作者：張衛國

隨著物流產業的迅猛發展，托盤四向穿梭式立體庫因其在流通倉儲體系中所具有的高效密集存儲功能優勢、運作成本優勢與系統化智能化管理優勢，已發展為倉儲物流的主流形式之一。

托盤四向穿梭式立體庫

托盤四向穿梭式立體庫即：在合適結構的倉庫建筑內采用多層托盤四向穿梭式高位貨架、出入庫托盤自動輸送機系統（含各種輸送機、AGV對接配套等）、托盤貨物外形尺寸檢測、條碼閱讀系統、自動揀選與分揀系統或其他自動化控制系統、自動識別系統、通訊系統、計算機監控與控制系統、計算機倉儲管理系統（WMS）以及其他如電線電纜橋架與配電柜、托盤四向穿梭車與托盤單元系統、上料架與調節平臺、鋼結構平臺、叉車等物流設備與輔助設備組合組成的復雜系統,以實現單元托盤貨物的高效密集的倉儲作業，分半自動化和全自動化作業兩種主要形式，其中依靠叉車等人工操作的搬運存儲設備對存儲貨物單元進行鋼貨架存儲區外的倉儲作業，并將出入庫貨物單元暫存于貨架庫位操作端的交換貨位上（如上料架、貨架可人工操作的或叉車作業的第一托貨位等），然后通過托盤四向穿梭車進行出入庫貨位貨物交換、庫層平面內的存儲搬運或結合貨物提升機實現庫層平面之間的換層作業，其中庫層可以是分塊獨立存在或通過軌道連廊貫通的，其整個倉儲作業形式為半自動化模式，不能通過倉庫周邊設備，如輸送線等構建完整的自動化、智能化的連續出入庫作業；

全自動化模式則有：存儲貨物單元根據電子計算機的指令或上位管理信息系統可自動化實現庫內存儲搬運與庫外作業的自動化有機結合，在庫內靠托盤四向穿梭車系統、貨物提升機、輸送分揀系統等實現倉儲自動化作業，而在庫外通過輸送線、AGV等多種物流設備的組合，構建庫內庫外作業的自動化、智能化對接作業，真實實現動態物流管理，該模式下存儲單元的物流依靠搬運周轉設備（以托盤四向穿梭車+貨物提升機）實現水平平層和垂直換層移動，可對指定貨格中的存儲單元進行存儲調度作業，或用托盤自動輸送機系統進行貨物單元的進出庫的自動化作業，實現存儲物品的高效自動化、智能化存儲管理的目的，以實現緩沖、調節、集散和平衡的倉儲管理作用。

托盤四向穿梭式立體庫兼具穿梭車貨架庫（托盤二向貨架庫、子母穿梭式貨架庫等）和巷道式自動化立體庫的優勢，存儲空間利用率高、貨物存取靈活、自動化程度高、所需作業人員少，物流設備的柔性化組合性高，能夠滿足多種庫房條件的建設需求。

托盤四向穿梭式自動化密集倉儲系統的主體結構

上海速銳于2012年展開系列托盤四向穿梭車及其系統的研發工作，并于2014年推出第一代試驗車和試驗庫，2015年實施并完成第一個海爾智慧家電工廠的托盤四向穿梭車產線配套案例庫，此后兩到三年推出一代更新迭代托盤四向穿梭車，目前已經實現第四代托盤式穿梭車的量產（主要特點是實現了全行業的液壓驅動結構的最薄款，整機高度僅126mm，甚至比兩向穿梭車的整機都薄，可有效壓縮穿梭車層的設備占用空間，為客戶高效利用倉儲的立體空間提供了更優解決方案），并在多行業成功實施案例庫。托盤四向穿梭式自動化密集倉儲系統的核心設備包括托盤四向穿梭車、專用垂直提升機和配套貨架，托盤四向穿梭車結構緊湊、運行速度快，采用無線通信，多臺托盤四向穿梭車以編組形式工作，可協同配合，以滿足不同場所的應用需求。托盤四向穿梭車不僅能夠在配套的貨架軌道上四向行駛，還能利用垂直提升機在貨架內實現換層作業，提高了貨架布局和庫內作業的靈活性。

2.1系統組成

穿梭式貨架系統加托盤四向穿梭式系統、專用垂直提升搬運存儲系統，稱托盤四向穿梭式自動化密集倉儲系統，包含WMS、WCS、無線基站AP、服務器及終端、多層貨架及其周邊設備等組成，托盤四向穿梭式自動化密集倉儲系統則由穿梭車本體依據作業指令實現同一平層作業巷道的四向物流作業，可實現同層任意儲位的存儲調度與管理，再結合提升機實現智能穿梭單車或存儲物品的換平層作業，以實現存儲單元在整個存儲區域內的三維動態化存儲管理，是穿梭式立庫建設與改造的升級換代，也是智能化穿梭密集存儲的理想物流形態之一；托盤四向穿梭式自動化密集倉儲系統的管理控制信息系統負責整個貨架系統內部設備的運行狀態監控和調度。貨架系統內托盤四向穿梭車和垂直提升機的數量配比、部署位置等由作業需求（作業效率、出入庫方式）決定，可動態調整。貨架貨位通過存儲巷道軌道連接，單一貨架層內的存儲巷道通過主軌道連接，各個貨架層之間的主軌道通過垂直提升機連接，所有相連的軌道形成一個軌道交通網。在這個交通網內，包括存儲貨位、存儲軌道、主軌道、垂直提升機和貨架端口等設施設備，其中存儲貨位位于存儲軌道上，存儲貨位和存緒軌道都位于存儲巷道內。在一個存儲巷道內，存儲巷道軌道將多個貨位連接形成一個貨格。若存儲巷道兩端均可進出貨物，則還可從存儲巷道中部某處將其切分為兩個相鄰貨格。

經過多年來的技術更新與實踐，托盤四向穿梭車在速度、效率和可靠性方面都有了很大提升，與自動化巷道堆垛機、提升機等都具有良好的兼容匹配性，確保了整體選配系統的高可靠性、系統的運行效率和質量；選用或建造何種主體物流工藝的立體庫，需要根據客戶的具體需求、區域、地理環境與操作運行環境、投資運營成本、運行效率、供應商的資質與完成實際案例的質量、選用系統的可靠度等因素而決定。

圖1  托盤四向穿梭式自動化密集倉儲系統

2.2托盤四向穿梭車

托盤四向穿梭車是實時動態調度整車沿定制導軌路徑上進行前、后、左、右四個方向上運動行駛與托盤貨位智能化存儲的軌道式自動倉儲貨架內物流存儲設備，可實現在鋼貨架內縱橫配置的專用軌道上前后雙向行駛、軌道節點處原地更換行駛軌道并相對的轉換左右雙向行駛的運動模式，任意貨位原地舉升或放置托盤貨物單元，并實現隨車運行或存儲的自動搬運存儲過程，實時動態管理整車的運行狀態與數據信息交換、整車倉庫貨架內交通與存儲位置等信息，并通過垂直提升機的協助完成托盤貨物在垂直方向的運輸，實現托盤類貨物單元在貨架內換層與搬運；具有三個維度的實時調度與運維能力，以負載大、可靠性高、對環境要求低的優勢常用在托盤類存儲單元的線性布置與規劃、重型轉運及復雜環境的倉儲系統中，是托盤類貨物單元的自動化、智能化存儲搬運的主流解決途徑之一，是保證系統內托盤存儲貨物的轉運效率、質量及系統穩定的從靜態物流向動態物流發展的關鍵物流存儲設備，是托盤四向穿梭式自動化密集倉儲系統中的主要設備之一。

機械結構是托盤四向穿梭車各功能實現的基礎和根本保證，結構設計的是否合理性將會對整車運行平穩性及靈活性、運行定位的準確性、人機交互的友好性等產生影響。托盤四向穿梭車主要由框架總成、行走機構、頂升機構、縱橫向運動輪組的升降換向機構及液壓系統等組成，所述框架總成由長方形底板與多塊側立板構成，所述立側板分別垂直焊接于底板四邊及車體內部，側立板設有通孔或緊固孔用于安裝行走機構、液壓系統等機構，行走機構底部與輪組升降機構通過柔性連接并固定安裝在底板與側立板上，頂升機構底部與底板、側立板固定連接，讓整機及其部件都滿足結構的強度、剛度和運動穩定性。整機由以下幾個功能模塊構成全自動、智能化的倉儲貨架內的搬運存儲設備，其功能模塊有：行走定位模塊、換向模塊、電源模塊、傳感器模塊、車載通訊模塊、控制模塊等；

（1）行走定位模塊：行走定位系統對整車運行及換向轉軌起著至關重要的作用。目前，國內外穿梭車常用的定位方式有：條碼定位檢測、激光測距、RFID定位檢測、 旋轉編碼器定位等；行走模塊主要為行駛電機及其驅動模塊，為托盤四向穿梭車的前進、后退提供驅動力，完成托盤四向穿梭車在貨架縱橫軌道間的直線行走，鋼貨架系統內托盤單元貨物的輸送過程由托盤四向穿梭車完成貨物在水平面的縱橫雙向運輸，可實現存儲層面的任意貨位的到達和存儲搬運；包括電機及驅動控制器、減速機構、鏈及軸傳動系、縱向傳動總成和橫向傳動總成，所述部件及總成安裝固定在框架體上；我們采用直流伺服電機及其驅動模塊配合旋轉編碼器作為行走驅動系統的主要構成硬件和控制體系，并綜合利用條碼定位檢測、激光測距、RFID定位檢測等多種定位技術復合，以獲取滿足實際工況要求的定位精度和要求；需要根據托盤四向穿梭車的負載特性和動作順序合理設計傳動體系和空間結構，以滿足整車的結構、功能要求。

（2） 托盤舉升模塊：托盤的舉升動作常用的頂升機構有：剪叉式升降機構、楔形滑塊機構、凸輪機構、絲杠螺母機構、電驅動蝸輪蝸桿機構等實現，本公司采用電動機驅動液壓系統實現頂升動作，具有承載能力大、動作平穩、過載保護、高低位安全限位功能，滿足荷載作用下結構的強度、剛度及穩定性；包括頂升液壓控制系統、多個頂升液壓缸，電機輸出端與液壓動力單元連接且固定安裝于框架總成上，液壓動力單元與多個頂升液壓缸通過液壓管道進行連接，多個頂升液壓缸分別固定設置于車體結構、頂升托架上，液壓系統的動作邏輯形成托架的舉升動作；需要根據托盤四向穿梭車的負載特性和動作順序合理設計整體結構，以適應托盤荷載的承載及其托盤四向穿梭車的運動附加荷載；

（3） 換向模塊：可采用機械機構或液壓系統來實現換向機構的上升與下降動作互鎖，并實現托盤四向穿梭車的原地換軌動作，即托盤四向穿梭車上設計有雙向垂直行走機構，通過內部換向模塊實現行走驅動輪的升降與變換，從而實現變軌變向行駛；本公司采用電動機驅動液壓系統實現90°原地換軌動作，并利用一套行走驅動動力，實現變軌變向行駛，具有承載能力大、升降動作平穩同步、過載保護、高低位安全限位功能；包括升降液壓缸座、升降液壓缸、活塞桿及其附屬換向機構、液壓控制系統等，所述機構與模組通過安裝板與換向結構、整車連接，所述液壓動力單元、液壓缸通過管道連接并固定連接在框架總成上。需要根據托盤四向穿梭車的負載特性和動作順序合理設計液壓系統。

（4） 電源模塊：電源模塊為托盤四向穿梭車的運行提供恒定的電源，內嵌高性能鋰電池為托盤四向穿梭車提供電源。必須測試和選定合適的產品品質和電源管理系統，實時監控電池健康狀態，確保托盤四向穿梭車的可靠運行和電源的實時自動充電；在結構設計時，需為電源模塊預留安裝空間。

（5） 傳感器模塊：傳感器模塊主要為各類傳感器的組合應用，如掃描及校準傳感器等，傳感器模塊通過收集托盤四向穿梭車在行駛過程中的實時變量與狀態參數、搬運裝載托盤單元的可控感知信息、位置定位信息與雷達避障感知等，傳遞給控制模塊并及時做出相應動作，也是實現托盤四向穿梭車狀態監控的關鍵模塊。在結構設計時，為傳感器模塊預留安裝空間。

（6） 車載通訊模塊：托盤四向穿梭車是移動設備，各模塊及各設備之間需要進行大量的信息交換，車載通訊系統負責與總控系統之間相關信號的接收與發送。以 Wi-Fi 技術為系統架構，采用無線通訊方式，可通過上位管理控制信息系統無線操控，在各類元器件的協作下完成各項功能的控制與實現。此外，ADS(Automation Device Specification)協議處于網絡通訊的應用層，為設備之間的通訊提供路由，實現數據、信息的交換，通過 TwinCAT ADS 協議實現有托盤四向穿梭車與區域控制系統之間的無線通訊。

（7） 控制系統模塊：控制系統模塊以嵌入式控制系統或PLC為控制核心，負責處理運動規劃、邏輯控制、安全保護以及與上位機管理系統的通訊，具有完善的作業邏輯控制功能；控制系統匹配得當，能最大程度發揮整車的智能化搬運性能。在結構設計時，為控制系統模塊預留安裝空間。

托盤四向穿梭車可大大降低穿梭式貨架對堆垛機、高架叉車等的配套依賴程度，并且能夠明顯的提高普通穿梭式倉儲系統的存取效率，提高倉儲作業的操作安全性，還能優化穿梭式倉儲系統的結構，將所有貨物的存儲通道與貨物的搬運通道有效結合，既可以讓鋼貨架結構更加穩定，又可以讓每個貨物存儲位都可能成為動態物流管理位，降低穿梭式倉儲建造成本，提高倉儲系統的空間利用率，深化倉儲系統的密集型、智能化、自動化發展理念。

托盤四向穿梭車在搬運貨物的過程中，具有靈活的任務優先級切換能力，可以系統指派（或人工干預）進行靈活的任務排序。其中通過上位機管理系統發送的指令確定貨物的位置信息，按照控制系統設定的行駛路線與托盤四向穿梭車內置導航地圖自動匹配運行，并準確地停在需要運輸貨物所對應的區域坐標（通過有效算法獲取最優的縱橫向運動路徑與避讓準則），然后取出貨物并運送到指定位置。上位系統可以通過無線終端與托盤四向穿梭車進行數據交換，托盤四向穿梭車在運送貨物過程中的相關信息也可以實時發送給上位機管理系統。貨物從地面到貨架的豎直軌道路徑由自動垂直升降機完成；穿梭車始終在貨架的直線軌道上運行，其工作狀況為平穩、重載。其具有以下特點：

（1）托盤四向穿梭車整機車體需具有一定強度和抗壓性，不易變形。

（2）車輪材料選用聚氨酯。因為聚氨酯具有高耐切割性、高耐磨性、優良的耐化學品以及耐油性等優點，而通過實踐應用可知橡膠車輪在使用過程中會出現壽命短、耐磨性差、抗撕裂強度較差的缺點。

（3）托盤四向穿梭車運行測試極限惡劣環境與工作環境：

(a)極限測試溫度：-25℃～60℃；正常工作溫度：0℃～40℃；溫度變化率≤±0.5℃/min；溫度變化率≤±10℃/h；

(b)測試相對濕度：≤95%；工作相對濕度：30%～85%；（無凝露）；相對濕度變化率：≤±10%/h；

(c)最大負載下工況試驗庫連續運行兩周進行測試評判合格后出廠；

(d)電力網絡為TN-S網絡（三相五線制，3-ph,N,PE）；

托盤四向穿梭車需在高溫倉儲和低溫倉儲環境下都可以正常運行，并在環境測試和疲勞測試中避免出現車體局部過熱的情況。

（4）托盤四向穿梭車必須具備完善的安全保護措施：在運行過程中必須確保整車“自身”、 現場人員以及各類設備的安全。一般情況下都采取多級硬件及軟件結合的監控措施，并設定安全運行距離與判斷原則，特定的運行限位阻擋器或防傾覆機構，確保整車的安保措施是完善合理的。

(a) 電氣聯鎖保護裝置。托盤四向穿梭車在存儲巷道、坡道間水平行走時，需確保存儲巷道、坡道裝置與托盤存取動作是鎖定的，該裝置應確保托盤四向穿梭車縱橫向行走與托盤存取相互之間的動作協調好，避免造成事故。

(b) 托盤四向穿梭車需設有貨物超長、超寬、超高的檢測裝置，如：激光測距、超聲波反射、紅外識別等。當檢測到所要存取的貨物超過系統設定的最大長度、寬度及高度時，托盤四向穿梭車停止運行，并將情況反饋給上位機管理系統，并將貨物退回上架位進行人工整理或調整。

(c) 托盤四向穿梭車在巷道、坡道間換軌操作過程中的位置檢測裝置。如果位置檢測與動作設置不符，托盤四向穿梭車就不能進行下一步運行或動作，以免發生事故。

(d) 斷電保護。如果發生意外斷電的情況，電機應自動鎖住電機軸，托盤四向穿梭車停止工作，將情況反饋給上位機管理系統，并保持斷電時的工作狀態，并可快速實施軟硬件的故障恢復和作業任務順延。

(e) 過載保護裝置。一般使用超載限制器，可以有機械式或電子式，集控制、顯示、報警功能于一體。當存取的貨物超過限定的最大負載值時，托盤四向穿梭車的過載保護裝置啟動，托盤四向穿梭車立刻停止工作，并將情況反饋給上位機管理系統。

(f) 物理保護裝置。當電子保護元器件失靈或者操作失誤時，托盤四向穿梭車碰撞不可避免，這個時候物理保護裝置可以有效減少沖擊力，降低車體的損壞程度。一般可以在車體周圍安裝硬擋板或者在托盤四向穿梭車關鍵部位放置橡膠、聚氨酯緩沖裝置等可以減少沖擊力的軟性物質。

(g) 異常對策裝置。當異常狀況發生時，如托盤四向穿梭車煙霧傳感器、溫度傳感器等感知環境異常時，禁止托盤四向穿梭車運行，并將情況反饋給上位機管理系統，且發出警報聲。

(h) 輪軌技術。為提高整車的運行安全性，整車設置雙側車輪單輪緣內嵌軌道結構，通過車輪輪緣與軌道過渡圓弧面的有效接觸與運動滑移、運動輪緣的運動軌跡與軌跡線長度的變化，有效保證整車在曲線運動的過程中實現整車的運動導向與定位，提高了整車運行的可靠性與穩定性。

(i) 換軌技術。換軌機構是完成整車換向運行的關鍵部分，綜合考慮整車結構的穩定可靠性及各結構模塊的安全合理布局，采用“整車在軌抬升，雙側同步換向”的形式，當換向運行時，首先通過安裝在車架下部的換向體下移，與換向體固接的雙側行駛運動模塊逐步與90°換向軌道接觸，抬升機構繼續將整車抬升一定高度，進而帶動與整車一體固接的雙側行駛運動模塊上移，脫離原運動軌道，完成整車換向運行。頂升機構固定安裝在車體內的液壓缸活塞桿頂部，不僅負責轉運過程中托盤單元貨物的托舉，而且也是托盤單元貨物的主要承載機構。

(j)故障恢復。合理設置軟件故障的一鍵恢復解決方案，硬件恢復的備災方案，如應急備用電源、故障救援車、人工排除故障的行走隔離網等，以及為客戶儲備一定的備用車，既可以應付客戶出入庫訂單的異常猛增，又可以及時更換故障車。

圖2  四向穿梭車結構外形

表1   某型四向穿梭車的性能指標