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文 献 综 述 1 课程研究的背景与意义随着经济全球化的发展与电子商务的迅速崛起，物流服务业发展迅速，人们的消费观念也随着越来越便捷的购物方式而发生改变，人们的消费活动变得愈发频繁，而消费品的迭代速度增幅迅猛，从而导致了消费者对货物的需求量越来越大，同时也对物流中心分拣与配送需求大幅增加。这些高需求对物流系统的要求不断提高，迫使物流技术不断升级，同时也对物流装备企业带来了新的发展空间。 在现代化的仓储管理中，仓库已不再是传统的货物存储空间，而变成了一个经济范围巨大的商品配送服务中心，或者称之为自动化的立体仓库。它不仅能在不增加占地面积的基础上提高存储量，而且能通过穿梭车系统高效地完成对货物的存取与检索功能，减少了人工作业量。因此，对于那些需求量大、迭代速度高的小件箱式物料来说，以穿梭车为核心的自动化仓储系统的仓储管理优势将更加明显；并且该系统减少了工作人员的直接参与过程，使货物的存取更安全高效。[1] 2 发展历史、现状及发展趋势2.1 技术的起源传统的自动化立体仓库始于60~70年代，当时立体货架上货物的存取主要依靠巷道堆垛机，然而堆垛机每次作业只能取一到两个单元的货物，尽管堆垛机的速度不断提升，也无法再适应当今物流发展对自动化立体仓库货物存取速度的需求。因此，为了满足市场上急剧增加的小订单需求，达到更高的取放频率，多层穿梭车系统应运而生。该系统的核心组成设备为穿梭小车，小车的作用代替了堆垛机的载货台，而且每次都能独立运行，解决了同层平面上的货物存取。通常在货物的端部配备提升机，解决垂直方向上的动作。通过穿梭车与提升机的配合总体上分解了原有堆垛机的动作。该系统相对于传统堆垛机具有以下优点： 1、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。 2、可在同一通道内使用多台穿梭车，因此此种系统的处理能力比传统的要高出许多倍。 3、提升机对货物的提升高度比堆垛车高，因此立体仓库可以在不增加占地面积的基础上扩大货物的存储量。 2.2 国内外技术发展现状穿梭车按照输送货物单元类型可以分为托盘式穿梭车和箱式穿梭车，按照其作业场地不同，可分为输送型穿梭车和存取型穿梭车。此外，从载荷及存储形式看，还有单工位单深度、单工位双深度、单工位多深度、双工位单深度、双工位双深度、双工位多深度，以及多工位的诸多变化；但应用最多的还是单工位单深度和单工位双深度两种形式。 相对于输送型穿梭车超过50年的发展历史，存取型穿梭车的历史要短得多。最早的穿梭板和子母车应用到现在也不过20年历史，而四向车的应用则是最近10年以内的事情。究其原因，可能主要是电池技术和充电技术的限制所致，当然，网络技术和通讯技术的发展也是重要原因。 2.2.1 托盘穿梭车托盘式穿梭车的应用，彻底改变了密集存储系统的概念，甚至可以说是一种颠覆。从简单的穿梭板应用，到子母车，再到四向车系统，其发展轨迹一直围绕着密集存储进行。与传统的AS/RS系统相比，根据方案不同，其存储密度会提高30%～50%不等，而且最大的优势是：四向穿梭车不受空间形状的限制，几乎可以在任意的空间中布置，这是AS/RS所无法比拟的优势。虽然AS/RS系统也有双深度存储技术以增加存储密度，但无论存储密度还是对空间的要求，都与穿梭车优势相去甚远。 2.2.1.1 穿梭板早在1972年，加拿大一家公司APLITEC LIMITED 在英国申请了一种自动化存储系统，该系统已经开始使用具有举升功能的双向穿梭板，该穿梭板与一种可在巷道内双向移动，且自带提升机的堆垛机配合，完成货物从输送台到多深位存储格的转运功能，具体工作过程为穿梭板携带货物一起搭载到堆垛机的提升机上，由堆垛机的巷道穿梭运动定位存储格的x坐标，由提升机的升降定位存储格的z坐标，确定后由穿梭板沿y方向运动将货物送至存储格的最深位置。由于堆垛机要负责将待处理货物进行两个方向的转移，所以当物流量加大时，堆垛机的定位速度将成为整个存储系统处理效率提升的最大瓶颈，并且该堆垛机的使用限制了穿梭车的数量，如果对物流量小的仓库，该系统可以满足无人存储，只需将待存取的货物的位置信号输送给计算机，控制堆垛机，提升机以及穿梭车所需行进的距离即能实现货物存取。[2] 国内有研究人员曾发表了一篇自动穿梭板的设计及应用[3]，该文献着重介绍了一种轨道搬运机器人——自动穿梭板的设计，并对该系统进行了优化与调度，相对于以堆垛机为核心搬运机构的巷道式货架立体仓库，该系统有更高的存储密度和作业效率，并且能降低设备投资成本。该系统所使用的穿梭板为双向穿梭板，所以其运动的范围局限在某一条巷道内；利用举升机的升降来存取货物，配合堆垛机完成从货架到拣选台的转运。 文献[4]基于双向穿梭板的密集式药品仓储系统，首先以某药品仓库为背景，确定该仓库的内货物的参数以及用户的需求，通过FlexSim仿真分析了巷道堆垛机仓储方案和双向穿梭板密集式仓储方案，通过工作表现方面结果的对比得出了双向穿梭板相对于传统的巷道堆垛机仓储系统的优势。 在穿梭板的结构设计方面，文献密集仓储系统中往复式穿梭车设计[5]主要侧重于对穿梭车行走与举升单元机械结构的设计及PLC控制系统的设计，包括各组成部分机械结构设计，电动机选型分析，控制系统设计方案等。 2.2.1.2 子母式穿梭车法国申请人Savoye Logistics于1999年申请了一种自动存取货架（FR9912259A）[6]，这套系统由多排货架、升降机、母穿梭车、子穿梭车组成，升降机带动母穿梭车沿垂直方向运动，存储格内设有供字穿梭车穿行的轨道，子穿梭车携带货物驶入或驶出母穿梭车，实现货物从母穿梭车与存储格之间的转移。当存货物时，母穿梭车运动到升降机上，升降机下降并与底部的输送机相对接，将货物输送到母穿梭车上，升降机上升到指定的层，然后母穿梭车驶入通道，停在指定的存储格前，子穿梭车从存储格内驶入到母穿梭车与货物之间的空隙处，将货物顶起然后返回存储格内放下，即子穿梭车在功能上相当于穿梭板，其次，母穿梭车也可携带子穿梭车实现子穿梭车在不同存储格间的转移。该系统的最大特点是每一个机构都只负责一个方向的直线运动，分工更细化，所以该系统更能适应较大的物流需求，能满足更大的货物密度。 浙江余姚市供电公司曾以南京六维物流自动化设备公司设计的驶入式小车为例，详细介绍了子母式穿梭车的系统构成以及技术参数，分析了子母式穿梭车的主要功能，并介绍了该车所在货架系统的系统构成。[7] 文献[8]讨论了使用以子母式穿梭车为核心的AS/RS系统改进的可能性。原来系统中的双命令周期中的时间间隔被取消，从而大大提高了吞吐量，该系统被扩展为在一个周期内执行相当于两个双命令的四重命令模式，作者提出了一种在QC模式下最小化行程时间的序列检索启发式算法。经仿真结果表明，该启发式算法性能良好，与双指令循环相比，具有较大的吞吐量。[9] 2.2.1.3 四向穿梭车目前市场上大部分使用的是往复式的穿梭车，而四向穿梭车是近几年物流设备的一个新的发展方向。国内已经有许多相关专利，也有许多物流装备公司也开始制造此类穿梭车。该小车的一个最大的优势是可以在四个方向运动，打破了原来往复运动的局限，且能省去子母式穿梭车出入货架行走换向的麻烦，从而大大增加了小车的灵活性与便捷性，这使得仓储搬运效率的进一步提高成为可能。 申请人昆明欧迈科技有限公司与2013年申请了一种密集式双向穿梭车自动存取仓储物流装置（CN203294644U）[10]。该申请中的穿梭车为双向穿梭车，可横向与纵向运动，一台穿梭车和升降机配合便可实现高密度存储，减少了设备投入成本。 我国牛眼智能物流设备公司申请了一项四向穿梭车的专利[11]，该小车的车架上安装有指令接收控制装置，用于接收指令并根据指令对变向装置、双向驱动装置和货物顶升装置进行控制；变向装置包括横向驱动轮、纵向驱动轮和控制横向驱动轮或纵向驱动轮升降的第一升降油缸，两类驱动轮垂直布置，通过第一升降油缸驱动两轮升降；双向驱动装置,用于控制横向驱动轮和纵向驱动轮转动；货物顶升装置包括：升降板和第二升降油缸。 密集存储系统的应用场景非常多，如烟草原料和成品、食品饮料、工业制造等行业，尤其在冷链物流领域有很大的用武之地。传统的冷库不仅空间利用率低，而且作业环境非常恶劣，托盘式穿梭车的发明大幅度提升了存储密度，也改善了作业环境，可谓一举多得，市场前景非常广阔。目前存在的问题是，由于穿梭车系统对货架要求比较高，增加了系统的成本，为需要快速入出作业的系统带来了成本压力。 2.2.2 箱式穿梭车如果说托盘式穿梭车是为密集存储而生，箱式穿梭车则完全是为拆零拣选而生，一个巷道可以达到每小时1000余次的拣选作业量，这在以前是无法想象的。 湖北九州通达科技开发有限公司发明的一种多层箱式穿梭车立体仓库[12]，其特征在于：货物存储机构,包括多个存储层,存储层中的至少一个为出入库输送层,每个存储层均设有多个货位以及至少一个运送通道；多个出入库机构,设置在出入库输送层上,包括入库组件以及出库组件；至少一个货物运送机构,用于对货物进行运送,其中,货物存储机构具有多个升降通道单元,该升降通道单元呈矩阵式排布,每个升降通道单元包括沿竖直方向延伸的入库升降通道以及出库升降通道,入库组件用于将货物升降移动至预定的存储层,进而让货物运送机构将货物移动至预定的货位,出库组件用于在货物运送机构将货物移动至出库升降通道后,将货物下降移动至出入库输送层。 箱式穿梭车在拆零拣选方面的应用更为广阔，可以适应于多种现场情况，这是与miniload不同的地方；此外，miniload的存取能力受到限制，无法满足“货到人”拣选的需求。与传统的阁楼式货架比较，穿梭车系统存储效率更高，拣选更为准确，对人的需求也大幅度降低，这是其具有巨大优势的几个方面。当然，成本是其劣势之一。但随着人工成本的不断增加，这一点很快会达到平衡，并显示出优势。 2.2.3 其他新型自动化仓储管理系统近年来，有许多形式新颖，功能强大的物流装备渐渐在各大科技博览会、科技资讯媒体上出现，如菜鸟新一代智能仓实现了超千台机器人搬运纸箱[13]，在AI的调度下，千台机器人分工有序，其中全自动的立体库实现商品的无人化存储与搬运；机械臂完成商品的分拣；AGV机器人、无人叉车完成搬运、拣选；打标设备给包裹贴上电子面单；分拣机器人负责将包裹分类；智能输送分拣体系将包裹送往制定发货路线装车......其发货能力相较于上一代又有较大提升。 此外，沈阳新松机器人自动化股份有限公司研发了多层堆垛机系统[14]，此系统适用于料箱立体仓，该系统的效率与成本都介于堆垛机系统与多层穿梭车系统之间。从设备组成上来看，该系统包括货架系统、多层堆垛机、双臂提升机、输送系统。多层堆垛机是整个系统的核心设备，其功能与传统堆垛机一样，但是在设计时更加注重其轻量化。 随着电子商务、服装、药品流通和快销品等行业的快速发展，物品流通呈现高时效、多品种、小批量的特点，该特性决定了在仓储环节中存储的周期变短、系统出入库作业的频率增加，对仓储的核心设备在性能上由了更高的要求。因此，穿梭车式密集仓储系统开始朝着满足“货到人”拣货模式的高流量需求方向发展。目前国内有上海快仓智能科技有限公司申请的一种仓储物品无人自动搬运系统（CN104129591A）[15]、以及贵阳普天物流技术有限公司申请的密集立库货架的自动存取方法及装置[16]等，其存放方法大致相同，都为在密集立库货架上设置托盘支撑梁,托盘支撑梁上摆放有托盘,以一个托盘作为一个基本存放单元；在托盘支撑梁下方的密集立库货架上设有轨道支撑块,在轨道支撑块上铺设轨道；轨道上设有至少一个转运车,转运车上设有举升总成,举升总成可将托盘连同托盘上的货物一起托起,实现货物的自动存取。本发明可以使货仓的货架摆放更紧凑,使仓库的货物存放量大幅提高。转运车体积小巧,运行平稳,可采用多台转运车同时运行,明显的提高了出入库的效率,缩短了出入库的时间,运行过程中故障率低,提高了出入库的可靠性。 2.3 技术的发展趋势当前，基于穿梭车与提升机的物流仓储管理系统是大多数物流公司使用的系统，因此在一款性能更强大的系统发明出来并流行之前，现有的系统将一直处在性能改良的状态，因此系统性能的评估具有重要的理论和实践意义。在文献Innovative travel time model for dual-shuttle automated storage/retrieval systems中[17]，作者提出了一种新的方法来估计最近出现的AS/RS多穿梭车系统的输送时间。该提案基于欧洲机械制造联合会（F.E.M.）制定的工业标准。为了估计旅行时间，作者进行了蒙特卡罗模拟，确定了F.E.M.没有给出的两个附加代表点的坐标，然后进行了新的蒙特卡罗模拟，将他们提出的方法所得的结果与以前基于Bozer和White的科学文献中的方法和模型所得的结果进行了比较配方。实际工业应用证明了该方法的有效性。 文献[18]研究了存储条件下多穿梭车自动存储/检索中存储位置分配和存储/检索调度的联合优化问题，提出了一种能提高AS/RS性能的优化算法。在参考文献[19]中，作者着重分析对比了当时各物流公司流行的整体式穿梭车与性能更优越、成本更昂贵的子母式穿梭车的性能，主要得出了如下结论：一种新型的自动化仓储系统如果需要得到广大物流公司的青睐，其性能优越性所产生的经济效益必须要弥补其设备成本投入，否则几乎没有哪家公司会选择一款性能相差不大但价格昂贵的物流设备。 发展至今，自动化仓储系统以及发展得十分成熟，实力雄厚的物流公司一般都自行研发适合自身特点的仓储管理系统，但就目前来看，最广泛应用的依然是以穿梭车为核心设备的自动化仓储管理系统，但是目前未来该技术的发展必将脱离现在的局限，比如从平面到空中，再从空中回到平面；从直轨道到弯轨道，最终脱离有形轨道，进入自由运动空间；更加成熟的多车调度算法，也将使仓库中工作的穿梭车密度越来越大，使存取效率进一步提高；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。[20]
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研 究 方 案1.设计目的运用大学所学机械专业相关理论知识，对无人爬升穿梭车的整体方案、供电系统、行走电机及驱动器、爬升电机及驱动器、输送电机及驱动器、减速器、行走轮系等进行选型或设计。 2.本课题主要解决的问题
3.本课题拟采用研究方法与途径
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参 考 文 献
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