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倉(cāng)儲(chǔ)是物流鏈中重要的一環(huán), 是物流運(yùn)作的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[1]。倉(cāng)儲(chǔ)作為物流的核心, 已從先前的單純物資存儲(chǔ)轉(zhuǎn)變?yōu)橹陵P(guān)重要的物流中轉(zhuǎn)樞紐, 其經(jīng)濟(jì)性和實(shí)效性直接影響整個(gè)物流環(huán)節(jié)的效率和效益。但日益緊張的土地資源和經(jīng)濟(jì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下對(duì)物資的快捷需求是對(duì)傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)方式提出的嚴(yán)重質(zhì)疑。普通貨架儲(chǔ)存率低, 空間浪費(fèi)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(dòng)強(qiáng)度大, 重復(fù)乏味, 錯(cuò)誤率高, 不穩(wěn)定, 造成很大的人力資源浪費(fèi)。密集、自動(dòng)和信息化存儲(chǔ)已成為存儲(chǔ)物流業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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

自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性、快速性與自動(dòng)化價(jià)值主要體現(xiàn)在出庫(kù)部分。目前, 自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)主要應(yīng)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(shí)時(shí)性要求較低, 各倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)僅區(qū)分于不同的貨架排布方式, 出庫(kù)搬運(yùn)設(shè)備為堆垛機(jī)[3], 這方面研究較多。對(duì)于貨物體積小, 種類繁多, 發(fā)貨速度要求高的場(chǎng)合, 例如醫(yī)院發(fā)藥科, 對(duì)自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的密集儲(chǔ)存、出庫(kù)系統(tǒng)的微型體積、高速動(dòng)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(kù)速度的自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)。倉(cāng)儲(chǔ)部分利用重力落料原理采用傾斜式結(jié)構(gòu), 并成矩陣式排布, 以提高儲(chǔ)存率, 即傾斜矩陣式倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)。先概述該倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的各組成部分, 再重點(diǎn)對(duì)比三種不同的取出機(jī)構(gòu), 最后通過(guò)建模得出的力學(xué)模型對(duì)三種取出機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析對(duì)比研究, 為自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)出庫(kù)方式的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

倉(cāng)儲(chǔ)物流是微觀物流的一種, 指的是物資從入庫(kù)到被重新發(fā)出這一段的運(yùn)動(dòng)過(guò)程[1], 包括入庫(kù)、存庫(kù)和出庫(kù)。在結(jié)構(gòu)上分為儲(chǔ)存架、取出機(jī)構(gòu)和升降臺(tái)。

儲(chǔ)存架主要實(shí)現(xiàn)存庫(kù), 取出機(jī)構(gòu)和升降臺(tái)實(shí)現(xiàn)出庫(kù)。出庫(kù)時(shí), 升降臺(tái)先運(yùn)動(dòng)至確定的貨位, 然后取出機(jī)構(gòu)將貨物從儲(chǔ)存架移動(dòng)到升降臺(tái), 升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)至分揀線位置。存庫(kù)為靜態(tài), 出庫(kù)為動(dòng)態(tài)。取出機(jī)構(gòu)的位置設(shè)計(jì), 即動(dòng)靜態(tài)規(guī)劃, 是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。

儲(chǔ)存架主要實(shí)現(xiàn)貨物的安全倉(cāng)儲(chǔ)和可靠倉(cāng)儲(chǔ)。從形式上分為水平布置與傾斜布置兩種。

水平布置的儲(chǔ)存架優(yōu)點(diǎn)是由于貨物僅受豎直方向上重力與儲(chǔ)存架支持力作用, 且兩力平衡, 所以水平方向無(wú)力的作用, 沒有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì), 易于實(shí)現(xiàn)可靠倉(cāng)儲(chǔ);缺點(diǎn)是作為整個(gè)自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的一部分, 對(duì)于取出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求較高, 且有很大的局限性, 必須通過(guò)機(jī)械手等可作用于水平力的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)貨物的出庫(kù)。例如德國(guó)的ROWA自動(dòng)化藥房就是采用此方法[4]。該類型自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的核心是真空吸附和機(jī)械夾持協(xié)調(diào)動(dòng)作的機(jī)械手, 一次只能處理一個(gè)貨物, 工作效率比較低[5]。

傾斜布置的儲(chǔ)存架, 在重力沿儲(chǔ)存架分力 (即下滑力) 的作用下, 貨物有下滑的趨勢(shì)。從可靠倉(cāng)儲(chǔ)的角度講, 必須提供外力克服下滑力, 即設(shè)置機(jī)構(gòu)保持貨物定位在貨架上;從出庫(kù)角度講, 下滑力利于貨物的快速出庫(kù), 便于取出機(jī)構(gòu)的微型設(shè)計(jì), 更適于高速出庫(kù)的自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)。

本文研究對(duì)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(chǔ)存架, 對(duì)于微型、高速自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為合理。對(duì)于矩陣式倉(cāng)儲(chǔ)可根據(jù)取出機(jī)構(gòu)與倉(cāng)儲(chǔ)口的關(guān)系分為一對(duì)一式、多對(duì)一式和多對(duì)多式。

一對(duì)一式指每一個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)口設(shè)置一個(gè)取出機(jī)構(gòu), 貨物靜止時(shí)靠?jī)?chǔ)存架上的固定擋軸可靠定位, 運(yùn)動(dòng)時(shí)靠取出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)出庫(kù), 如圖1所示。

圖1 一對(duì)一式取出機(jī)構(gòu)  下載原圖

對(duì)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(guān)系到取出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。靜止時(shí), 取出機(jī)構(gòu)的擺桿位于貨物下方, 當(dāng)動(dòng)作時(shí), 擺桿旋轉(zhuǎn), 將貨物抬高并高過(guò)固定擋軸, 由于貨物是傾斜放置, 在下滑力的作用下貨物會(huì)自動(dòng)完成出庫(kù), 之后擺桿反方向旋轉(zhuǎn), 下一個(gè)貨物被固定擋軸定位。

一對(duì)一式出庫(kù)方案的設(shè)計(jì)由于是機(jī)械式固定擋軸, 貨物靜止時(shí)定位可靠, 動(dòng)作時(shí)出庫(kù)速度快。以藥品為例, 該取出機(jī)構(gòu)每分鐘平均定位發(fā)放115盒藥品, 出錯(cuò)率0.005%。其缺點(diǎn)是一個(gè)儲(chǔ)存口設(shè)置一個(gè)取出機(jī)構(gòu), 成本高, 且控制設(shè)計(jì)復(fù)雜。

多對(duì)一式指同一列的貨物使用同一個(gè)取出機(jī)構(gòu), 所有取出機(jī)構(gòu)均水平布置在升降機(jī)上, 出庫(kù)時(shí)首先由升降機(jī)的上、下運(yùn)動(dòng)完成行的定位, 再由升降機(jī)上水平布置的取出機(jī)構(gòu)完成列定位, 從而確定出需出庫(kù)貨物的位置, 取出機(jī)構(gòu)動(dòng)作, 完成出庫(kù)。

多對(duì)一式中每個(gè)儲(chǔ)存口對(duì)應(yīng)一個(gè)翻板, 靠扭簧等裝置安裝在儲(chǔ)存架體上, 用來(lái)定位靜止時(shí)的貨物。有出庫(kù)要求時(shí), 升降機(jī)帶著取出機(jī)構(gòu)升到需出庫(kù)貨位層, 對(duì)應(yīng)出庫(kù)列的取出機(jī)構(gòu)動(dòng)作, 推動(dòng)翻板旋轉(zhuǎn), 克服扭簧力, 完成此行此列的貨物出庫(kù)。此時(shí)推力撤銷, 扭簧復(fù)位, 后面的貨物被擋住。見圖2。

以藥品為例, 該取出機(jī)構(gòu)每分鐘平均定位發(fā)放115盒藥品, 出錯(cuò)率0.05%。多對(duì)一式出庫(kù)方案因?yàn)槭且涣泄灿靡粋€(gè)取出機(jī)構(gòu), 大大降低了成本, 而且控制容易, 出庫(kù)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(duì)一式取出機(jī)構(gòu)  下載原圖

多對(duì)多式指每一列儲(chǔ)存口通用一個(gè)出庫(kù)驅(qū)動(dòng), 每一行儲(chǔ)存口通用一個(gè)出庫(kù)驅(qū)動(dòng), 行與列的交點(diǎn)即是出庫(kù)貨物所在位置, 見圖3。

圖3 多對(duì)多式取出機(jī)構(gòu)1.儲(chǔ)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(qū)動(dòng) 9.Y向驅(qū)動(dòng)  下載原圖

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

靜止時(shí), 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(dòng)作時(shí), X向拉桿在X向驅(qū)動(dòng)的作用下向左運(yùn)動(dòng), 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(qū)動(dòng)的作用下向下運(yùn)動(dòng), 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(zhuǎn)90°, 貨物在下滑力作用下出庫(kù)。復(fù)位時(shí)Y向拉桿先動(dòng)作, 然后是X向拉桿。所以這種設(shè)計(jì)同一時(shí)刻存在死點(diǎn), 不能所有通道同時(shí)出庫(kù)。

以藥品為例, 該取出機(jī)構(gòu)每分鐘平均定位發(fā)放30盒藥品, 出錯(cuò)率0.005%。

多對(duì)多式出庫(kù)方案巧妙地運(yùn)用了行列組合, 大大降低了成本, 而且是機(jī)械式定位貨物, 可靠性高;缺點(diǎn)是出庫(kù)速度比較慢, 裝配困難。

上述三種取出機(jī)構(gòu)雖然在結(jié)構(gòu)上相差甚多, 但貨物均放置在傾斜儲(chǔ)物架上, 以貨物為研究對(duì)象, 靜止時(shí)受力分析見圖4。

圖4 貨物靜止時(shí)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(chǔ)物架方向的力;FY為垂直傾斜儲(chǔ)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(chǔ)物架傾角, θ∈ (0°, 90°) 。

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

∑FX=F′-F (2)

當(dāng)∑FX≤0時(shí), 即定位外力大于下滑力的時(shí)候, 系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài);當(dāng)∑FX>0時(shí), 即定位外力小于下滑力的時(shí)候, 達(dá)到出庫(kù)條件, 完成出庫(kù)。

式 (2) 中, 對(duì)于確定的貨物, 下滑力F′是相對(duì)定量, 實(shí)現(xiàn)出庫(kù), 即調(diào)整變量F。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明, 三種取出機(jī)構(gòu)都能很好地實(shí)現(xiàn)傾斜式矩陣倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的出庫(kù), 但各有優(yōu)缺點(diǎn)。現(xiàn)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

假設(shè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)是m行n列, 則三種方案所需的取出機(jī)構(gòu)數(shù)量:一對(duì)一式為m×n組;多對(duì)一式為n組;多對(duì)多式為m+n組。

顯而易見, 一對(duì)一式與多對(duì)一式之間存在著m倍的差距。不同的設(shè)計(jì)方案, 經(jīng)濟(jì)性差異較大。

由于貨物是依照重力落料原理實(shí)現(xiàn)出庫(kù), 不同狀態(tài)下沿儲(chǔ)物架方向合力∑FX的大小決定著整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)與出庫(kù)環(huán)節(jié)的可靠性。靜止時(shí)∑FX越小系統(tǒng)越可靠;出庫(kù)時(shí)∑FX越大系統(tǒng)越可靠。以質(zhì)量為200g的藥品為例, 對(duì)三種取出機(jī)構(gòu)進(jìn)行定量對(duì)比。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 儲(chǔ)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(duì)一式中, 定位貨物的裝置是固定擋軸, 故靜止時(shí)定位外力F=+∞, 傾角θ=20°, 下滑力F′=Gsinθ-f=0.58N;出庫(kù)時(shí)取出機(jī)構(gòu)對(duì)貨物施加一個(gè)底部向上的外力, 在下滑力的作用下貨物跨過(guò)固定擋軸, 實(shí)現(xiàn)定位外力F=0, 但此時(shí)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(shí)沿儲(chǔ)物架方向合力;∑FX2為出庫(kù)時(shí)沿儲(chǔ)物架方向合力;F′小為儲(chǔ)物架傾角θ變小后的下滑力。

在多對(duì)一式中, 利用扭簧的扭力對(duì)貨物進(jìn)行定位, 定位外力F>Gsinθ, F=N;出庫(kù)時(shí)取出機(jī)構(gòu)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(kù)時(shí)力學(xué)模型為:

∑FX1=F′-F=-0.42N (5)

∑FX2=F′小-0=0.07N (6)

在多對(duì)多式中, 固定擋軸對(duì)貨物進(jìn)行定位, 定位外力F=+∞;出庫(kù)時(shí)翻板完全撤銷, F=0, θ不變, 下滑力仍為F′。靜止與出庫(kù)時(shí)力學(xué)模型為:

∑FX1=F′- (+∞) =-∞ (7)

∑FX2=F′-0=0.58N (8)

由此可見, 多對(duì)多式取出機(jī)構(gòu)可靠性最高。

取出機(jī)構(gòu)動(dòng)作一次需要時(shí)間為0.5s, 一對(duì)一式和多對(duì)一式都是取出機(jī)構(gòu)動(dòng)作一次即完成一次出庫(kù), 即出庫(kù)時(shí)間均為0.5s;多對(duì)多式中X向拉桿動(dòng)作一次, Y向拉桿動(dòng)作兩次完成一次出庫(kù), 即出庫(kù)時(shí)間為1.5s, 是前兩者的三倍。

一對(duì)一式很容易實(shí)現(xiàn)各部分的模塊化, 并且對(duì)貨物起定位作用的固定擋軸也可抽離儲(chǔ)存架槽, 每行的7～8個(gè)儲(chǔ)存口可共用一個(gè)固定擋軸, 裝卸方便。多對(duì)一式中翻板起定位作用, 分別安裝在每個(gè)儲(chǔ)存口, 與儲(chǔ)存架相連, 因?yàn)榉迨且讚p件, 更換時(shí)必須與儲(chǔ)存架一同更換。多對(duì)多式因?yàn)槭敲啃型ㄓ靡粋€(gè)拉桿, 每列通用一個(gè)拉桿, 而且要運(yùn)動(dòng)順暢, 這對(duì)平行度要求很高, 現(xiàn)場(chǎng)裝配很難。

一對(duì)一式取出機(jī)構(gòu)需要對(duì)m×n組取出機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制, 多對(duì)一式是n組, 多對(duì)多是m+n組。需控制的取出機(jī)構(gòu)越多, 控制系統(tǒng)越復(fù)雜, 而且現(xiàn)場(chǎng)走線很多, 需預(yù)留很大空間, 不利于外觀設(shè)計(jì)。

取出機(jī)構(gòu)在整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位。對(duì)于一個(gè)完整倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 成本、可靠性、出庫(kù)速度和裝配難易都是至關(guān)重要的因素, 而這些都取決于取出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。以上三種取出機(jī)構(gòu)都在試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證, 并且第一和第二種已經(jīng)產(chǎn)品化, 第三種也有著很大的強(qiáng)勢(shì), 如果能在一定程度上解決現(xiàn)場(chǎng)裝配的問(wèn)題將會(huì)有很大的應(yīng)用空間。