電子商務與智能制造技術推動了自動化立體倉庫的快速發展與創新，在現代物流業中更加注重考慮物流系統整體的密度以及數字化、智能、信息化集成應用，而不是僅考慮單一設備和系統的能力，產生了“密集倉儲”的概念。

　　在物流產業的快速發展過程用中，需要對物流倉儲系統進行全面規劃和創新設計。與普通立體倉庫相比，密集倉儲土地利用率和空間利用率上可提高20%～100%左右，同時作業效率可提高20%，運行能耗可降低30%，單元投資成本可節約10%左右,密集倉儲系統因而越來越多地受到行業的關注，其市場發展前景廣闊。

　　作為面向密集倉儲的重要搬運設備，智能托盤式四向穿梭車（以下簡稱四向車）是一種智能型軌道導引自動換向變軌的搬運設備，在電控系統控制下，通過編碼器、RFID、光電傳感器等數字化技術精確定位各個輸入、輸出工位，配置智能化調度系統，接收物料后進行自動往復穿梭搬運，四向車無需人員操作，運行速度快、智能化程度高，適用于各種物流存儲系統，能夠促進單元物料快速實現平面自動輸送。

　　在智能化調度系統的驅使下，多層多車協同并行作業，從而實現精準、高效的作業模式，為企業的物流存儲系統提供新的物流解決方案。

　　一、托盤式四向穿梭車關鍵機構設計

　　四向車根據任務要求，協同往復式提升機，通過行駛軌道在貨架不同層、不同貨道內完成作業任務，在倉庫監控系統的控制和調度下，整個密集庫可以實現多層多車同時運作，各四向車在工作時可以向信息管理系統上傳位置、速度、電量、有無貨、故障、工作情況等信息。

　　四向車具備整存整取、倒貨移動、托盤點數等作業功能，實現物料快速出庫和庫存管理；其內部設置有避障功能和故障報警提示功能，能夠起到安全保護作用，并及時反饋故障信息。

　　從硬件系統來看，四向車主要由車架、頂升機構、驅動機構、車輪組、電源、電氣控制等部件組成（見圖1）。

圖1 四向穿梭車主要結構示意圖

　　1.1 車體結構

　　四向車車體結構應用模塊化設計技術采用優質鋼材組合成型，整車設計載重為1500kg及以上，最低安全系數建議為1.6，材料屈服強度為2.75MPa；四向車車體結構針對整車的可靠性與結構的輕量化進行了優化設計。

　　1.2 驅動機構及車輪

　　四向車驅動機構采用伺服電機驅動，行星減速加換向器，促進二個方向的快速換向，一般工況下空載運行速度為1.4m/s～1.6m/s，滿載運行速度為1.0m/s～1.2m/s；在貨架層水平運行時，四向車在X向采用4輪驅動，Z向采用8輪驅動，選擇八輪（主動輪和從動輪組合）傳動方式滿足系統設計要求，既保證車行走的穩定性，又減少了內部機械系統的復雜性。

　　四向車運動時車輪長期受到摩擦，需要耐磨車輪，經過性能測試，選用聚氨酯車輪，經久耐用、減少躁音，確保運行穩定性。驅動機構示意圖見圖2。

圖2 驅動機構示意圖

　　1.3 頂升機構

　　四向車作業需要多次頂降換向動作，應設計機械機構頂降或液壓頂降裝置。考慮到機械結構安全可靠經久耐用，建議頂升行程為40mm，頂升時間為3～5s。

　　四向車存取貨物通過頂降托盤和換向升降完成一次作業周期，為提高作業效率，應確保四向車在作業過程快速頂降、快速換向以縮短作業周期。穿梭車頂升機構示意圖見圖3。

圖3 穿梭車頂升機構示意圖

　　二、數字化控制及通訊技術

　　四向車采用PLC及工控機技術，實現邏輯控制，結合底層路徑自學習算法，確保高速運行、精準定位、安全可靠。

　　四向車選用SIMATICS7系列PLC作為核心控制器，充分利用其豐富的擴展性集成接口，將傳感器模塊、供電模塊、無線通訊模塊以及執行機構模塊等集成，實現整車運動導引、驅動控制、執行機構操作，安全防護等工作。

　　密集庫中采用Zigbee無線通訊方式，上位控制器通過Zigbee主模塊向四向車下達任務指令，任務指令傳遞至PLC完成計算處理后，轉變成具體的控制信號并輸送至控制執行機構運動的驅動控制模塊中，在該模塊中對驅動直流電機進行調速，進而控制執行機構完成相應動作。

　　在這一過程進行中，各類傳感器和RFID系統將采集的定位、檢測、故障等信息通過Zigbee子模塊反饋給上位器，并由狀態顯示器反饋給倉庫操作人員，實現四向車動態信息的雙向傳遞。控制系統結構如圖4所示。

圖4 控制模塊功能示意圖

　　三、密集倉儲系統的智能調度技術

　　基于WCS可以實現作業任務設置、貨位決策優化、密集多深位存儲、多層多四向車作業調度等各種功能。密集倉儲系統采用多任務模式，為保證四向車集群全局效率提升，需制定合理有效的智能調度策略。

　　智能化調度包括庫區分配、任務優先級劃定、貨位分配、路徑規劃等。在WCS控制下，密集庫中各設備基于實時路徑規劃完成多任務并行作業；設備運行狀態實現3D可視化監測；作業終端基于可視化界面對多設備、入出庫作業、多深位貨物狀態進行監控，并根據作業數據分析完成遠程診斷。

　　密集倉儲系統調度架構如圖5所示。

圖5 高速密集儲存系統調度構架示意圖

　　四、四向車作業能力評估

　　四向車的作業能力受倉庫訂單任務、調度技術、存儲策略、作業模式、設備技術參數等因素的影響，其高低直接影響密集倉儲系統的效率。四向車在垂直交叉軌道上切換方向完成貨物的水平出入庫，具備單一作業和復合作業兩種模式。

　　在單一作業模式中，四向車一個周期內只完成一個出（入）庫任務；在復合作業模式中，設備一個周期內完成入庫和出庫兩個任務。在基于每層一臺四向車的系統配置下：

　　1)在單一作業模式中，四向車入庫作業和出庫的作業時間相同，假設每層四向車的平均單一作業時間為t1,則該模式下的出入庫能力η1可計算為

　　2)在復合作業模式中，假設四向車的平均復合作業為t2,則對應的出入庫η2為

　　五、應用案例

　　案例四向車已在某公司密集庫項目中得到實際應用。該密集庫實現汽車配件成品、半成品存儲，整盤入出及揀選出庫等功能，總的占地面積為1765m2，貨架總體高度為20m，共有貨位6929個，具有7度防震等級。

　　單元托盤尺寸為1200mm×1100mm×1200mm/1400mm(長×寬×高)，單元最大載重為800kg（含托盤）。倉庫中整體入出庫量不少于250托/h，設備配置有四向車11臺，提升機4臺，輸送機系統8套。

　　根據該企業對現代化物流的不同需求，在做大量的需求調研和分析后，設計出一套符合該企業需求、性價比高、可拓展的方案，經實際測試該密集存儲系統項目建成后與傳統立體庫相比，庫容量提高了35%，設備運行用電量能耗降低了30%。

　　六、總結

　　四向車密集庫可實現全自動、智能化、無人化作業，與傳統立體倉庫相比，提高了20%～50%的存儲量。隨著托盤式四向車各項技術指標日趨成熟，其在國內外密集庫中得到了廣泛應用。

　　四向車多層多車靈活作業方式，大大提高入出庫作業效率，解決傳統立庫中堆垛只能在一個巷道入出庫作業的瓶頸問題。近些年來，歐美等發達地區的各類穿梭車發展快速、技術先進，各種高品質的四向車出現在市面上。

　　針對國內倉儲市場的實際需求，研發的四向車具有外觀新穎、功能完善、安全可靠等技術優勢，加之本地化的售后服務體系，未來智能倉儲等不同工業領域的應用前景可期。