仓储是物流链中重要的一环, 是物流运作的一个关键节点[1]。仓储作为物流的核心, 已从先前的单纯物资存储转变为至关重要的物流中转枢纽, 其经济性和实效性直接影响整个物流环节的效率和效益。但日益紧张的土地资源和经济高速运转下对物资的快捷需求是对传统仓储方式提出的严重质疑。普通货架储存率低, 空间浪费大, 且开放的存放方式安全性差, 存取、管理方式均由人工完成, 劳动强度大, 重复乏味, 错误率高, 不稳定, 造成很大的人力资源浪费。密集、自动和信息化存储已成为存储物流业发展的必然趋势。

20世纪70年代初期, 我国开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。1980年, 由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成的我国第一座自动化立体仓库在北京汽车制造厂投产。从此, 立体仓库在我国得到了迅速的发展。自动化仓储比普通货架有着不可替代的优势:采用自动化的立体仓库, 可以充分利用空间, 实现机械化、自动化, 提高仓库的管理水平;降低对人工需求的依赖, 特别是降低特殊仓储环境中的人力资源成本[2]。

自动仓储系统的可靠性、快速性与自动化价值主要体现在出库部分。目前, 自动仓储系统主要应用在体积、重量比较庞大的货物中, 或者大包装货物, 种类少, 发货实时性要求较低, 各仓储系统仅区分于不同的货架排布方式, 出库搬运设备为堆垛机[3], 这方面研究较多。对于货物体积小, 种类繁多, 发货速度要求高的场合, 例如医院发药科, 对自动仓储系统的密集储存、出库系统的微型体积、高速动作都有着比较高的要求, 这方面的研究比较少。

本文研究一种适用于小型货物、多品种、高出库速度的自动仓储系统。仓储部分利用重力落料原理采用倾斜式结构, 并成矩阵式排布, 以提高储存率, 即倾斜矩阵式仓储物流系统。先概述该仓储系统的各组成部分, 再重点对比三种不同的取出机构, 最后通过建模得出的力学模型对三种取出机构进行分析对比研究, 为自动仓储系统出库方式的优化提供理论指导。

仓储物流是微观物流的一种, 指的是物资从入库到被重新发出这一段的运动过程[1], 包括入库、存库和出库。在结构上分为储存架、取出机构和升降台。

储存架主要实现存库, 取出机构和升降台实现出库。出库时, 升降台先运动至确定的货位, 然后取出机构将货物从储存架移动到升降台, 升降台运动至分拣线位置。存库为静态, 出库为动态。取出机构的位置设计, 即动静态规划, 是整个系统设计的关键之一。

储存架主要实现货物的安全仓储和可靠仓储。从形式上分为水平布置与倾斜布置两种。

水平布置的储存架优点是由于货物仅受竖直方向上重力与储存架支持力作用, 且两力平衡, 所以水平方向无力的作用, 没有运动趋势, 易于实现可靠仓储;缺点是作为整个自动仓储系统的一部分, 对于取出机构的设计要求较高, 且有很大的局限性, 必须通过机械手等可作用于水平力的机构实现货物的出库。例如德国的ROWA自动化药房就是采用此方法[4]。该类型自动仓储系统的核心是真空吸附和机械夹持协调动作的机械手, 一次只能处理一个货物, 工作效率比较低[5]。

倾斜布置的储存架, 在重力沿储存架分力 (即下滑力) 的作用下, 货物有下滑的趋势。从可靠仓储的角度讲, 必须提供外力克服下滑力, 即设置机构保持货物定位在货架上;从出库角度讲, 下滑力利于货物的快速出库, 便于取出机构的微型设计, 更适于高速出库的自动仓储系统。

本文研究对象是小型货物, 一般体积为120mm×60mm×15mm, 重量为50～300g, 故采用倾斜储存架, 对于微型、高速自动仓储系统设计更为合理。对于矩阵式仓储可根据取出机构与仓储口的关系分为一对一式、多对一式和多对多式。

一对一式指每一个仓储口设置一个取出机构, 货物静止时靠储存架上的固定挡轴可靠定位, 运动时靠取出机构的运动实现出库, 如图1所示。

图1 一对一式取出机构  下载原图

对于不同的货物, 固定挡轴的高度不同, 主要由货物的高度决定。挡轴高度还关系到取出机构的设计。静止时, 取出机构的摆杆位于货物下方, 当动作时, 摆杆旋转, 将货物抬高并高过固定挡轴, 由于货物是倾斜放置, 在下滑力的作用下货物会自动完成出库, 之后摆杆反方向旋转, 下一个货物被固定挡轴定位。

一对一式出库方案的设计由于是机械式固定挡轴, 货物静止时定位可靠, 动作时出库速度快。以药品为例, 该取出机构每分钟平均定位发放115盒药品, 出错率0.005%。其缺点是一个储存口设置一个取出机构, 成本高, 且控制设计复杂。

多对一式指同一列的货物使用同一个取出机构, 所有取出机构均水平布置在升降机上, 出库时首先由升降机的上、下运动完成行的定位, 再由升降机上水平布置的取出机构完成列定位, 从而确定出需出库货物的位置, 取出机构动作, 完成出库。

多对一式中每个储存口对应一个翻板, 靠扭簧等装置安装在储存架体上, 用来定位静止时的货物。有出库要求时, 升降机带着取出机构升到需出库货位层, 对应出库列的取出机构动作, 推动翻板旋转, 克服扭簧力, 完成此行此列的货物出库。此时推力撤销, 扭簧复位, 后面的货物被挡住。见图2。

以药品为例, 该取出机构每分钟平均定位发放115盒药品, 出错率0.05%。多对一式出库方案因为是一列共用一个取出机构, 大大降低了成本, 而且控制容易, 出库速度快。只是货物的定位靠扭簧的扭力, 可靠性较差。

图2 多对一式取出机构  下载原图

多对多式指每一列储存口通用一个出库驱动, 每一行储存口通用一个出库驱动, 行与列的交点即是出库货物所在位置, 见图3。

图3 多对多式取出机构1.储存架体 2.Y向拉杆 3.Y向销 4.定位轴5.翻板 6.X向拉杆 7.X向销 8.X向驱动 9.Y向驱动  下载原图

多对一式中也有翻板, 但机理不同, 形状也不同。多对一式中翻板分别安装在每一通道的储存架上, 除了定位静止的货物外, 还有帮助货物出库的作用, 所以是三叉形, 而且受取出机构限制不能旋转90°;多对多式只是定位静止货物, 可旋转90°, 货物在没有翻板定位的情况下依靠重力自动出库, 翻板是两叉形。

静止时, 翻板在X向拉杆上的X向销与Y向拉杆上的Y向销的作用下将货物定位;动作时, X向拉杆在X向驱动的作用下向左运动, 将X向销拉离翻板, 然后该货物所在口的Y向拉杆在Y向驱动的作用下向下运动, Y向销向下放开翻板, 翻板在自重及货物下滑力的作用下向下翻转90°, 货物在下滑力作用下出库。复位时Y向拉杆先动作, 然后是X向拉杆。所以这种设计同一时刻存在死点, 不能所有通道同时出库。

以药品为例, 该取出机构每分钟平均定位发放30盒药品, 出错率0.005%。

多对多式出库方案巧妙地运用了行列组合, 大大降低了成本, 而且是机械式定位货物, 可靠性高;缺点是出库速度比较慢, 装配困难。

上述三种取出机构虽然在结构上相差甚多, 但货物均放置在倾斜储物架上, 以货物为研究对象, 静止时受力分析见图4。

图4 货物静止时受力分析图  下载原图

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

式中:FX为沿倾斜储物架方向的力;FY为垂直倾斜储物架方向的力;G为货物重力;f为摩擦力;F为定位外力;N为支持力;θ为储物架倾角, θ∈ (0°, 90°) 。

货物在垂直倾斜储物架方向没有运动, 故∑FY=0。在沿倾斜储物架方向, 令Gsinθ-f=F′, F′为货物在储物架上的下滑力, 代入式 (1) 得:

∑FX=F′-F (2)

当∑FX≤0时, 即定位外力大于下滑力的时候, 系统处于静止状态;当∑FX>0时, 即定位外力小于下滑力的时候, 达到出库条件, 完成出库。

式 (2) 中, 对于确定的货物, 下滑力F′是相对定量, 实现出库, 即调整变量F。

经过现场试验证明, 三种取出机构都能很好地实现倾斜式矩阵仓储系统的出库, 但各有优缺点。现从以下几个方面进行对比分析。

假设仓储系统是m行n列, 则三种方案所需的取出机构数量:一对一式为m×n组;多对一式为n组;多对多式为m+n组。

显而易见, 一对一式与多对一式之间存在着m倍的差距。不同的设计方案, 经济性差异较大。

由于货物是依照重力落料原理实现出库, 不同状态下沿储物架方向合力∑FX的大小决定着整个仓储系统存储与出库环节的可靠性。静止时∑FX越小系统越可靠;出库时∑FX越大系统越可靠。以质量为200g的药品为例, 对三种取出机构进行定量对比。经试验发现, 储物架倾角取15°～20°最佳, 本文取θ=20°, 取摩擦因数μ=0.05。

在一对一式中, 定位货物的装置是固定挡轴, 故静止时定位外力F=+∞, 倾角θ=20°, 下滑力F′=Gsinθ-f=0.58N;出库时取出机构对货物施加一个底部向上的外力, 在下滑力的作用下货物跨过固定挡轴, 实现定位外力F=0, 但此时由于货物抬高, 倾角θ=10°, 下滑力F′=Gsinθ-f变小, 代入数据得F′小=0.07N。两种状态下合力∑FX分别为:

∑FX1=F′- (+∞) =-∞ (3)

∑FX2=F′小-0=0.07N (4)

式中:∑FX1为系统静止时沿储物架方向合力;∑FX2为出库时沿储物架方向合力;F′小为储物架倾角θ变小后的下滑力。

在多对一式中, 利用扭簧的扭力对货物进行定位, 定位外力F>Gsinθ, F=N;出库时取出机构克服扭簧扭力, 定位外力F=0, 货物抬高, θ变小, 下滑力成为F′小=0.07N。静止与出库时力学模型为:

∑FX1=F′-F=-0.42N (5)

∑FX2=F′小-0=0.07N (6)

在多对多式中, 固定挡轴对货物进行定位, 定位外力F=+∞;出库时翻板完全撤销, F=0, θ不变, 下滑力仍为F′。静止与出库时力学模型为:

∑FX1=F′- (+∞) =-∞ (7)

∑FX2=F′-0=0.58N (8)

由此可见, 多对多式取出机构可靠性最高。

取出机构动作一次需要时间为0.5s, 一对一式和多对一式都是取出机构动作一次即完成一次出库, 即出库时间均为0.5s;多对多式中X向拉杆动作一次, Y向拉杆动作两次完成一次出库, 即出库时间为1.5s, 是前两者的三倍。

一对一式很容易实现各部分的模块化, 并且对货物起定位作用的固定挡轴也可抽离储存架槽, 每行的7～8个储存口可共用一个固定挡轴, 装卸方便。多对一式中翻板起定位作用, 分别安装在每个储存口, 与储存架相连, 因为翻板是易损件, 更换时必须与储存架一同更换。多对多式因为是每行通用一个拉杆, 每列通用一个拉杆, 而且要运动顺畅, 这对平行度要求很高, 现场装配很难。

一对一式取出机构需要对m×n组取出机构进行控制, 多对一式是n组, 多对多是m+n组。需控制的取出机构越多, 控制系统越复杂, 而且现场走线很多, 需预留很大空间, 不利于外观设计。

取出机构在整个仓储系统中占有举足轻重的地位。对于一个完整仓储系统来说, 成本、可靠性、出库速度和装配难易都是至关重要的因素, 而这些都取决于取出机构的设计。以上三种取出机构都在试验中得到了验证, 并且第一和第二种已经产品化, 第三种也有着很大的强势, 如果能在一定程度上解决现场装配的问题将会有很大的应用空间。