展及现状 述 自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下，自动地完成物品仓储和取出的系统，它以高层立体货架为主体，以成套搬运设备为基础，是集自动控 制技术、通信技术及机电技术于一体的高效率、大容量存储机构 123。与平库相比，可节约大量的占地面积和劳动力，具有很高的空间利用率，能加快货物的出入库存储节奏，减轻劳动强度，提高生产效率；具体构成包括堆垛机，货位、转轨机、输送设备等 456。主要功能是接收操作指令、检测信号、指挥作业、判断故障、返回信息等。 用 制的自动化立体仓库达到仓储技术的全面自动化。 由于自动化立体仓库空间利用率高、管理方便及自动化程度高 ,其应用也越来越广泛 1。 自动化立体仓库是自动化生产的重要组成部分 ,用于存 储配件、半成品、产2011 届机械 设计 制造及其自动化专业毕业设计（文献综述） 2 品、工具、夹具和模具等。在 ,对原材料、设备及半成品的存储及运输占产品整个生产周期的大部分时间 ,对自动化立体仓库相关技术的研究 ,将会极大地提高 统的生产效率和自动化水平 7。 自动化立体仓库是集机械、电子、计算机、通信网络、传感器和自动控制等多种技术为一体 ,以搬运机械化、控制自动化、管理微机化、信息网络化为特征的现代化物流系统中产品生产与储存的枢纽 8。 内外发展 仓库的产生和发展是 第二次世界大战 之后生产和技术发展的结果。 50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库； 50 年代末 60 年代初出现了巷道式堆垛起重机立体仓库； 1963 年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。 后来德国和日本也相继开发了自动化立体仓库。进入 20 世纪 80 年代，自动化立体仓库在世界各国发展迅速，使用范围涉及几乎所有行业。据不完全统计，美国拥有各种类型的自动化立体仓库 20000 多座，日本有 38000 多座，德国有 10000 多 座，英国有 4000 多座，前苏联有 1500 多座 9。 我国对高架仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚， 1963 年研制成第一台桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所负责）， 1973 年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化高架仓库（高 15 米，机械部北京起重运输机械研究所负责），该库 1980 年投入运行 2。到目前为止，据不完全统计，我国高架仓库数量已超过 500 座。高架仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的技术 ，越来越受到企业的重视 920。 库的组成 自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。它主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统组成，还有与之配套的供电系统、空调系统、消防报警系统、称重计量系统、信息通信系2011 届机械 设计 制造及其自动化专业毕业设计（文献综述） 3 统等 16。 高层货架 : 用于存储货物的钢结构。目前主要有焊接式货架和组合式货架两种基本形式 17。 托盘 ( 货箱 ) :用于承载货物的器具，亦称工位器具。 巷道堆垛机 : 用于自动存取货物的设备。按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形式 ; 按服 务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。 输送机系统 : 立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。输送机种类非常多，常见的有辊道输送机、链条输送机、升降台、分配车、提升机机和皮带机等。 统 : 即自动导向小车。根据其导向方式分为感应式导向小车和激光导向小车。 自动控制系统 : 驱动自动化立体库系统各设备的自动控制系统。目前以采用现场总线方式为控制模式为主。 库存信息管理系统 : 亦称中央计算机管理系统。是全自动化立体库系统的核心。目前典型的自动化立体库系统均采用大型的数据库系统 ( 如 ) 构筑典型的客户机 / 服务器体系，可以与其他系统 ( 如 统等 ) 联网或集成 10。 (1)科学储备，提高物料调节水平 作为仓库，它首先应具有储存的功能。在自动化系统的管理和控制下，能对物料进行科学的管理，使物料在存储过程中合理利用各种资源，提高处理效率，适应多种存储要求。 (2)有效地衔接生产与库存，加快物资周转，降低成本 作为生产过程的中间环节，它应具有原材料、在制品和成品的缓冲存储功能。在自运化和机械化设备处理下，自运化程度提高 ，各种物料库存周期缩短，从而降低了总成本。 2011 届机械 设计 制造及其自动化专业毕业设计（文献综述） 4 (3)适当加工，合理利用资源，提高效益 许多仓库或多或少地承担一些加工任务，如为存储进行组装、出货前的包装等。它可以提高原材料利用率，方使用户，提高加工效率和设备利用率，充分发挥各种输送手段的最高效率。通过存储环节，能把生产与需要有机地结合起来减少生产的盲目性 。 充分利用已有的资源，从而提高对市场变化的反应能力，减少损失，易于在激烈的市场竞争中获胜 。 (4)为企业的生产指挥和决策提供有效的依据 自动化仓库往往也是企业信息系统的重要环节，企业的领导者根据库存信息制定 相应的战略和计划，指挥、监测和调整企业的行动。目前，装卸和储运作业，即物流作业在国民经济中占用了大批劳动力，物流工作机械化和自动化的主要优点， 就在于提高劳动生产率和节省劳动资源。我因近几年来在工业发达地区已 建立了一定数量的自动化仓库 9。 二、 自动化立体仓库堆垛机 堆垛机是自动化立体仓库的主要作业机械。堆垛机是由机架、运行机构，起升机构、载货台、货叉、电器设备及各种安全保护装置组成。 1） 机架 堆垛机的机架主要是由两根立柱、上横梁、下横梁组成一个长方形的框架，它是堆垛机的主要承载构 件，整机结构高而窄，立柱一般由方管制成。如果堆垛机的高度很高、起重量较大、运行速度较快，立柱最好由圆管制成。上横梁及下横梁一般由槽钢及钢板焊接而成。堆垛机的机架沿天轨运行，为防止框架倾倒，在上横梁上装有导向轮。天轨一般由角钢、糟钢或热轧 H 型钢制成。 2） 运行机构 运行机构主要由电机减速器、行走车轮、导向轮等组成。在堆垛机下横梁的下面装有 2 个车轮，车轮一般由铸钢制成。在每个车轮的侧面有两个导向轮，以保证堆垛机能够在地轨上正常行驶。轴装式电机减速器装在前面的车轮上，2011 届机械 设计 制造及其自动化专业毕业设计（文献综述） 5 它带动堆垛机在地轨上运行，当切断电机电源时，电 机能够自动制动，使堆垛机停止在立体库的巷道中。 3） 起升机构 起升机构主要由电机减速器、驱动链轮、驱动链条、升降链轮、升降链条、配重块等组成。升降链条与载货台相连接，它与升降链轮、上下横梁的链轮及载货台组成封闭结构。当电机减速机通过驱动链轮带动升降链轮旋转，升降链轮再通过升降链条带动载货台上下运动。 4） 载货台 载货台主要由槽钢、方管及钢板焊接而成。在它的每个侧面装有四个导向轮及一个顶轮，以保证载货台能够沿着升降轨道正常行驶。设有限位保护装置。 5） 货叉 货叉是堆垛机中最主要的部分，它主要由电机减速机、链轮 、链条、齿轮、齿条、下叉、中叉、上叉、轴承等组成 11。 6） 电气设备 主要包括电力拖动、控制、检测和安全保护。在电气拖动方面目前主要采用交流变频调速及交流变极调速。堆垛机的控制一般采用可编程序控制器 (计算机等。堆垛机必须有自动认址、货位虚实等检 测 2。 堆垛机的控制方式有联机自动控制 (即上位机控制 )、自动控制 (即本机自动 )、半自动控制及手动控制 4 种。 联机自动方式 :仓库系统正常运行时堆垛机一般应处于此控制方式。处于此方式下的堆垛机 ,可以经光调制解调器接受来自控制计算机的操 作指令并向控制计算机反馈堆垛机的作业状态等信息 ,使每个堆垛机成为自动化仓库系统中的有机组成部分 ,以使仓库控制系统实现对仓库中每一个货位的入出库操作。 自动控制方式 :堆垛机单机运行时一般处于此控制方式。处于此控制方式下的堆垛机 ,可以自动地完成本巷道内的每一个货位的入出库操作。 2011 届机械 设计 制造及其自动化专业毕业设计（文献综述） 6 半自动控制方式 :半自动方式是对本机自动控制方式运行过程的分解 ,可以单步完成如货叉取放货、堆垛机自动运行至巷道内某一货位地址等操作。堆垛机单机运行、发生异常或安装调试时可以使用这种控制方式。 手动控制方式 :手动方式一般用于堆垛机的安装调试阶段或堆垛机发生异常时的复位等 ,可以对堆垛机的走行、升降、伸缩货叉等单独进行操作 ,堆垛机的执行机构可以手动定位在 3 个运行方向上的任一位置。以自动控制操作时为例 ,入库作业堆垛机的操作及工作过程如下。 自动 “ 入库 ” 操作 : (1)输入欲入库货位所在的列、排、层数据。 (2)依次输入欲入库货位的列、排、层数据。 (3)输入数据无误确认后 ,堆垛机开始自动执行入库操作 4。 自动 “ 入库 ” 操作时堆垛机的工作过程 :(1)在自动化仓库的入库口台车位置执行 “ 取货 ” 操作 ,将货物从台车取到堆垛机载货台 上 ;(2)堆垛机向目的货位所在的排、层 “ 移动 ” ;(3)堆垛机到达目的货位后 ,向目的货位所在的列 “ 卸货 ” ,将货物放到目的货位上 ;(4)堆垛机自动返回 “ 入库口 ” ,自动入库过程结束 12。 堆垛机是在又高又窄的巷道内运行的起重机械，为了保护人身、设备和货物的安全，必需在电气控制上采取一系列的联锁和保护措施。 （ 1） 联锁保护 1） 当叉板没在中位，或叉板正在运行时，水平及升降运动将被锁定； 2） 当堆垛机水平及升降运动进行时，堆垛机定位不正确时，存货时相应的货位有货物，取货时相应的货位没有货物时 ，叉板运动将被锁定。 （ 2） 限位保护 堆垛机装有运行终端限位器， 当堆垛机接近两端极限位置或载货台接近上下极限位置时， 该装置能自动切断行走电机或提升电机的电源。 （ 3） 断链保护 提升链条通过压簧与载货台相连， 当链条由于长时间使用或意外原因忽2011 届机械 设计 制造及其自动化专业毕业设计（文献综述） 7 然断裂时，弹簧弹开链条，检测装置检测到链条时便驱动相应装置使载货台停在当前位置，不至于掉下来，同时整个堆垛机停止运行。 （ 4） 断电保护 如载货台升降过程中忽然断电， 则通过提升电机制动使载货台停在当前位置不会掉落下来 13214。 三、 堆垛机 制 程 堆垛机的 制程序可分为四大功能模块 :键盘输入和显示功能块、控制功能块、故障检测与处理功能块和通信功能块。其中 ,键盘输入和显示功能块实现对键入任务指令的合法性判断、存储和显示 ,控制功能块直接控制堆垛机各运行机构 ,逐条完成键盘输入指令 (单机自动控制方式下 )或上位管理机发来 (联机自动控制方式下 )的任务指令 ,故障检测与处理功能块实现对系统故障的实时检测并处理 ,通信功能块用于管理各堆垛机与管理机的实时通讯 ,包括各种通讯包如 :任务指令包、状态信息包、故障信息包、任务完成包、联 /脱机包等的相互交接 。该四大功能块有机结合 ,构成堆垛机的实时自动化控制程序 1518。 制程序的特点 (1)采用模块化结构设计 ,程序 简练 ,控制可靠。便于阅读和调试及日后的进一步开发和修改 ; (2)采用了一些特殊的编程方法 ,解决了弯巷道的编址和认址及左右两排货架货位不等的问题 ,实现了对任务序列、堆垛机当前位置的实时显示 ,以及四种不同作业方式的可靠控制 ; (3)在故障检测和处理方面功能较强 向用户提供的信息简洁、明了 ,降低了对操作和维修人员的要求 ; (4)采用了 直接与管理机进行实时通信的二级管理模 式 ,提高了可靠性 ,简化了结构 ,降低了成本 1519。 总结 2011 届机械 设计 制造及其自动化专业毕业设计（文献综述） 8 自动化立体仓库的出现大大拓展了仓库功能，使之从“静态仓库”变成了“动态仓库”，由单纯的保管型向综合的流通型方向发展。 堆垛机 制系统 ,能较好地实现堆垛机的运动检测、运动控制及与上层管理系统的通讯协调等功能 ,基于 立体仓库控制系统具有较高的自动化程度 ,已经成为生产物流建设发展的潮流。随着 术的应用和发展 ,自动化立体仓库的实时性和可靠性会越来越高 ,控制也会越来越完善。 参考文献： 1 吕全海 ,沈敏德 ,陶秀义 机的优化控制 J院学报 ,2009,23(3):692 郭环 ,禹永伟 J2002,(3):773 高雁翔 J2010, 10: 176 4 聂新年 J2010,(5):645 姚松丽 J2010(12):64 6 陈燕 ,郑宾 立体仓库控制中的应用 J2009， (4): 347 徐菱 ,劳扬健 ,王金诺 J2005,(1):728 周兴万 J19