宁波海川机器人丨自动化立体库的设计问题!重力式货架立体库
原标题：自动化立体库的设计问题!
01
自动化立体库的种类
自动化立体库（as/rs）在经历了几十年的发展后，型式和技术都发生了巨大变化。如在存取设备方面，除了传统的堆垛机外，还有各种型式的存取技术，典型的如子母车、四向穿梭车等。自动化立体库主要有以下几个大类：
托盘式as/rs系统：从堆垛机的载货台型式看，有单工位和多工位，有单深度和双深度等多种型式。此外，从轨道型式看，除直线型轨道外，还有转轨型、弯道型、道岔型等多种形式。货叉型式也有很多种变换。
托盘式子母车系统：这一系统主要应用于高密度存取场合。所谓子母车包括子车和母车，母车负责将子车及货物从一个巷道移到另一巷道，子车负责将托盘送到货位储存。托盘的提升采用提升机完成。子母车系统是一种较高密度的储存系统，比普通的单深度as/rs，其空间利用率会提升15~20%左右，理论上会提升30%左右。
托盘式四向车系统：四向车与子母车的差异主要在于，穿梭小车可以完成巷道内存取，也可以自动变换巷道。既可以应用于密集存储系统，也可以更加灵活变化。四向穿梭车系统的优势并不在于高密度的存储，而是对环境的适应性，不同高度，不同形状的空间均可以采用四向穿梭车，这是其他技术所无法比拟的。
miniload系统：载荷单位一般为箱子。miniload的载货台也分为多种形式，如单工位和多工位，单深度和多深度等。相比托盘式as/rs系统，miniload型式更加灵活多变，如货叉的型式就有货叉式、夹包式、皮带式等多种形式，此外，除固定式货叉外，还有可变宽度货叉等。
箱式穿梭车系统：载荷单位一般为箱子。采用双向穿梭车或四向穿梭车进行货物的存取作业。与miniload一样，其货叉型式也变化多样。多用于货到人自动拣选系统。
自动叉车立体库系统：采用自动叉车进行作业的立体库系统。原则上也可以作为自动化立体库的一个类别。由于叉车的种类不同，可以再细分为多个子类。
kiva系统：载荷单元为箱子。有两种主要类型：移动货架型和固定货架型。这是近年比较火热的立体库型式。
除此之外，还有一些其他型式的立体库系统，如采用桥式或门式起重机作为存取机构的立体库，可移动式货架立体库，重力式货架立体库等，不一而足，限于篇幅，本文不再展开。
消防规范的理解与应用
消防规范是影响自动化立体库设计的非常关键的因素之一。新版消防规范对此有明确的规定。目前最权威的规范主要有3个：
*建筑设计防火规范，gb-
*物流建筑设计规范，gb-
*冷库设计规范，gb-
简单来说，对自动化立体库的面积和防火分区（丙2类，有自动喷淋），有如下规定：
通常情况下，这是库房部分的要求，但没有规定拣选区域的要求。因此，总面积可以在此基础上再增加一部分作业区（分拣区），但也有不能通过消防审查的案例。需要注意的是，常温库的规定也适合于冷库，只是在没有自动喷淋设施情况下，采用常温规范gb-，会导致分区更小，设计限制更多罢了。
除此之外，建筑防火规范还规定自动喷淋的间距，即3m一层的消防喷淋装置，这个对设计是有一定难度的。尤其对于一些特殊型式的立体库，存在很大的困难，如四向穿梭车立体库。在设计中要特别注意。
在实际情况中，立体库的消防分区宽度设计要符合巷道倍数的模数关系，这是很多设计者开始不明白的地方。比如对于*的标准托盘而言，如果设计4个巷道单深度立体库，一般建筑的宽度约为20m，此时，立体库的长度为/20=150m，这就是为什么设计中巷道不能特别长的原因之一。
03
月台及停车广场设计
立体库的月台和库前广场设计特别重要，却常常被忽视。已有文章[1]专门讨论这一问题，这里在做简要论述。
月台有内置和外置两种主要型式，高度一般为mm，这是为了满足40英尺箱式货车而设计的。实际设计中，要考虑车的型式。有些市内发货月台需要停放的车都是20英尺以内的车，就没有必要设计mm高，而是设计为900mm更合适。而对三方物流而言，mm的高度更能适应多变的情况。
对内置月台而言，门封是必要的。因此，仓库门的宽度就不宜太大和太高，一般是*mm比较合适，太大了，车尾就不能全部被挡住，从而发生冷气泄露。
月台上的雨棚设计也很有讲究，宽度一般要超出月台边缘约4~5m比较合适，高度一般距地面mm比较合适，太高或太低都是不好的。
停车位的需求对月台设计来说是非常重要的，除了尽可能多的设计停车位外，还应通过改变装卸货方式来适应业务的需求，如采用伸缩皮带机，或自动装卸货技术来提升效率，进而减少对月台数量的需求。
广场设计也要考虑车辆的情况。对于40英尺以上的货车来说，加上车头大概达到16m米以上，这时，理论上停车场宽度要达到35以上才合格，即两倍车长再加3米的距离。而对于仅停放20英尺货车的月台，21m宽度已经是一个可用的宽度了。
对设计者来说，了解这些数据要求是重要的，有的仓库留得少了，在使用时非常困难。有的留得太多，又造成土地的浪费。
越是大型的立体库，停车广场越要设计合理充分，但即使对于小型立体库，也要了解其使用情况，切忌不管不顾，胡乱设计，则会非常被动。
04
库前区设计
关于自动化立体库库前区的设计问题，包括几个方面，如输送系统、分拣区、收货区、发货区等，对于库前输送机系统已有专门文献[2]论述，这里仅择其要点进行分析。
库前输送系统的设计，无论采用什么型式和技术，其要点是要满足货物的入库和出库流量要求。一般来说，输送系统的理论能力，要求比实际能力大15%~25%为宜，很多设计过于紧凑，其实对实际作业是不利的。
分拣区：这是一个比较广泛的概念。既包括末端分拣，也包括拆托盘和拆箱拣选，尤其是后者，其需求随着业务的不同，差异甚大。就末端分拣而言，有各种形式的分拣技术可以使用，如交叉带分拣机、滑块式分拣机、跃起轮分拣机、矩阵式分拣机等最为常见。分拣机的设计主要要根据产品的型式和流量来进行选择，价格差异很大。分拣能力一般从几千拣到几万件不等，这对于设计者有一定的挑战。很多初始设计者不能充分了解分拣机的原理，从而做出错误的选择，这种情况也是常见的。
收货区：收货区的大小，不仅与业务量有关，而且与业务流程有关。比如是否可以直接入库？有的业务要求到货货物要进行qc，有的要更换托盘重新码垛，有的还要做一些别的处理等，这样，收货区的大小将受到很大影响。对qc来说，有的很简单，只需要对外观进行检查，有的只要进行抽查，有的可能需要注意检查，有的还有时间存放要求等，差异很大，这在设计中是要引起注意的。
发货区：发货区设计在很多场合并未引起注意和重视，从而导致很多问题发生。其实，发货区在整个立体库设计中占据非常重要的位置。发货区的大小固然与物流量密切相关，还与波次设计有很大关系，近年来，立体化和自动化的集货与发货，越来越受到重视，发货区的设计进入到一个新的阶段。
05
其他细节问题
1）消防喷淋
消防喷淋在立体库设计中经常是一个令人头疼的问题。有些立体库根本无法解决这一问题。如四向穿梭车库。这不仅限制了设计的选择空间，而且也会导致很大的空间浪费。而从另一个角度看，我国现行的消防规范，或许到了需要认真关注自动化立体库需求的时候了。如何做到既合理科学，又安全有效，是我们制定消防规范时应考虑的一个关键问题。
顺便提一下我国关于物流尤其是立体库的消防规范，由于缺乏科学依据，所有的条文基本上还是凭借一些老的经验，基于传统仓库的概念而制定的。与立体库本身的需求差距甚远。如何科学制定规范，是摆在我们面前的一个艰巨的任务，可谓任重而道远。
2）货架、货叉与托盘
有一些细节的问题将影响总体设计。
首先看托盘设计。托盘是立体库设计最基础的条件或最基础的工作。尽管标准托盘（即x规格的托盘）是优先考虑的选项，但对于实际使用而言，非标的情况也是非常多的，特别是制造业物流。货物单元（即托盘+单元货物）尺寸的设计要特别重视，通常情况下，立体库并不要包含所有物料，只要符合大多数货物储存即可。对堆垛机而言，托盘的设计还包括一些细节需求，如托盘型式，承载能力，叉孔高度等。以川字底托盘为例，叉孔高度往往不是由托盘载重决定的，而是由货叉高度和挠度决定的。
再看货叉设计和选择。目前货叉的设计基本上只是一项选型的工作。采用像米亚斯、长臂猿等专业公司的货叉是一种经济而稳妥的做法。这些企业的产品手册会提供实际使用中多种规格型号的各种参数，包括伸叉长度，载荷，以及满载下的挠度等。即使这样，货叉的选择仍然是一项比较专业的工作，对工期和成本的影响还是不小的。值得注意的是，货叉的选择会影响托盘的设计，因此，只有选择好了货叉，托盘才能确定。
最后看看货架的设计，以最简单的as/rs为例，首先，对一些非标的重型货架的设计，进行有限元分析是非常必要的，这是很多货架厂并不具备的能力。其次，货架的设计与单元货物有直接关系。一般情况下，载货单元（托盘+货物）的尺寸（长宽高）决定了货架的尺寸。需要注意的是，在确定层高（底层高度，中间层层高，顶层高度）的时候，各种尺寸设计要符合设计规范的规定。此外，由于采用组合式货架，层高一般要按照75或100的倍数设计，当然，如果货架采用定制孔的话，就没有这个限制，但这种情况很少，目前只有少数几个货架厂才能提供这种定制货架。
3）基础荷载
立体库的基础荷载计算是一个专门的话题，也是困扰大家的一个问题。有两个参数：其一是集中荷载，其二是平均荷载。
集中荷载一般是指一个柱脚或一个特殊的点（如提升机基座）所承受的荷载。这一荷载直接影响建筑物梁的设计。一般情形下，计算集中荷载时，要计算一个区域内受载荷的点或几个点（柱脚）。在所有货位均取值的工况下，计算集中荷载。当然，一般还要有一个安全系数作为保障。安全系数的选择要根据实际工况和重要程度进行选择，取值在1.2~1.4之间为宜。
平均荷载计算公式是整个立体库区域（有的理解为货架区域）的总荷载除以其面积。总荷载包括货物及设备（货架、堆垛机、输送机等）的荷载。然而，在实际设计中，单纯的说平均荷载是容易出问题的。因为计算公式中两个参数需要明确定义。所以，在提出平均载荷的同时，还要提出计算区域的总荷载，以便建筑设计考虑。对建筑设计而言，平均荷载主要关乎桩基的设计，桩基需要承受的总荷载才是计算的所关注的。需要指出的是，由于立体库不可能做到满载（每个货位放满货物，且达到设计载荷），因此，在计算平均荷载时，安全系数应该是一个小于1的系数。具体取值在0.7~0.9之间，要根据实际情况予以确定。关于这一点，目前还存在不同的认知。
4）其它
立体库设计需要注意的细节事项还有很多，如巷道宽度的设计，安全距离问题（多种情形下），有关托盘、输送机、载货台、货架之间的尺寸链问题，基础设计问题等，限于篇幅，本文不再一一例举，读者在设计中需要自己去体会。
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