轻载料箱类自动化立体库的前世今生

今天让老K再次带着大家一起了解一下这些发生在我们仓储物流自动化行业的工程师们的智慧结晶。

料箱与托盘

为了让大家更好的理解托盘类立体库与料箱类立体库的区别，这里先把两者的典型物料摆出来给大家有个直观的认识：

托盘类物料：

典型尺寸：1200mm(长)*1000mm（宽）*1500mm（高）

典型重量：1吨

料箱类物料：

典型尺寸：600mm(长)*400mm（宽）*200mm（高）

重量：20Kg

将料箱放置到托盘的感觉大概如下：

很显然，在厂内的所有物料环节中，不可能所有的物料存放单元都是以托盘为单位的，而伴随着厂内的物料的加工、拣选、临时存放等过程更多发生的是以比托盘更小的物料为存放单元的，又或者是从托盘上拆下来的更小的物料单元。

另外随着当今商业的变化，电子商务的崛起，在Ｃ2B商业中大量的仓储系统中的订单朝着更加碎片化的方向发展，仓储的订单履行需要从大量的料箱类存储单元

前世

与托盘类起源时的坎坷出身不同的是，料箱类的自动化立体库是含着金钥匙出身的。

料箱自动化仓储系统是建立在传统托盘类自动化仓储系统上被发展出来的。从传统托盘类自动化立体库到料箱类的自动化立体库，可以简单粗暴的理解为将重载的设施更换为轻载的设置就顺利过渡了，比如miniload料箱类自动化立体库。而这一过程并未经历很长的时间，传统的托盘自动化立体库在上世纪60年代被发明出来，而在70年代miniload轻载立体库就已经被投入实际生产中使用了。

事实上，传统的托盘自动化立体库为miniload的诞生，铺平了很多的技术上的道路：

• 系统整体构架和设计

• 堆垛机的控制系统的实现

• 堆垛机与配套设施的匹配：出入库端、货架、地面、消防等等

• 动化立体库信息管理系统与自动设备的对接

• 其他无数技术细节

miniload轻载型自动化立体库的诞生，开启了后续无数种料箱类自动仓储系统的发明和出现，通过无数的工程师的智慧和工程实践，创建出各种精巧的轻载料箱类自动化立体库的实际应用。

经典miniload立体库

最早的miniload立体库是参考传统托盘式自动化立体库而来的，因此物料的小型轻载化是所有相关的系统组成部分调整的方向：

• 高位托盘货架调整为轻载料想式货架

• 堆垛机本体轻量化，载货台调整的更加小巧

• 出入库周边的设施由1吨左右的重载调整为几十公斤的轻载设施

与传统托盘立体库的平面布局类似，miniload立体库常见的布局也类似如下：

今生

miniload立体库在上世纪70年代就开始国外投入使用，随着商业的发展、应用场景的变化和自动化技术的进步，miniload立体库也在逐渐的发展中，主要体现在如下几个方向：

密集

与托盘自动化立体库的优化过程类似，miniload自动化立体库也有需要更加密集的应用场景，需要每台堆垛机能触及更多的料箱。因此也有类似的双伸位、三伸位甚至更多的伸位的密集的miniload自动化立体库。

多伸位的料箱存储货位用法与托盘类的类似。

与托盘的密集存储类似的系统也有miniload配合流利式货架的方式，如下图。

快速

在传统商业模式中，主要以整托盘或者整箱为单元的大批量仓储和运输，而随着电商商业模式的变化，订单碎片化特征越来越明显，多频次、小批量和及时响应成为仓储物流的方向。因此提高吞吐量也变为miniload立体库的发展方向。

对于离散搬运设备，提高其吞吐量，一方面可以提高miniload堆垛机的本身运行速度，比如一些miniload堆垛机的水平运行速度能高达300m/min；另外一方面也可以通过提升单次搬运的装载量来实现。比如堆垛机上的双料箱存储机构：

或者更灵活的双载货台

或者双层分离的载货台上叠加双存储货位：

亦或者同一巷道内多台miniload堆垛机并行实现吞吐量的最大化。

需要提出的是：与传统托盘对堆垛机不同的是，由于处理的轻载物料在几十公斤，因此miniload堆垛机上的存取机构可以采用新的一方式：伸缩夹抱的方式，省去了传统货叉的提升动作，使料箱的存储过程更加快速。

• 传统货叉：

• 伸缩夹抱：

以上提及的miniload立体库中的使用前提是，所有的物料都是统一尺寸的，比如同样的周转箱或者统一尺寸的纸箱。而能处理各种不同尺寸料箱的立体库是要满足市场碎片化、产品差异化的必经之路。通过改进夹抱机构使其可自调整以适应不同的料箱尺寸，也在广泛的应用场景下会逐步投入使用。

演化

随着近代电子商务突飞猛进式的发展和大规模定制时代的到来，商品的种类越来越繁多，订单批量越来越小，而对时效性要求却越来越高，仓库已经不只是存储和保管物料，而是以支撑快速周转和订单拣选的角色出现了。比如很多电商中拣选需要做到每人每小时600个订单行的吞吐量。

为了应对上述这种超高吞吐量的场景要求，工程师需要在常规的miniload立体库上别出心裁的优化和改造以提高料箱的出入库吞吐率。

多层穿梭车系统

以一个巷道为例，如果能在一个轨道上布置N台minload堆垛机，那势必可以提升整体效率。

不幸的是一个轨道上的堆垛机太多了互相影响运行，效率反而底下。

而从高度方向上如果按层把堆垛机分割后布置到各层上，则可将一个巷道内的各个层同时并发出入库，效率得到“层数倍”的提升。比如堆垛机有10层，按层分割后每层设置一个出入库设备，整体效率将会是10倍（现实不可能）。

此时多层穿梭车就诞生出来了：

穿梭车只在本层的轨道上前后运行，并用伸缩夹抱机构进行料箱的存取。多个穿梭车在不同货架层上前后运行和存储料箱代替了堆垛机的运行，同时由于穿梭车没有升降功能，因此需要物料放置于每层的端口处，由专用提升机完成各层的互换。换句话将堆垛机的垂直升降动作转移给了巷道口的料箱提升机，此提升机无需水平方面移动。

多穿系统的布局和基本构成如下：

四向多穿系统

多层穿梭车立体库里的每个穿梭车只能处理左右两排货架里的料箱，如果货架排数较多，那就需要立体库配置更多的穿梭车用来给多个巷道的料箱进行进出库作业。如果穿梭车能自己移动到隔壁的巷道里，那多排货架可以用少量的穿梭车就能完成所有料箱的进出库作业。也就是穿梭车除了能前后移动，也能左右移动，即四向多层穿梭车。

在吞吐量要求不算太高，布局需要更加灵活、需要节省整体系统的场景下，有类似的应用需求。

整体的布局如下图所示：

可爬升的多穿系统

不论是两向多穿还是四向多穿系统，物料从货架高处到拣选层都是通过提升机完成的。如果穿梭车能带着物料在货架上上升下降，则可以省掉提升机机构，从而使系统的搭建将更加轻量化，系统柔性有提升。

“两栖”穿梭系统

不论是miniload还是多穿系统，库内的搬运设备由于必须沿着既定轨道，因此只负责库内货架区域的物料存储，物料离开立体库到其他上下游设施使，多数都是采用输送机或者其他设备。

如果堆垛机或者多穿系统能离开货架而直接搬运货物进入上下游，那系统的柔性将进一步加强，整体系统配置结构更加简单。

货架地面“两栖”穿梭车并由此产生。此类穿梭车不仅能在货架内进行物料的存储，还可以直接离开货架在普通地面运行到人工拣选工位处。

垂直式存储料箱立体库

以上所有的料箱自动立体库对于料箱单元的存储动作都是由一个自动搬运机构朝着货架左右的方向完成料箱的存储，搬运设备是沿着巷道运行的。

如果把巷道去掉，那这样的仓库势必是最密集的。基于这种的思路出发，国外有垂直式的料箱自动立体库被研发出来。这种自动库由垂直的货架单元格组成，料箱被搬运机器人放到垂直的一个个的格子里，料箱和料箱之间是上下堆叠的，所有的存放动作有位于货架上方的多台搬运机器人完成，货架既是存储料箱的容器，也是搬运机器人运行的轨道。

其他

在现实情况中，由于存储工艺和现场工控的不同，不同的行业往往会有自己特殊的需求场景。因此除了上述的几种料箱自动化仓储系统位，工程师们针对性的运用自己的智慧，开发除了一些针对特定应用场景下的特殊的料箱类的自动化存储系统。

无货架式垂直立体库

以上介绍的各种料箱立体库形式都是将料箱存放到货架里，如果不用货架，料箱直接垂直的一个个互相堆叠摞在地上，然后由一个天车式的机构进行存储也可以完成同样的自动存储的效果。这种自动立体库需要料箱互相能物理上上下两个料箱嵌套的很好，保证足够的稳定。

环形货架机器人拣选库

以上介绍的各种料箱立体库里对应的货架占地范围上整体是个长方形的布局，这就意味着需要自动化的存储设备需要顺着长边的方形进行移动才能够到所有的物料单元，移动就需要消耗时间，如果当前的订单需要出入库很快，并且存储的容量不大的话，可以考虑用如下的自动化系统，想必很多人在网上看到过它的身影，在菜鸟无人仓里，由机械手配合环形货架组合而成的小型立体库。

移动货架立体库

上边几种料箱自动化立体库都是由一个自动机器来搬运仓库里的每个料箱单元，而货架是保持不动的，换个思路，如果货架单元可以动的话，也可以达到自动进出库的目的。

旋转立体库

与移动货架自动库类似，整个货架单元旋转起来并结合自动存取机构也在电商行业里有的案例应用。料箱被存储在一个可以自动旋转的货架结构里，在旋转货架的一端配置有一个可以从货架上自由提取料箱的进出库机构。

柔性机器人料箱立体库

随着亚马逊投资Kiva公司之后，类Kiva搬运机器人在电商行业有了爆发式的应用。类Kiva机器人无需地面轨道，通道地面二维码定位惯性导航方式或者其他导航方式指导搬运机器人在仓库内自由的运行。基于类Kiva搬运机器人的底盘，一些可以在高位货架进行料箱的存储机器人也在货到人拣选中有所应用。

总结

经典的自动化立体库仓库经久不衰，目前仍旧在各个行业中有着非常广泛的应用。本文中提及的料箱类的各种自动化仓储系统是传统自动化托盘立体库仓库的延续和发展。每种不同的系统都有各自适应的应用场景，互相并不能完全替代。传统方案有传统方案的优势和劣势，新型的自动化存储方案有前沿的技术加持，但也有很多潜在的问题和不一定能全面适应的场景。总之，随着人工智能技术的逐渐普及，未来的自动化立体仓库会演化成何种形式，很值得我们的期待！