自动化立体仓库系统设计5313.pdf

-1-引言 随着经济全球化步骤的加快，物流供应链中蕴藏巨大潜力越来越 人们的注意。而物流中心则是物流供应链中重要的枢纽之一。它是接受并处理下游用户的订货信息，对上有供应方的大批量货物进行集中存储、加工等作业，并向下游进行批量转运的设施和机构。作为物流中心的重要组成部分，自动化立体仓库（Automatic Storage&Retrieval System）直接影响到企业领导者制定的战略和计划、指挥和调整企业的行为。关键字：货架设计 输送机设计 1 自动化立体仓库简介 立体仓库也称为自动化仓库或高架仓库，一般指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存货物，并且用专门的仓储作业设备进行货物的出库或入库作业的仓库，由于这类仓库能充分利用空间进行储存，故形象地称之为立体仓库。自动化立体仓库（AS/RS/System）一般由高货架、有轨巷道堆垛机、入出库输送机系统、自动化控制系统、计算仓库管理系统及其它周边设备组成，可对集装单元货物自动化储取和计划管理仓库。广泛应用于生产领域和交通领域，如大型生产性企业的采购件、成品件仓库、柔性自动化生产系统（FAS），交通领域的大型交通中心、配送中心等。1.1 自动化立体仓库发展历程及现状 立体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 年代初出现了司机操作的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。此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。60 年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多-2-的国家之一。在我国，立体仓库发展是从 70 年代初期开始的，是消化吸收德国西马克特兰斯普兰股份有限公司专有技术的基础上开发出来的。我国进入 80 年代以来，一些交通运输部门，物资储存部门以及现代大中型企业对老式仓库进行了技术改造，开始采用自动化立体仓库，据不完全统计，目前我国拥有立体仓库 500 于座，在 15 米以上的大型立体仓库 100 多座，起重全自动化的立体仓库有 30 多个。1980 年由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成我国第一座自动化立体仓库，并在北京汽车制造厂投产。从此以后，立体仓库在我国得到了迅速的发展。1995 年建成的仪征化纤工业联合公司涤纶长丝自动化立体仓库是目前由国内独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体仓库高度。这些立体仓库广泛使用在机器制造业、电器制造业、航空港、轻工和化工企业、商储业、军需部门等各行各业。目前我国有能力承接立体仓库设计任务的单位已达数十家。1.2 自动化立体仓库的特点 自动化高架仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。在我国，自动化高架仓库应用的行业主要有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。自动化立体仓库与一般仓库比较，各有优缺点。1.2.1 自动化立体仓库的主要优点(1)采用高层货架，立体储存，能有效地利用空间，减少占地面积，降低土地购置费用。(2)仓库作业全部实现机械化和自动化，能大大节省人力，实现“无人化仓库”，减少劳动力费用支出。(3)改善工作条件，减轻劳动强度，减少收发差错，提高作业效率。(4)采用托盘式货箱存储货物，货物的破顺率显著降低；库内容易进行温-3-度和湿度控制，有利于物资的保管。(5)货位集中，便于控制与管理，特别是利用计算机，不但能够实现全部作业过程的自动控制，而且能进行信息处理，实现库存物品的“先入先出”，并有利于防止货物和物料的丢失和损坏。1.2.2 自动化立体仓库的缺点(1)结构复杂，配套设备多，需要大量的基建和设备投资。(2)高层货架要使用大量的钢材，货架安装精度要求高，施工比较困难，且施工周期长。(3)控制系统一旦发生故障，整个仓库将处于瘫痪状态，收发作业就会中断。(4)储存货物的品种受到一定限制，对长大笨重货物必须单独设立储存系统。(5)对仓库管理和技术人员的素质要求较高，必须经过专门的培训方能胜任。1.3 自动化立体仓库的组成 自动化立体仓库是由仓库建筑物、搞成货架、巷道式堆垛机、周边设备和控制系统等组成。(1)高层货架及仓库建筑 自动化立体仓库从总体结构上看，可分为整体式和分离式两种形式。整体式是指仓库建筑与高层货架互相链接，形成一个不可分开的整体。其货架结构既是存放货物的支架，又是仓库的立柱和仓库侧壁的支撑，仓库的墙壁和屋顶都是固定在高层货架上。分离式是指仓库建筑预告成货架是互相分离的，货架安装在仓库建筑物之内。但无论哪种形式，高层货架都是主体结构。-4-(2)巷道式堆垛机起重机及周边设备 巷道式堆垛起重机，简称堆垛机，是自动化立体仓库中的主要堆垛和搬运设备。它主要由立柱、载货台、叉车、运行机构、卷扬机构和控制机构等所组成。到目前为止，航道式堆垛机已经有个很大的改进。为了提高作业能力和作业效率，其运行起升、货叉速度都有明显提高；改善了调速技术，提高了停准精度；自动控制技术和保护措施日趋完备。自动化立体仓库的周边设备，主要有液压升降台、滚式输送机、台车、叉车等。这些设备与堆垛机互相配套，互相衔接，构成一个完整的装卸搬运系统，完成物资的进出库作业。(3)自动控制系统 自动控制系统是自动化立体仓库的“指挥部”和“神经中枢”。它控制堆垛机和各种周边设备的运行，自动完成货物的存入与拣出。自动化立体仓库中的自动控制系统主要指检测装置、信息识别装置、控制装置、通信装置、监控调度设备、计算机管理设备以及大屏幕显示器和图像监视等设备。2 立体仓库系统规划 2.1 设计的技术参数(1)年吞吐量为 120 万件货物，供货率 98%、每个任务的填充数 75 件、每年周转 12 次；(2)仓库每年工作 300 天；每天工作 8 个小时，其中 3 小时入库，5 小时出库；(3)仓库规划空间：长 120m高 20m；(4)包装单元外型尺寸：400mm300mm300mm，包装货物质量 25kg；(5)托盘尺寸：800mm1200mm150mm。-5-2.2 仓库库存量及存储空间规划 2.2.1 仓库的库存量 库存的货物越多，则支持特定客户的存货可得性也就越大，调整预测误差的能力也就越强，但安全库存的水平却提高了，根据概率的大数定理，对于给定的供货率%98L，查表得库存安全系数05.2sf，则库存容量为51005.205.2121200000（件）2.2.2 存储空间规划 已知仓库规划空间：长 120m高 20m，则：(1)货架最大长度=120-输送系统宽=120-10=110m(2)货架最大存储高度=20-安全距离(0.9m+0.15+0.2=1.25m)-堆垛机下横梁高(0.6m)=20-1.25-0.6=18.15m 2.3 货物单元确定及货格尺寸设计 2.3.1 货物单元确定 在不考虑填充能力与填充量的配合性约束时，装卸单元的最优体积应为：433.2;1FAstrFEoptmfMAXvV FEv：填充单元的体积 400mm300mm300mm strf：经验系数5.0strf FAm：每个任务的填充量,即每个订单的订货量 75 FEFEoptvMAXvV3.28755.03.2;143 每个托盘放 24 件货物，选用木托盘，每个货格存放两个托盘，托盘堆垛形式如图 2-1所示 -6-图 2-1 托盘货物堆垛形式 2.3.2 货格尺寸设计 在采用托盘堆垛形式下，我们选择横梁式货架。（1）货架截面选择 横梁截面如图 2-2 所示 图 2-2 横梁截面图 立柱截面如图 2-3 所示 -7-图 2-3 立柱截面图 因为货物总重 0.63t，所以横梁截面我们可以选择第一种，又因为货架安全高度达到 18.15m，所以立柱截面可选第四种（2）货格尺寸计算 在货物单元的尺寸确定后，货格尺寸取决于货物四周需留出的净空大小和货架的结构尺寸。各个间隙的大小:侧面间隙的大小。其主要取决于堆垛机的停车精度及堆垛机和货架的安装精度。精度越高，取值越小。对于横梁式货架，在堆放三个货物单元时，取mmaa10053，在堆放两个货物单元时，取mmaa7553。垂直方向的间隙。上部垂直间隙应保证堆垛机的货叉存取货物过程中，微起升不与上部构件发生碰撞，一般取mmh1501002 宽度方向间隙。为减少货架所占仓库的面积并提高堆垛机在横梁货架卸货时货物放置的可靠性，可将货物伸出货架，即mmb503，货物后面间隙应以货叉作业时不碰到后面的货物为前提，一般取mmb1004，货格主视图和侧视图如图 2-4、图 2-5 所示 -8-图 2-4 货格主视图 图 2-5 货格左视图 托盘存放方式不同时对应的货格尺寸就不一样，托盘存放在货架上有如下两种方式：方式一、托盘长边对巷道 对应的货格尺寸为12807002725（考虑立柱与横截面宽度），布置如图2-6 所示 -9-图 2-6 长边对巷道尺寸示意图 方式二、托盘短边对巷道 对应的货格尺寸为128011001900（考虑立柱与横截面宽度），布置如图2-7 所示 图 2-7 短边对巷道尺寸示意图 2.4 货架总体尺寸设计 货架是专门用来存放成件物品的保管设备。货架在仓储设备的总投资中所占比例较大，施工周期长、消耗钢材最多，对仓库的运作模式影响极大，合理选择和设计经济的货架是很重要的。要在保证货架强度、刚度和整体稳定性的条件下，尽量减轻货架的重量，降低钢材消耗，降低货架对仓库地面承压能力和仓储面积的要求，满足仓储需要。所谓静态法就是根据仓库最大规划确定相关尺寸的方法，即由以下四个约束-10-条件中的三个来确定货架尺寸：(1)仓库长度（或货架列数）(2)仓库宽度（或巷道数及巷道宽度）(3)仓库高度（或货架层数）(4)仓库容量（或货位数）由于仓库的长、宽、高等尺寸受建筑用地的限制，货架参数的选取并非任意。在库容量一定的条件下，则货架的长、宽、高三者中的一个会成为相关变量，货架的总体尺寸的计算要根据以上约束及货格尺寸、货架的摆放方式等来确定。货架的摆放形式有如下两种方式：方式一、按照托盘长度方向平行于巷道 因为每层货格高度为 1280mm（考虑横梁宽度）,最大安全高度 18.15m，则 最大层数=2.14128018150，取 14 层 货架高度=18520600128014mm 因为每个货格长度为 1900mm（考虑立柱宽度），最大安全长度为 110m，则 货架列数=9.571900110000，取 57 列 货架长度：mm108300571900 考虑货物伸出，货架宽度为 1100mm 一排货架所用的托盘位：159625714个 仓库设计的托盘位为 205000248541.6 取 9000 个，货架排数6.515969000 所以设计 6 排货架，当储位深度为1 时，有 3 个巷道，巷道宽为 1500mm 存储区长度约 108.3m，宽度约m1.1135.161.1 面积利用率：%5.591.113.1081.113.108，-11-方式二、托盘短边对巷道 货格高度不变，所以货架层数仍取14，货架宽为 700mm 货格长度 2725mm，则 货架列数为：37.402725110000，取 39 列 货架长度：mm106375392725 每一排的托盘位：109223914 排数：5.810929300，取 10 排 当储位深度位 1 时，有 5 个巷道 存储区长度约 106m，宽度为m5.1555.1108.0，面积利用率为：%6.515.15106108.0106 比较两种方式的面积利用率可知设计时采用托盘长度方向平行于巷道方向的布置方式。3 堆垛机选型及出入库能力校核 堆垛机的主要参数包括重量和载荷参数、速度参数、工作性能参数和工作级别等。3.1 重量和载荷参数 额定起重量是堆垛机的主要性能参数，它是堆垛机允许起升的货物和托盘的质量的总和。每个托盘放 24 件货物，货重tkg6.02524,选用木托盘，重量取kg30，查表 1，可取额定起重量为0.8t.表 1 单立柱巷道堆垛机的主要性能参数 -12-3.2 速度参数 堆垛机的速度参数包括水平运行速度，升降速度和货叉伸缩速度。从平均单作业周期与速度的关系分析，当货架尺寸确定后，可用下面的几个计算式来选择速度。（1）最优行走速度：min17185.23.03.1085.05.0msmaLxx L：货架长度 m xa：堆垛机行走加速度2sm xv：堆垛机行走速度sm （2）最优升降速度：min/2.29/49.085.21083018520msmvLHvxy，y：升降速度sm H：最大升降距离 m 额定起升重（t）0.1;0.25;0.5;0.8;1.0;1.5.托盘尺寸(mmmm)800*1000*;800*1200;1000*1200 或任意 水 平 运 行 速 度(m/min)5-180（变频调速）起升速度（m/min）2/124/16,（双速）或者变频调速 3-30 货叉伸缩速度(m/min)3-15（变频调速）总功率（kw）10 整机全高(m)560 最高货位标高(m)48 导电方式 电缆小车；滑导线 通讯方式 远红外通讯；滑导线；载波通讯 控制方式 手动；半自动；单机自动；联机自动 出入库作业方式 拣选式；单元式；混合式 -13-（3）最优货叉伸缩速度：min1423.02.01.15.05.0msmaBzz，z：货叉伸缩速度sm za：货叉伸缩的加速度2sm B：货位宽度 m 通过以上计算，确定各个速度的最大值，同时在满足作业要求的情况下，尽量选取较低的速度，以尽可能地降低成本，因此通过查表 2 及验算取得：smmx56min50 smmy152min8 smmz121min5.表 2 堆垛机速度参数 3.3 堆垛机作业周期 堆垛机对货物进行存取有两种作业方式，即单一作业方式和复合作业方式。本次设计的堆垛机为复合作业方式，即堆垛机从出入库台取一件单元货物送到选定的货位，然后直接转移到另一个给定货位，取出其中的货物单元，再回到库台。采用这样的作业方式可以减少堆垛机的存取作业周期，提高堆垛机的作业效率。3.3.1 平均单作业周期 一般取货架参数1，st1050，这里取st80 -14-sLaattExzzxxyts33.1453420 sBtyy25.81521.1 故单作业每小时作业次数为：小时次小时次/248.2433.1453600 3.3.2 平均复合作业周期 sLLaattExxzzxxyts05.2103014342340 故复合作业每小时作业次数为：小时次1.172103600 3.4 仓库效率校核 堆垛机的作业能力：小时托盘243600tsEP 理论出入库能力：小时托盘6.5532430012000000P 使用 3 台堆垛机，每台负责一个巷道，0PP3。4 输送系统设计 在自动化仓库的出入库系统中，为了完成托盘物料的自动化入库作业，采用托盘自动化系统对托盘物料进行输送已十分普遍。但由于出入库能力的不同，对于托盘自动化输送系统设备的选择和布局，将直接影响输送效率和项目成本。立体仓库按作业方式可分为同端出入式、贯通式、旁流式三种，在本设计中-15-我们采用同端出入式 4.1 输送机速度参数设计 在本次设计的仓储系统中，其可能出现的高峰在入库三小时里，如果输送机满足这 3 小时的工作量，那么肯定能满足其他情况下的工作量。而输送机的输送能力必须与堆垛机出入库能力配合，由此可计算出货物之间的间距，其计算公式为：sz3600 z：堆垛机出入库能力，v：输送机输送速度 s：输送物品间距 取sm20.0，得ms10 4.2 输送机尺寸参数设计 4.2.1 辊子长度 对于托盘货物来说，在不影响正常运输和安全的条件下，直线段辊子长度的计算公式如下所示：BBLg gL：辊子长度，mm B：件货宽度，mm B：宽度裕量（50150），mm 取800B，查表 3 得mmLg1000.表 3 辊子长度 -16-4.2.2 辊子间距 辊子间距应该满足运行中货物稳定性要求，即一般情况下按照下式选取：LP31 对要求平稳的物品Lp5141，查附表 4 可取mmP315.表 4 辊子间距 4.2.3 辊子直径 辊子轴径与辊子的承载能力有关，可按照下式选取 FF F：作用在单个货物上的载荷，N；F：单个辊子上的许用载荷，N；nkkmgF21 m：单件货物的重量 1k：单列辊子的有效支承系数，与货物的地面特性及辊子平面度有关，一般可取7.01k，对于底部刚性很大的货物可取5.01k 2k：多列辊子不均衡承载系数，对单列辊子12k，对双列辊子8.01.02k，n：支承单件货物的辊子数 F 在此主要用于校核，可不做考虑 -17-75.63431531200D，查表 5 取60D，取12d.表 5 辊子直径和轴径 4.3 输送方式确定 在出入库口我们采用链式输送机作为衔接，对于直线段处的输送机则选用辊子输送机 每台辊子输送机有齿轮传动式电机驱动，在需要的地方设有电磁制动器，辊子的运动是借助一条带有防护的链条实现的，每一个单元均装在一个预置的框架上，此框架装在输送机系统的支持钢结构上。输送系统简图如图 5-1 所示 图 5-1 输送系统简图 5 小结与体会 在本设计中并没有考虑储位深度为 2 时的货架布置形式，在实际情况下储位深度为 2 时的面积利用率更高。另外在巷道数为双数的情况下，可以考虑转轨，只要堆垛机能满足其理论出入库能力，这样可以减少设备成本。通过这次设计任务，我对仓储技术与装备有了深入的了解，对仓储系统有了质的认识，这些对我以后的学习和工作奠定了良好的基础。