论多层穿梭车系统的技术发展

2018-10-11陈涤新

制造业自动化 2018年9期

陈涤新

（北京市自动化物流装备工程技术研究中心，北京 100007）

0 引言

十三五期间国家的战略新兴产业之一，物流仓储装备产业，近年来发展的如火如荼。技术活跃、供需旺盛、资本集聚。新技术、新产品、新方法、新模式，不断涌现，呈现百家争鸣的繁荣景象。

近来，人们消费习惯的发生了改变，个性化、定制化的需求急剧增加，加速了消费品的迭代。外加电商的迅速崛起，分拣与配送需求大幅增加。在工业领域，伴随着传统工业的转型升级，智能制造的快速推进，生产物流需求也大幅增加。急剧扩大的物流需求，给物流装备企业带来了新的发展空间。多层穿梭车系统就是为了满足小件的箱式物料储存和拣选，应运而生的新系统、新产品，众多的主流物流装备供应商都参与其中，技术发展迅猛，是在新需要下，对传统的自动化立体仓库系统应用领域补充和拓展。

1 技术的起源

传统的自动化立体仓库，产生于60～70年代，是第二次工业革命的产物，满足大批量生产的需求，解决集约化生产任务，大宗存储，批量入出。其立体货架中存储货物的存取，主要是依靠巷道堆垛机。而堆垛机每次作业，只能取一个到两个单元的货物。虽然堆垛机速度的不断提升，但单台车的出入库频率很难突破90盘/小时。

为了满足小件物品的存取需求，2000年左右出现了MINLOAD货库，同样基于自动化立体仓库的原理，只是载货器具由托盘变成了料箱，堆垛机的一次作业，取一箱或双箱，或是同时入出，共计四箱。单台车的出入库频率接近200箱/小时。但无论多少，每次的作业循环，都只有一台堆垛机在运作，取放的频率受限，无法大幅度提高。

市场上急剧增加的小订单需求，促使人们改变传统的思维方式。分解堆垛机的取货动作，让立体仓库中每一层都能出入，巷道口连续输送。近年来，一种新的模式——多层穿梭车系统逐步走入人们的视野，能够高度满足当前的需求。系统中的一个核心组成设备为穿梭小车：用于存取货物的小型快速车辆。小车的作用代替了堆垛机的载货台，而且每次都可以独立运行，解决了同层平面上的存取。通常在货架系统的端部，配备提升机，解决垂直方向上的动作。总体分解了原有堆垛机的动作，巷道口的工作改成了连续的工作制，水平方向上的运行，都变成了系统内部的时间，大大提高了系统的出入能力。再有可以在同一通道使用多台穿梭车，因此此种系统的处理能力比传统的处理能力高出许多倍。是满足缩短生产时间和更快交货的新兴解决方案。

图1 自动化仓库到小车系统示意图

2 系统组成

多层穿梭车系统，通常是有组合式货架、多层穿梭车、提升机、箱输送机线、拣选台、辅助检修维护平台（升降平台、控制柜平台和人员通道平台）等设备组成。并配有设备调度系统及物料管理系统，可同ERP、SAP等上位系统连接，实现高密度存储，高效分拣。系统可以按照根据用户需求的储存量、出入库频率，模块式组合和扩展。当前主流的布局形式有两种，如下文所述。

图2 系统布局方式

2.1 以双向小车为核心的系统

每个巷道，每层都要求布置有穿梭车，小车只能延巷道方向水平运行，并存取货物。单通道货架，可以根据需要布置双深货位，小车每次运行可以取一个或两个货物。而货物的垂直运行要通过提升机才能转运到平面输送，到拣选台。

小车不仅将货物从车上输送到提升机，也可以车与货物一同通过提升机，换到另外一个层面，继续存取作业，即实现了不同层间的货物存取，但这样会影响效率。

2.2 四向小车为核心的系统

小车可以在同层，通过特殊的轨道（俗称转弯板），实现90度平移，实现两个巷道间的移动，而货物从货格中取出以后，要通过提升机才能转运到平面输送，到拣选台。或是也可将货物与车一同通过提升机，换入另外一个层面。理论上讲，只有一台车，可以实现整个货架内的所有空间物品的存取，完全是全方位的。而这种方式，用户只需扩展货架，就可以满是存储空间的需求，对于高峰订单的需求，可以通过增加小车来满足出入库频率的需求，非常方便而经济。

2.3 以垂直轨道小车为核心的系统

每个巷道，布置有多台穿梭车，小车不仅能延巷道方向运行，而且能够沿着货架的垂直方向上下运动，从货格中存取的货物，直接由小车自身可以运输到输送机、拣选台，省去提升机中间环节，非常直接高效。拣选台与相应的通道对应。

需求不同，系统的组成方式不同，内部的设备也有多种组合。存储箱或盒的货架，可以分为单、双存储位货架。小车可分为，双向、四向、单深位、双深位、三深位等多种形式。提升机有：箱式提升机和载车提升机；拣选台通常可以按照1:1、1:2、2:4等符合人体工程学比例配置；箱式输送线更是可以分单层箱线或双层箱线；人机交互方式，可以采取触摸屏和电子标签结合的方式。组合灵活、方便、高效，是当今满足箱式物品存储和拣选的主流系统，适用于生产制造、电子商务、医药、食品、电力电气、家电五金等等多种行业，应用面非常广。

3 核心设备的技术特点

多层穿梭车系统的配置，是基于大量的仿真验算和经验数据，建立在科学的数据分析基础之上，使得用户投资成本与产出比最佳。

3.1 组合式高层密集货架

组合式高层密集货架是多层穿梭车系统中存储主体，除了满足储存以外，因小车的轨道与货架的配合，无论轨道是否与横梁或立柱一体或分体，轨道的精度要求都高于普通货架要求，尤其是四向车转弯轨道，是对一个平面的要求。小车轨道是小车高速运行的基础保障。

3.2 形式多样的多层穿梭车

多层穿梭车的结构形式，多种多样，但车体的结构则需要经过精确计算与仿真研究，以解决车体轻、车速快，刚性强、定位精等相互之间的矛盾，寻求好的材料与设计的良好结合，才能达到最佳的效果。如：除了钢板以外，也有采用纤维增强高性能塑料来做外壳，以减轻总量。

3.2.1 抱夹式货叉

小车的货叉，是车的关键核心部件，轨道式样的抱夹货叉，需要解决伸缩行程、移动监测、宽度调节等问题，针对不同箱、盒，不同尺寸要求的货物准确存取问题，货叉需要设有宽度调节机构，也是影响小车效率和造价的因素之一。

3.2.2 供电方式

高速移动多层穿梭车的供电方式，即可用设计紧凑，安装方便快捷的滑到线供电的，如VAHLE的VKL2和SLS产品。也可用锂电池、超级电容供电。

从滑导线发展为锂电池到超级电容，硬件成本逐步降低，电源管理尤为重要，既要满足远距离运行，又能在最短的时间内补充。特殊低温环境的应用，更要克服锂电池和电容对低温环境的极限，延长使用寿命。

3.2.3 控制方式

车的大小直接影响到系统布局，因而多层穿梭车内的布置，都尽可能密集紧凑，留给控制系统的空间尽可能小，通常采用紧凑的直流驱动系统来实现。控制器采用可编程程控制器PLC或更节省空间的专业控制板。

3.2.4 检测方式

对于快速且高度灵活的穿梭车来说，满足动态性，精确性、可靠性和高灵活性要求的智能传感器是必须的保障，通常选用即节省空间又安全的测量距离传感器，来进行精确定位，检测开放空间，动态控制或防碰撞保护。

图3 布置在小车中的传感器

3.2.5 通讯方式

移动通讯是必不可少的，每台小车都通过无线网络同监控系统实现双向数据传输，以实现小车的实时控制和动态调度。多采用定向天线，以避免网格状金属网络对信号的屏蔽问题。

3.3 提升机

多层穿梭车系统中的提升机，有用于小车换层用载车提升机和用于出入库的箱式提升机两种，提升速度是系统的瓶颈，因而提升机控制多采用伺服控制系统，加快提升速度和加强定位精度。箱式提升机的载货台多采用多箱载货台、双侧载货台、上下双层载货台等方式，来提升效率。而载车提升机由于小车的入出，虽然不如料箱提升机那样要求高速上下，安全性和稳定性方面要求更高，毫米级的精确定位确保保持车平稳出入，辅助相应的安全联锁装置。

3.4 调度系统

多车的调度系统是整个系统的灵魂，各家都有自己的核心算法与物料管理信息系统相结合，优劣从系统的效率，设备的利用率、拣选的差错率、工人的工作时间、系统的繁忙度等多方因素可以衡量。

简单的系统很难区分高低，只有和订单系统结合在一起，谁的系统设备少，投资低，产出高，就体现出来了。而这是需要大量的工程经验与运算，对用户业务的了解，才能达到最优，也是该系统的核心所在。

3.5 人机交互拣选台

图4 信息系统框图

存储系统中的货物，最终是要依靠人工来拣选的，设备与人之间的交互，是通过拣选台来实现的。拣选台可以通过灯光提示、图像触摸屏提示，电子标签确认等，来完成人与设备的对话。可以有一对一，也可以是一对二，或二对四。拣选台的设计需要符合人体工程学，让操作工人减少疲劳，而提高准确率。

4 国内外的技术发展情况

多层穿梭车存储系统的发展，主要起源于欧洲企业，发展至今技术日趋成熟。全球排名前20的企业，都在这个领域有所建树。并对自己的穿梭车给予命名，将典型应用的快速拣选系统，都注册专有商标。如FlashPick、RapidPcik™、Pick-it-Easy、OSR Shuttle™等等。知识产权意识和对用户的粘合度极强。

多层穿梭车系统迅速发展主要集中在近十年左右，德马泰克（DEMATIC）于2010年推出了一代多层穿梭车，依靠滑导线供电的双向小车，运行速度仅2m/s。到2015年，就推出DEMATIC II代小车，速度提高到3m/s，具有双深位抱夹货叉，可以取远端料箱。至今与提升机、控制系统相结合形成RapidPcik™系统，可每小时完成1400次拣选[1]。已经得到广泛应用。

胜斐尔（SSI SCHAEFER）公司最著名的是大仓储密度下的高性能CUBY小车系统。可以双深位存取，为客户提供全自动仓储周转箱和纸箱的解决方案，货架系统可灵活扩展最多达40层，100米长[2]。而今年则推出了Flexi小车系统，为用户提供自动存储、缓冲、集成、排序的高度动态的解决方案。进一步扩展了应用面。

特格威（TGW）公司的STINGRAY可直接处理各种尺寸的存储货物，而无需额外的装载设备，最大限度降低投资和工艺成本以及交货时间。也可用于-30℃的冷藏仓库。货架系统高达25米，巷道100米长[3]。

瑞士格（SWISSLOG）同样也有CycloneCarrier箱式穿梭车系统，适用于电子商务、医药和生鲜食品，-45℃密集储存库等行业。CycloneCarrier单条巷道每小时的出入库能力高达1000箱[4]。

科纳普（KNAPP）早在2002年第一个推出OSR穿梭™系统，配置货到人原则的，通过软件KiSoft SRC对OSR Shuttle™进行控制，利用节能和智能存储策略，实现高性能，自动存储和分拣。今年又推出Shuttle™Evo新车，货架系统高达24米，巷道200米长[5]。

范德兰德（VANDERLANDE）自2010年推出多层穿梭车以后，今年推出了四向双深位的小车ADAPTO，实现了理论上由单台车完成货架区域内全空间的存储，将这一技术推到了一个新的高度。

日资企业的多层穿梭车系统，似乎没有像大福公司的同轨道双堆垛机伺服协同控制技术，村田的高速双箱堆垛机系统那么著名，但同样也有自己的产品。如：

村田（MURATEC）公司的Uni-SHUTTLE HP自动化的梭式存储和检索系统。系统中的穿梭车每层独立行驶，以每秒21英尺的速度运行，可处理各种尺寸的箱子和盒，若双侧配备双垂直升降机，可提供每小时高达1350箱的最佳存储和检索能力[6]。

国内企业近年来发展的思路，是追随国外的先进技术理念，迅速跟进。在近5年来，以货架厂为引领的，大量发展托盘式穿梭板车。多层穿梭车技术，在国内集中爆发于2015年CEMAT展会，多家厂商展出多穿车产品。虽然少有几家为自己开发的产品，多为OEM产品，但已经呈现群雄逐鹿的场景。同样也说明市场的需求热点和业界对于该项技术的认同。相比欧洲前进企业晚5年左右。这也折射出国内外的技术差距。但庞大的市场需求，将会迅速催熟这项技术。

对于车研究，现在多数实现了双向小车，并有部分规模应用。而四向小车依然是外企的市场。主要是受限于多车的调度算法。在系统的规划方面的研究，也缺乏理论的支持，相关标准和规范急待出台。对于小车的控制，多采用标准PLC产品，对车体结构的设计，缺乏细致的核算与验证。如系统的安全防范措施，维修平台设置等，往往因为国内要最求高货位储存量，而省去了这类空间或减少了防护，带来后续的使用维护成本偏高。

对于简单小系统，国内产品也可以满足用户需求，而且价格更有优势。但复杂系统（几十量小车的系统）多车的调度，国外的系统更加成熟，调度算法更优。尤其是与拣选系统的配合，国内仍然处于摸索阶段。尤其是国内装备企业，IT人才的短缺，更制约了企业在这方面的发展。

5 技术发展趋势——机器人系统

当前，物流装备行业正在历经一场巨大的行业变革，客户的新需求，市场的新模式，新兴的市场进入者，不断涌现的新技术都推动着这场变革，满足密集存储、快速拣选的多层穿梭车系统就是其中热点之一，呈现快速多变发展趋势。

多层穿梭车系统的发展，可以从轨道小车的发展的角度折射出来，从平面到空中，再从空中回到平面，从直轨到弯道，最终脱离有形轨道，进入自由运动空间，如今的人工智能、大数据、物联网等新技术，支撑着该系统的迭代升级。目前，国外已经有几家公司的产品，提供了前瞻的产品，向机器人方向发展。

5.1 弯道小车——SERVUS为代表智能机器人系统

轨道小车的发展，从往复式到四向小车，都没有摆脱直线运动，而现实中需求更加多样，尤其在工厂、车间和楼宇间的穿越，曲线可以节省更多的空间，带来更加灵活的应用场景。

奥地利科技公司SERVUS Intralogistics公司开发的自动运输机器人ARC（Autonomous Robotic Carrier），则是将小车运动轨道由直线改成了曲线。

ARC也可看成一种穿梭车，可以在一定弧度的轨道上自由运动。此举让小车从货架中应用领域，拓宽到车间层，将物流和生产连接起来，并可自动完成从收货到出货的整个过程的物流。所有内部物流流程（从仓库，办公室，生产，装配或拣配到货物发货的收货）都可以连接到一起。在频率要求不高的场合可以代替连续输送，可以在空中运输，弥补了AGV地面输送机的空间局限性，在工厂中不失为一个崭新的选择。而且成本大幅度下降。目前，已经成功推出“Servus ARC3”承载可达50公斤，可以运输大量产品和材料。

表1 国外企业的典型穿梭车产品列表

图5 SERVUS公司机器人拣选[7]

5.2 轨道小车的终结发展方向——无轨

美国的OPEX公司在2015年的芝加哥物流展上推出的快速拣选系统-IBOT，从整体上推进了货到人拣选技术，极大地提高了拣选的准确率，改善了操作工人的工作环境。分析其中核心设备即货架+多层穿梭小车，只是改变了货架结构，将小车的轨道与立柱相结合，使得穿梭车可以垂直上下运动。而不依赖于提升机，循环往复高速运动，完成货架中箱式货物的存取，每小时可以循环1000次[8]。该技术，让轨道小车由水平变成了垂直。

2017年底，法国AI机器人技术初创公司Exotec Solutions推出Skypod Robots订单机器人，则是将 “机器人”轨道小车作业从高空延伸到了地面，同AGV技术相结合，使得小车能够脱离轨道，变成“移动机器人”。

Skypod目前能将30公斤物料箱，在基于优化算法的导航控制系统下，完成空中的立体存储和水平的自由移动，实现在三维空间中自由移动。省去了传统的提升机、箱输送线，极大地减少了设备的投入，但活动空间却更加灵活自由。

图6 EXOTEC货到人解决方案[9]

5.3 与机器手的完美结合

多层穿梭车系统解决了货到人的输送，但拣选还是由人工完成。随着人工的成本增加，拣选系统必将被机器手代替，搬运与拣选的无缝衔接。因而车与机器手的协同一致，也是未来的主攻方向，视觉识别技术、机器人技术，让拣选更加精确与方便，配合车的灵活输送。无论在智能工厂的车间还是在配送中心的拣选系统中，小车与机器人的结合系统，都将在成为未来系统中的主流。

作为有轨小车的技术发展演变，已经几乎淋漓尽致，从水平直道，到垂直直道，到弯道，到无轨，已经都有所涉足。要想继续发展，恐怕只有脱开现有的硬件思路。也许不久的将来，就可以在空中实现取货了。