軸承成品自動化立體倉庫的設計

王兵信，溫優優，鈔仲凱，毛雨欣，李暢

（1. 中機十院國際工程有限公司，河南 洛陽 471039；2. 洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039）

1 概述

物流倉儲自動化、智能化的產生源于 20 世紀 50 年代的美國，1963 年美國率先在高架倉庫中采用計算機控制技術，建立了第一座計算機控制的高架倉庫。此后自動化高架倉庫在美國和歐洲得到迅速發展，并形成了專門的學科。目前許多跨國集團、大型企業均采用這種倉庫，如可口可樂、沃爾瑪等。而中國自動化立體倉庫的發展可以追溯到上世紀八十年代，當時國內倉儲設備市場處于起步階段，因自動化技術的應用有限導致發展比較緩慢。隨著當前中國經濟的快速增長和物流行業的發展，企業間的競爭越發激烈，自動化立體倉庫逐漸成為各行各業的關注焦點。

軸承是工業生產和機械設備中不可或缺的基礎零部件，它在各行業中都有廣泛的應用，在我國的機械制造業中具有重要的地位。隨著自動化、信息化、物聯網技術的應用，自動化立體倉庫在軸承行業中的應用也日益普及。因自動化立體倉庫在軸承行業中具有存儲密度高、存取效率高、自動化程度高等特點，能夠提高軸承行業的存儲和物流效率，降低成本，提高市場競爭力，應用前景越發廣闊。

2 自動化立體倉庫業務流程及建設需求

軸承成品自動化立體倉庫的構建用于滿足業務需求。軸承成品倉庫的日常主要有成品入庫、出庫、盤點三項基本業務，業務流程分別為：

（1）入庫

生產車間發起入庫需求→成品運達指定入庫位置→確認成品信息（型號、數量、狀態）→堆垛至庫位

（2）出庫

銷售部門發起出庫需求→成品到達指定出庫位置→確認成品信息→分揀→運至裝車位置

（3）盤點

盤點業務為庫房管理部門定期或不定期對實際存儲情況進行核查，與服務器端數據庫信息進行對比，核對兩者是否一致；若不一致，則以現場實際數據為標準對數據庫信息進行修正。

結合軸承行業的特點，軸承成品自動化立體倉庫建設主要有以下五個方面的要求：

（1）高效倉儲

軸承行業的生產和銷售規模比較龐大，有大量的軸承產品進行倉儲和分發。自動化立體倉庫需要進行高密度存儲和快速取貨，提高倉儲效率，減少人工操作和等待時間。

（2）精確管理

軸承行業的產品類型繁多，不同型號規格的軸承要分類管理。自動化立體倉庫需要精確管理軸承的庫存數量、位置和狀態。

（3）質量保證

軸承作為重要的機械零部件，其質量對于主機設備的正常運轉至關重要。自動化立體倉庫需要盡量避免人為因素對貨物造成的損壞和誤操作，保證貨物質量的穩定可靠。

（4）接單迅速

軸承行業的訂單量較大，對訂單的快速處理和準時交付有較高的需求。自動化立體倉庫需要實現訂單的快速分配、貨物的快速取出，提高訂單處理速度和客戶滿意度。

（5）數據支持

軸承行業需要對倉庫運營和庫存情況進行實時監控和數據分析。自動化立體倉庫的管理系統需要可提供實時的數據報表和分析，幫助經營管理者做出準確的決策。

3 自動化立體倉庫的構成與選擇

軸承成品立體倉庫主要由倉庫建筑、立體貨架、輸送設備、管理系統等硬件與軟件所構成。在設計自動化立體倉庫時，需要綜合考慮貨物的吞吐量、周轉率、裝載單元尺寸等參數來確定立體貨架的高度、長度與布置形式；再對貨物在庫內流動的時間進行分析，確定各相關設備的能力，為設計自動化立體倉庫提供科學依據。

3.1 倉庫建筑

倉庫建筑在廠區內的位置要充分提升空間使用利用率，協調與相關聯的生產廠房之間的物流關系，使物流便捷、順暢，節省運輸成本。倉庫建筑考慮到貨物的存儲容量和流動性，通常采用高大的建筑結構，配備適當的出入口和貨物運輸設備的通道，共同完成軸承成品的存儲、分發、裝卸、配送任務。同時還要配備人員辦公輔房、公用設備用房。

倉庫建筑內需保持通風、清潔以及適宜的溫度、濕度，軸承存放位置應避免陽光直射。若有條件，倉庫內設置通風空調系統保持溫度為15～25 ℃，相對濕度 80% 以下。

軸承所用紙箱、木托等包裝材料重量通常不大于軸承本身重量的 1/4，包裝材料體積不大于軸承本身重量的 1/2，此類倉庫建筑定性為戊類火災危險等級。另外，按照我國現有消防規范要求，高架倉庫應設置自動滅火系統。

3.2 立體貨架

軸承成品自動化立體倉庫的貨架高度一般設置為 7～30 米，采用裝配式鋼結構系統，這對貨架立柱、橫梁、拉桿等構件的剛度和強度要求較高，貨架立柱和橫梁需用優質鋼材，同時要保證優質的制造精度和良好的防銹蝕性能。貨架的最大長度取決于一臺堆垛機在一條通道中所服務的貨位數量，由一臺堆垛機上、下貨的貨架的最佳長度在 80～120 米[1]。

軸承成品有的采用紙箱包裝后碼垛在托盤上運輸，有的是直接碼垛在木箱或紙箱中運輸，流通市場中最常見的是采用托盤運輸，本文中的自動立體倉庫設計以托盤運輸為例。托盤是立體倉庫中存放貨物的器具，其與軸承成品一起構成自動化立體倉庫的基本裝載單元。按照我國發布的《聯運通用平托盤 主要尺寸及公差》（GB/T 2934—2007）推薦使用托盤的平面尺寸為 1.2米×1 米，由于存在有不同軸承型號尺寸差異、包裝物尺寸誤差、堆放間隙、偏移量等，堆放最大貨態尺寸可按 1.3 米×1.1 米×1.1 米（長×寬×高）設計。此外，每個裝載單元平均載荷可按1.5 噸，立體貨架地面集中載荷 5～20 噸，地面平均載荷 3～10 噸 進行初步設計，具體設計時需要根據生產綱領中不同類型、尺寸段軸承的重量綜合考慮。

貨架布置形式通常采用兩排相鄰的貨架與一臺堆垛機構成一個巷道，軸承成品自動立體倉庫一個巷道的總寬度可按 4 米進行設計。庫內物流按流向劃分主要有兩種類型，詳見圖1 所示。

圖1 庫內物流流向圖

Ⅰ型是在一端入庫作業，另一端出庫作業。U 型是在倉庫一端同時進行入庫及出庫作業。相比較而言，Ⅰ型效率較高，而 U 型物流管理和經濟方面較好[1]。具體哪種流向形式應綜合考慮現場條件、生產綱領、裝載單元的搬運和管理因素。

按立體貨架與倉庫建筑之間的關系可分為整體式貨架與分離式貨架。整體式貨架與建筑固連在一起，貨架包含了建筑物的某些構造，如房頂、外墻，并相互支撐，它省去了柱子，結構合理、布置緊湊，高度大的貨架幾乎都采用整體式。分離式貨架又稱單體式貨架，是在屋頂較高的建筑物內設置的獨立貨架，在倉庫規模較小，貨架高度 6～9 米時采用此類貨架。

3.3 輸送設備

輸送設備用于軸承成品的運輸和存儲，主要包括輸送機、堆垛機、AGV。輸送機主要用于輸送裝載單元，由驅動裝置驅動傳動帶、鏈條或滾筒等方式，將貨物從一個位置輸送到另一個位置。輸送機的連接通常采用非焊接方式，便于維修裝拆。輸送機控制系統通過輸送機上的位置光電傳感器判斷托盤的狀態，自動控制輸送機實現托盤的進出、到位和停止。

堆垛機在貨架的巷道內來回運行，將位于堆垛機取貨站臺的貨物存入貨格，或者取出貨格內的貨物運送到堆垛機放貨站臺。堆垛機主要由金屬結構、載貨臺、水平運行機構、起升機構、貨叉伸縮機構等部件組成。由行走電機通過驅動軸帶動驅動輪在下導軌上做水平行走，由提升電機通過鋼絲繩帶動載貨臺做垂直升降運動，由載貨臺上的貨叉做伸縮運動。行走認址器用于控制堆垛機水平行走位置，提升認址器用于控制載貨臺升降位置。堆垛機存取貨物周期可通過計算位于自動化立體倉庫平均位置的托盤的單循環時間得到，該周期是選擇自動化立體倉庫的基本單位。

AGV 是一種自動化導引車輛，通常采用無人駕駛的方式進行運輸。它配備有導航系統、傳感器和控制系統，可以根據倉庫布局和需求，自主地在倉庫內進行貨物的運輸和分發。AGV 導航系統有磁條、磁釘、激光、二維碼、輪廓、GPS、視覺等多種導引方式，具體選用可根據場地環境、路徑、導航精度、維護等情況選擇適合的方式。

3.4 檢測裝置

檢測裝置用于對待入庫的裝載單元長、寬、高進行紅外光電掃描，對重量采用傳感器進行檢測，判斷是否超過設定值，若檢測合格允許入庫。若超過設定值，在系統里則視為不合格，要求發出聲光報警并在電子顯示屏上顯示，并由控制系統退回且向系統報告超差情況，返工合格后可再次入庫。另外，考慮到采用托盤轉運貨物存在散托的風險，在輸送設備上增加薄膜纏托設備對貨物進行防護。

3.5 控制與管理系統

控制與管理系統是整個立體倉庫運作的核心，通過集成倉庫內各個設備來控制并協調倉庫內各種設備和物流流程，以實現高效的貨物存儲和取貨, 參見圖2。系統實現倉庫的信息化管理；主要包括對廠房、庫位、堆垛機、碼垛機器人、用戶、業務單、貨箱、托盤等的標簽數據化管理；對物料進出庫業務的自動化搬運，采用RFID 無線掃描技術對所有的實體硬件進行標簽數據化，采用 C/S 模式通過 Web Service 接口調用方式實現手持終端和服務器端的數據交互。系統同時具有良好的擴充性和開放的數據接口，能夠與其它信息系統如 ERP、MES 等進行數據交換。

圖2 管理系統架構圖[2]

4 結論

軸承成品自動化立體倉庫與傳統倉庫相比，可提高空間利用率，節約土地，加快貨物的存取節奏，減輕勞動強度，提高生產效率，形成先進的物流系統，提高企業生產管理水平。

隨著自動化技術的不斷進步和成本的不斷降低，自動化立體倉庫在軸承行業內的應用將會更加廣泛，為軸承行業智能制造轉型升級、提高生產效率、降低成本等方面帶來重要影響。同時，軸承成品自動化立體倉庫智能化探索是一個較為復雜的系統工程，需要綜合運用多種技術手段，最終實現軸承成品倉庫的高效、準確和智能化管理。