李 博，蘭安怡

（河北北方學院，河北 張家口 075000）

1 引言

隨著貨物儲量和貨物運輸?shù)牟粩喟l(fā)展，倉儲物流在現(xiàn)代物流系統(tǒng)中應(yīng)運而生，逐漸成為現(xiàn)代物流系統(tǒng)中的關(guān)鍵。倉儲物流作為現(xiàn)代物流供應(yīng)鏈中的中轉(zhuǎn)站，其越發(fā)突出的資源利用效率和快速有效性逐漸在現(xiàn)代物流系統(tǒng)中嶄露頭角。同時，由于傳統(tǒng)的倉庫存儲空間占有量大，貨架存儲貨物率低，庫存貨物存儲不規(guī)范，開放性和安全性較差，且均采用人工操作，誤操作率較高，造成大量的資源和空間浪費。因而，由傳統(tǒng)倉儲向現(xiàn)代化的密集型和自動化型倉儲物流系統(tǒng)過渡必然成為一種趨勢。本文以一種小型貨物為研究對象，研究倉儲物流系統(tǒng)中的出庫方式和取出機構(gòu)的設(shè)計，探究一種適于高效、節(jié)能、出庫效率高和誤操作率低的現(xiàn)代倉儲物流系統(tǒng)，為自動倉儲物流系統(tǒng)的取出機構(gòu)設(shè)計和出庫方式提供指導。

2 倉儲物流結(jié)構(gòu)組成及系統(tǒng)出庫方式概述

倉儲物流是現(xiàn)代物流供應(yīng)、運作和管理系統(tǒng)中較為核心的環(huán)節(jié)，并且隨著物流技術(shù)的不斷發(fā)展及其供應(yīng)鏈管理結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，倉儲顯然已脫離其作為原始庫房的概念，逐漸在物流供應(yīng)鏈中扮演著資源供應(yīng)者的獨特角色。在物流管理的具體實施活動過程中，貨物從訂購、入庫、存儲、管理和出庫等每經(jīng)歷一個環(huán)節(jié)都將不可避免地產(chǎn)生龐大數(shù)據(jù)的物流信息，這些信息不僅操作繁瑣而且形式復雜多樣，很難尋找較優(yōu)的管理和操作技巧而加以區(qū)分。因此，大型企業(yè)或需要頻繁貨物出入庫的部門為了更好地管理倉儲過程中涌現(xiàn)出的大量物流信息，避免因資源與信息流失而造成的損失，亟需搭建能對倉儲活動中產(chǎn)生的物流信息快速做出分析和響應(yīng)的現(xiàn)代化的倉儲信息處理系統(tǒng)，來避免存儲空間的浪費，提高倉儲效率，由此倉儲物流應(yīng)運而生。

倉儲按其活動及功能一般可包括出入庫、存儲、分揀包裝及數(shù)據(jù)處理幾部分。而倉儲物流可理解為細化了的有關(guān)倉庫存儲的微觀物流，具體是指貨物從入庫到出庫派送這一過程，簡而言之，即倉儲物流包括入庫、存庫和出庫三大主要過程。從結(jié)構(gòu)上進行劃分，倉儲物流又可分為儲存貨物的儲存貨架、用于取出貨物的取出機構(gòu)和用于貨物移動的升降臺。

倉儲物流的儲存貨架主要用來實現(xiàn)貨物的入庫存儲，是貨物的支撐機構(gòu)，而后兩者則用于實現(xiàn)貨物的分揀、包裝和出庫。當貨物需要派送出庫時，需要取出機構(gòu)與升降臺間的緊密配合。其中，貨物存庫為靜止存儲狀態(tài)，貨物出庫為移動存儲狀態(tài)。對倉儲物流中的取出機構(gòu)進行靜動態(tài)路徑規(guī)劃，在整個倉儲物流管理系統(tǒng)設(shè)計中占有重要地位。

2.1 儲存貨架的形式

儲存貨架主要用來實現(xiàn)貨物在倉儲過程中的安全性和可靠性，因而形式上可將儲存貨架分為傾斜和水平布置兩種。當儲存貨架布置方式為一定傾斜角度時，貨物自身的重力使其沿儲存貨架方向有滑動的傾向。因此，從倉儲貨物可靠性的角度分析，必須增設(shè)輔助機構(gòu)來對貨架上的貨物提供額外的外力防止其下滑，從而使貨架上的貨物始終處于貨架上的指定位置；然而從庫存中貨物出庫派送的角度來分析，貨物自重產(chǎn)生的滑動力對貨物迅速出庫非常有效，同時也有利于改善倉儲取出機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因而其在需要快速貨物出庫的智能倉儲系統(tǒng)中得到了普遍應(yīng)用。當儲存貨架布置方式為水平時，貨物置于貨架之上，僅受到向下自身的重力和貨架對貨物向上的支撐力，兩者組成一對平衡力系。由于貨架上的貨物不受沿水平上的力，沒有相對滑動的趨勢，因而更容易實現(xiàn)倉儲貨物的可靠性。不過，水平布置貨架也有一定的缺點，即在自動或智能倉儲系統(tǒng)中，取出機構(gòu)的設(shè)計顯得較為繁瑣，由于貨物處于水平位置，當其出庫派送時必須借助一些輔助機構(gòu)如小型的機械臂來對貨架上的貨物施加水平力以確保貨架上的貨物能順利出庫。但采用此種手段效率較低，一次僅能針對貨架上的單個貨物實施動作，因而限制了這種方式在自動或智能倉儲系統(tǒng)中應(yīng)用與推廣。

2.2 取出機構(gòu)及出庫方式

本文以中小型貨物為具體的研究對象，其自重為60g-350g，貨物的分布體積大致為110mm×70mm×20mm。由前面的分析可知，傾斜的布置方式對于微型的自動或智能高速倉儲系統(tǒng)貨物出庫的取出機構(gòu)設(shè)計較為適宜，因而儲存貨架擬采用傾斜的布置方式。下面將對倉儲物流的取出機構(gòu)與倉庫存儲口兩者間的不同對應(yīng)關(guān)系逐一進行分析。

2.2.1 存儲與取出一一對應(yīng)式。指倉儲物流中的倉庫存儲口位置僅設(shè)置一個取出機構(gòu)，當貨架上的貨物處于靜止狀態(tài)時，只須憑借儲存貨架上安裝的固定擋軸即可實現(xiàn)貨物的安全定位，當運動的時候，則須憑借倉儲口處的取出機構(gòu)來實現(xiàn)貨物的順利出庫，如圖1所示。

圖1 一一對應(yīng)式取出示意圖

儲存貨架上安裝的固定擋軸自身的高度是依據(jù)貨物的不同來進行設(shè)置的，當貨物高度發(fā)生變化時，擋軸的高度也需隨之發(fā)生變化。另外，對于取出機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計還須依賴于擋軸的高度加以確定。取出機構(gòu)的工作原理是當其靜止不動時，其擺桿置于貨架上貨物的下方，運動時，其擺桿開始旋轉(zhuǎn)，此時貨物將被取出機構(gòu)抬高直至貨物底部位于固定擋軸上端，然后由于自身重力下滑，順利實現(xiàn)貨物出庫，之后，取出機構(gòu)擺桿反轉(zhuǎn)，另外的貨物隨即被定位，如此循環(huán)往復完成貨物依次出庫操作。

2.2.2 多存儲對一取出式。指利用倉庫存儲口處單個取出機構(gòu)一次性取出貨架上同一位置上的貨物，如圖2所示。所有用于取出貨物的取出機構(gòu)均水平分布于升降機上，當貨架上的貨物需要出庫時，貨架上貨物的行定位首先是升降機通過上下運動來實現(xiàn)，隨后再由水平分布于升降機上的取出機構(gòu)完成貨架上貨物的列定位，當貨架上待出庫貨物位置確定以后，取出機構(gòu)開始執(zhí)行動作直至完成貨物出庫操作后返回。

圖2 多存儲對一取出示意圖

多存儲對一取出式所對應(yīng)的每個倉庫儲存口都與之對應(yīng)有一個翻板，該翻板憑借安裝于儲存貨架架體上的扭簧所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力來實現(xiàn)貨架上貨物靜止時的定位。當貨架上的貨物需要出庫派送時，升降機動作，帶動取出機構(gòu)運動到待出庫貨物層，由于出庫貨物層相對應(yīng)的取出機構(gòu)開始執(zhí)行動作，此時翻板通過克服扭簧產(chǎn)生的扭矩開始旋轉(zhuǎn)，最終使該出庫貨物層的貨物順利實現(xiàn)出庫動作。隨后，扭簧回到原始位置，后層貨架上的貨物被翻板擋住。

2.2.3 多存儲對多取出式。指倉庫存儲系統(tǒng)中每一列或每一行倉庫存儲口共同使用相同的貨物出庫系統(tǒng)驅(qū)動，通過行列網(wǎng)點的交疊來最終確定貨架待出庫貨物的位置所在，如圖3所示。多存儲對多取出式結(jié)構(gòu)中同樣安裝有翻板裝置，但運行的機理和翻板的結(jié)構(gòu)形狀都不甚相同。多存儲對一取出式中安裝的翻板普遍采用的是三叉形狀，主要是用來對貨架上的貨物在存儲時的定位及其出庫時提供協(xié)助，同時，限于取出機構(gòu)自身的限制導致翻板的角度很難旋轉(zhuǎn)成直角角度。多存儲對多取出式則除上述功能以外，可直接翻轉(zhuǎn)成直角，且翻板形狀為雙叉形，當貨架上的貨物能脫離翻板定位憑借自身重力實現(xiàn)自動出庫。

當貨架上的貨物處于不動狀態(tài)時，貨物的定位是依靠翻板在拉桿X和Y向上且與之對應(yīng)向的銷共同作用下來實現(xiàn)的。當貨架上的貨物開始發(fā)生運動時，X向拉桿在與之對應(yīng)向驅(qū)動力的作用下實現(xiàn)貨物向左的運動，將對應(yīng)向布置的銷從翻板上拉開，隨后貨物所在倉庫存儲口的Y向拉桿與之對應(yīng)向驅(qū)動力的作用下實現(xiàn)向下的運動，并將對應(yīng)向布置的銷從翻板上放開，此時的翻板可在其自重和貨物沿貨架方向的滑動力共同作用下翻轉(zhuǎn)一直角角度，而貨架上的貨物則依靠沿貨架方向的滑動力順利出庫。當實現(xiàn)整體復位時，則按照運動的逆方向依次動作。

圖3 多存儲對多取出式示意圖

3 取出機構(gòu)一般數(shù)學模型構(gòu)建

上面對三種不同倉儲物流系統(tǒng)取出機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及出庫方式做了詳細闡述，雖然從結(jié)構(gòu)來看差異很大，但貨架上貨物的放置方式均采用相同的斜置布置方式，故而可將貨架上的貨物抽離出來單獨作為研究對象進行研究建模。其中，貨架上的貨物靜止不動時其受力分析示意圖如圖4所示。

圖4 貨物靜止不動時受力示意圖

由圖4及貨物受力平衡方程可得出：

其中，F(xiàn)x和Fy分別為斜置儲存貨架沿斜面和垂直斜面方向上的力；G為貨架上貨物自身的重力；f為貨物與貨架間的接觸摩擦力；N為貨架斜面的支撐力；F為外力；θ為傾角。

由于貨物沿垂直于貨架方向無運動，故Fy向的合力為零。又可設(shè)貨物的滑動力為F′，即F′=G sinθ-f，故式（1）可化簡為：

當Fx向的合力不大于零時，貨物靜止，當大于零時，貨物開始運動直至完成出庫動作。

4 取出機構(gòu)不同出庫方式優(yōu)缺點對比研究

經(jīng)過不同的現(xiàn)場試驗表明：雖然上述三種不同的倉儲物流系統(tǒng)取出機構(gòu)與倉庫存儲口對應(yīng)方式都能很好的實現(xiàn)斜置貨架上的貨物順利實現(xiàn)出庫動作，但是根據(jù)不同的出庫要求仍存在部分差異。下面主要從四個方面來著重對不同出庫方式間的優(yōu)缺點進行對比研究。

4.1 不同取出機構(gòu)的可靠度對比

從取出機構(gòu)的一般數(shù)學模型中，可知貨架上的貨物主要是通過重力分量來實現(xiàn)其出庫動作的。因而，F(xiàn)x向合力的大小對倉儲整個系統(tǒng)的庫存和貨物出庫的可靠性起著至關(guān)重要的作用。當貨物靜止不動時，F(xiàn)x向合力越小倉儲系統(tǒng)的可靠性就越高；當貨物進行出庫動作時，F(xiàn)x向合力越大倉儲系統(tǒng)的可靠性就越高。

現(xiàn)以250g質(zhì)量的醫(yī)用藥品為例，對上述不同的取出機構(gòu)進行定量化研究分析。經(jīng)不同的現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，儲物貨架的斜置角度取14°-22°區(qū)間值時為最佳，本文暫選定θ=20°為參考值，接觸摩擦因數(shù)可取0.045。

在存儲與取出一一對應(yīng)式中，由于固定擋軸用于固定貨物，故靜止不動時，力F=+∞,滑動力F'=Gsinθ-f=0.749N；貨物出庫時，貨物受到取出機構(gòu)對其施加的外力，然后貨物在滑動力的作用下越過固定擋軸，此時力F=0。由于貨物抬高且θ=10°，則滑動力F'=Gsinθ-f將逐漸變小，可得此時滑動力F'變小=0.0426N。兩種不同狀態(tài)對應(yīng)的Fx向合力∑Fx為：

式中，∑Fx1為靜止沿貨架方向上的合外力；∑Fx2為貨物出庫時的合外力；F′小為傾角θ由20°變小到10°所產(chǎn)生的滑動力。

在多存儲對一取出式中，貨物的定位是依靠扭簧所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力來定位的，外力F＞Gsinθ，此時F=1N。當貨物出庫時，扭簧所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力由取出機構(gòu)來克服，外力F=0N，此時貨物抬高,傾角θ將減小，滑動力F'小=0.0426N。貨物靜止不動與出庫所對應(yīng)的力學模型為：

在多存儲對多取出式中，貨物同樣是利用固定擋軸來實現(xiàn)定位，需施加的外力F=+∞，當貨物出庫時，此時不使用翻板，外力F=0N，傾角θ不發(fā)生變化，滑動力仍為F'。貨物靜止不動與出庫所對應(yīng)的力學模型為：

經(jīng)式（3）～式（5）對比可發(fā)現(xiàn)，多存儲對多取出式在貨物出庫效率較高的情況下，與存儲與取出一一對應(yīng)式的力學模型一致，也就是從力學上來講，兩者是等效的，而多存儲對一取出式需要克服扭簧產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力，耗能較大。因此，從功能等效和經(jīng)濟性角度來看，多存儲對多取出式時所獲取出機構(gòu)的可靠性最高。

4.2 不同方案成本分析

假定所采用的倉儲系統(tǒng)中貨架上的貨物為p×q的矩陣，則上述三種不同的取出機構(gòu)的方案設(shè)計所需機構(gòu)的數(shù)量分別為：存儲與取出一一對應(yīng)式需p×q組，多存儲對一取出式需n組，多存儲對多取出式為p+q組。從三者的比較結(jié)果可明顯看出，存儲與取出一一對應(yīng)式與多存儲對多取出式存在很大的差距。因而采用的設(shè)計方案不同，其經(jīng)濟性也不同。

4.3 取出機構(gòu)出庫速度與控制系統(tǒng)對比

取出機構(gòu)每完成一次執(zhí)行動作所需要的時間大致為0.48s，存儲與取出一一對應(yīng)式和多存儲對一取出式完成一次的出庫時間均為0.48s；由于多存儲對多取出式需要拉桿動作兩次，因而出庫時間較長，需要1.42s，基本上是上面兩種的3倍。存儲與取出一一對應(yīng)式取出機構(gòu)需對p×q組貨物進行控制，多存儲對一取出式控制是q組，而多存儲對多取出式需控制p+q組。從控制的復雜程度來看，當需要控制的對象即取出機構(gòu)越多，復雜度也就越高，而且現(xiàn)場的布線也是需要解決的一大問題，空間預留量大，對取出機構(gòu)的外觀設(shè)計也是不利的。

4.4 不同取出機構(gòu)現(xiàn)場裝配難易程度分析

存儲與取出一一對應(yīng)式各組成部件間易于實現(xiàn)模塊化設(shè)計，而且安裝于儲存貨架上的固定擋軸也可從貨架槽中隨時抽離，且處于相同行的七八個倉庫儲存口可實現(xiàn)共享，非常方便。多存儲對一取出式中設(shè)計的翻板與儲存貨架相連在一起，用于貨架上貨物的定位，由于其很容易在使用中磨損或損壞且都布置在儲存口處，因而更換時非常麻煩，需同儲存貨架同時更換。而多存儲對多取出式各向或各列拉桿均通用單個拉桿，因而要同時保證貨物出庫的順暢性，這對貨架平行性要求較高。

5 結(jié)論

本文對倉儲物流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和出庫方式進行了詳細闡述，其中倉儲物流中的取出機構(gòu)設(shè)計對于實現(xiàn)自動或智能化的倉儲物流系統(tǒng)至關(guān)重要，不容忽視。對取出機構(gòu)的存儲與取出一一對應(yīng)式、多存儲對一取出式和多存儲對多取出式三種貨物出庫方式進行了分析，并構(gòu)建了取出機構(gòu)的一般數(shù)學模型，對取出機構(gòu)的力學機理進行了揭示。同時，對于一個現(xiàn)代化的倉儲物流系統(tǒng)來講，有很多重要的因素是不容忽視的，例如運作成本、機構(gòu)可靠性及貨物出庫時間和現(xiàn)場可裝配性，都是影響機構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要的影響因素。通過對三種不同取出機構(gòu)性能優(yōu)缺點的對比分析和現(xiàn)場試驗驗證，針對不同的倉儲物流系統(tǒng)來說，應(yīng)合理選擇不同的取出機構(gòu)，以取得更好的經(jīng)濟和社會效益。

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