倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人在汽車工廠一次物流領(lǐng)域的應(yīng)用

葛世恭，鄒康宇

（風(fēng)神物流有限公司 物流技術(shù)部，廣東 廣州 510800）

1 引言

隨著中國(guó)汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，汽車銷售價(jià)格降低，汽車制造企業(yè)向汽車供應(yīng)鏈上下游環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移成本壓力已成為不可避免的趨勢(shì)。而經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展帶動(dòng)了人力成本的上漲，作為勞動(dòng)密集型的汽車物流企業(yè)面臨招工難、利潤(rùn)低的問題。另一方面，物流自動(dòng)化裝備發(fā)展日新月異，在物流行業(yè)得到廣泛關(guān)注，尤其是電商物流因其作業(yè)模式具備自動(dòng)化設(shè)備導(dǎo)入優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化水平走在了物流行業(yè)前列，為汽車物流提供了借鑒。

2012年，亞馬遜斥資7.75億美元收購(gòu)Kiva systems公司的機(jī)器人項(xiàng)目，在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)入KIVA機(jī)器人，提高近50%的分揀處理能力，在業(yè)內(nèi)引起轟動(dòng)。伴隨著國(guó)內(nèi)電商的飛速發(fā)展，近年來電商物流KIVA機(jī)器人需求日漸增多，帶動(dòng)了設(shè)備市場(chǎng)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)?？低暋⑩S、快倉(cāng)等自動(dòng)化設(shè)備公司仿照KIVA機(jī)器人，開發(fā)了自己的倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人產(chǎn)品，并在天貓、京東等公司倉(cāng)庫(kù)得以應(yīng)用，取得了良好反響。目前，磁導(dǎo)航AGV在汽車廠已得到廣泛應(yīng)用，尤其是二次物流環(huán)節(jié)，AGV[1-5]與輔助機(jī)械機(jī)構(gòu)配合完成物料的上線，自動(dòng)化程度較高。但一次物流因?yàn)樽鳂I(yè)環(huán)境復(fù)雜，自動(dòng)化程度仍然較低，且磁導(dǎo)航AGV磁條維護(hù)成本較高，柔性較差。相比一般磁導(dǎo)航AGV，倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人體積小、行動(dòng)靈活，在窄巷道內(nèi)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。目前，國(guó)內(nèi)一些汽車物流企業(yè)已著手在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)入倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人。

本文基于汽車物流企業(yè)工廠物流作業(yè)特性以及倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人的特點(diǎn)，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人在汽車工廠一次物流作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用模式進(jìn)行了探討。

2 汽車工廠一次物流流程

在零部件物流供應(yīng)鏈中，汽車零部件在供應(yīng)商工廠內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)，經(jīng)過前端和末端物流集配中心后進(jìn)入汽車裝配廠，進(jìn)入汽車工廠之后的流程如圖1所示。卡車入廠后，在待機(jī)場(chǎng)等待指示，根據(jù)指示進(jìn)入卸貨雨棚，依次經(jīng)過叉車卸貨入庫(kù)、集配、牽引車供給、返空、容器整理、容器裝車等環(huán)節(jié)。

分析設(shè)備的特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，KIVA主要應(yīng)用于部品的集配、供給以及返空環(huán)節(jié)，用以取代人工揀選以及牽引車轉(zhuǎn)運(yùn)與投料作業(yè)。

圖1 汽車工廠一次物流作業(yè)流程示意圖

3 “貨到人”模式在大件集配揀選作業(yè)中的應(yīng)用

汽車零部件種類多，包裝形態(tài)各異，為方便區(qū)分，將零部件按照包裝形態(tài)分為大件和小件，大件為鐵料架包裝，小件為膠箱、塑脂箱包裝。小件集配揀選人員作業(yè)時(shí)間主要集中在搬運(yùn)和揀選，行走時(shí)間較短，“貨到人”的作業(yè)模式經(jīng)濟(jì)性較差；多數(shù)大件集配作業(yè)采用整托集配方式，不宜導(dǎo)入“貨到人”模式；少數(shù)大件集配采用倉(cāng)庫(kù)排序至專用棚車的方式，由于大件部品體積較大，平鋪面積較大，因此作業(yè)人員走動(dòng)距離較遠(yuǎn)，在作業(yè)時(shí)間中行走時(shí)間所占比例較大，采用“貨到人”模式經(jīng)濟(jì)效益較好。此外，這種作業(yè)場(chǎng)景與目前大多數(shù)電商物流揀選場(chǎng)景類似，電商物流經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

3.1 作業(yè)模式

“貨到人”（Goods to person）揀選，即在物流揀選過程中，人不動(dòng)，貨物被自動(dòng)輸送到揀選人面前，供人揀選，與之相對(duì)的揀選方式是“人到貨”（Person to goods）?！柏浀饺恕睊x有超過40年的發(fā)展歷史，最早的“貨到人”揀選是由自動(dòng)化立體庫(kù)完成的，托盤或料箱被自動(dòng)輸送到揀選工作站，剩余的部分仍然自動(dòng)返回自動(dòng)立體庫(kù)中儲(chǔ)存，如圖2所示。

圖2“人到貨”與“貨到人”模式示意圖

圖2 -a中，在“人到貨”模式中，集配揀選人員手推棚車按照零件排序清單逐項(xiàng)來到各個(gè)指定庫(kù)位進(jìn)行揀選，當(dāng)訂單密度小時(shí)，人員需要頻繁地在庫(kù)位之間走動(dòng)，導(dǎo)致作業(yè)充實(shí)度較高。相比之下，如圖2-b所示，集配揀選人員站在指定地點(diǎn)，通過掃描清單或者物料呼叫等方式向倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人的調(diào)度系統(tǒng)（即RCS）傳送需求信息；RCS根據(jù)需求信息向倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人下達(dá)任務(wù)指令；倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人按照指令潛入到指定庫(kù)位臺(tái)車底部，將臺(tái)車及其上方容器頂起，轉(zhuǎn)運(yùn)到集配揀選人員附近。按照這種方式，人員只需在小范圍走動(dòng)即可，極大程度地減少了行走時(shí)間。

針對(duì)“貨到人”模式，可采用如下方法估算模式導(dǎo)入后的效益。

其中，ΔP表示遞減人員/工時(shí)，P0表示目標(biāo)崗位導(dǎo)入設(shè)備前人員配置/工時(shí)，T0表示集配揀選人員每作業(yè)班次時(shí)間內(nèi)行走時(shí)間，T表示集配揀選人員每作業(yè)班次時(shí)間內(nèi)工作時(shí)間。比如，某一場(chǎng)景中，單班配置3名集配揀選人員，在每作業(yè)班次內(nèi)平均每人工作時(shí)間360min，其中行走時(shí)間150min，即P0=3，T0=150，T=360，則：

經(jīng)過計(jì)算，在以上條件下，導(dǎo)入倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人可遞減人員1.25人/班，節(jié)約人工工時(shí)450min。

3.2 信息傳遞

“貨到人”的模式技術(shù)成熟，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)設(shè)備廠家均可實(shí)現(xiàn)該模式的軟件功能，該模式的一般系統(tǒng)邏輯如圖3所示。

圖3 集配揀選作業(yè)“貨到人”信息傳遞示意圖

集配作業(yè)：當(dāng)集配揀選人員需要集配某種物料時(shí)，通過物料呼叫系統(tǒng)向設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)（RCS）傳遞信息，倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人接受調(diào)度系統(tǒng)指令將所需物料整托轉(zhuǎn)運(yùn)到集配揀選人員附近，揀選完畢后將剩余物料送回庫(kù)位，等待下一次任務(wù)。

入庫(kù)作業(yè)：當(dāng)存儲(chǔ)區(qū)某庫(kù)位缺件時(shí)，缺件信息自動(dòng)傳遞到WMS系統(tǒng)，WMS系統(tǒng)將信息傳遞給叉車司機(jī)和RCS，叉車司機(jī)根據(jù)信息將所缺物料放到指定位置，倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人根據(jù)RCS指令將物料從指定位置轉(zhuǎn)運(yùn)至缺件庫(kù)位。

4 KIVA在大件供給作業(yè)中的應(yīng)用

在汽車工廠中，一次物流供給作業(yè)目前由人工牽引車完成，且供給人員在全部作業(yè)人員中比例較多，因此得到廣泛關(guān)注。供給作業(yè)主要包括轉(zhuǎn)運(yùn)與投料兩部分，國(guó)內(nèi)少數(shù)汽車廠通過導(dǎo)入磁導(dǎo)航AGV取代轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)，但投料作業(yè)尚未有較優(yōu)的替代方案。

小件投料采用人工逐箱向料架/工作臺(tái)投放的方式，不宜倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人的導(dǎo)入；大件投料采用整托物料臺(tái)車置換的方式，可以導(dǎo)入倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行投料作業(yè)。

4.1 大件供給作業(yè)模式

4.1.1 線邊料位擺放方式。小件投料采用人工逐箱向料架/工作臺(tái)投放的方式，不宜倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人的導(dǎo)入；大件投料采用整托物料臺(tái)車置換的方式，可以導(dǎo)入倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行投料作業(yè)。目前線邊大件料位主要有3種擺放方式：左右料位、前后料位和單料位，具體見表1，每種擺放方式分別對(duì)應(yīng)不同的自動(dòng)化供給模式。

表1 線邊料位擺放方式

4.1.2 具體作業(yè)模式分析。在汽車工廠總裝車間內(nèi)，最常見的料位擺放方式為前后料位。人工作業(yè)情況下，當(dāng)前側(cè)料位上物料用盡時(shí)，線邊工人將后側(cè)料位容器與前側(cè)料位容器互換位置，保持前側(cè)料位上有物料可用。如圖4所示，當(dāng)采用自動(dòng)化供給時(shí)，采用倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人（KIVA）實(shí)現(xiàn)前后料位容器互換位置，并對(duì)后側(cè)料位進(jìn)行補(bǔ)料，作業(yè)流程如下：

（1）KIT工人通過呼叫裝置同步發(fā)出置換信息和集配信息；

（2）控制系統(tǒng)調(diào)度KIVA執(zhí)行置換任務(wù)，KIVA-1將外側(cè)滿容器拉出（如圖5所示）；

（3）KIVA-2將內(nèi)側(cè)空容器拉出；

（4）KIVA-2進(jìn)行返空作業(yè)；

（5）KIVA-1將拉出的滿容器拉回內(nèi)側(cè)，置換動(dòng)作完成，等待下次任務(wù)；

（6）系統(tǒng)調(diào)度叉車和KIVA執(zhí)行集配/供給任務(wù)，叉車卸空容器；

（7）叉車將滿容器集配到KIVA-2的臺(tái)車上；

（8）KIVA-2根據(jù)供給任務(wù)指示前往相應(yīng)KIT工位；

（9）KIVA-2根據(jù)供給任務(wù)指示進(jìn)行供給投料；

（10）供給任務(wù)完成后KIVA-2需要等待置換/供給任務(wù)的發(fā)出。

以上模式采用2臺(tái)倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)的方式實(shí)現(xiàn)供給作業(yè)自動(dòng)化，該模式也可通過1臺(tái)倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人獨(dú)立作業(yè)實(shí)現(xiàn)功能，如圖6所示。

與前后料位相似，如圖7所示，針對(duì)左右料位，可采用AGV接力供給、AGV空滿置換等模式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化供給，普通磁導(dǎo)航AGV即可滿足功能要求，導(dǎo)入倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人可完成容器轉(zhuǎn)向等功能，使該模式應(yīng)用環(huán)境更為廣泛。對(duì)于單料位，可采用在線邊設(shè)置緩存的方式：倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人首先將部品容器從存儲(chǔ)區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)至線邊緩存區(qū)，再根據(jù)線邊生產(chǎn)需要將所需部品從線邊緩存區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)至線邊工位。線邊設(shè)置緩存的方式對(duì)于供給及時(shí)性要求高，目前應(yīng)用較少。

圖6 單臺(tái)倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人獨(dú)立作業(yè)

圖7 左右料位：AGV接力供給和空滿置換

4.2 信息傳遞

為了滿足供給作業(yè)的及時(shí)性，倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人、叉車司機(jī)以及線邊工人之間需要通過設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)（RCS）、物料呼叫系統(tǒng)進(jìn)行信息的傳遞，如圖8所示。

4.3 Flexsim仿真

在項(xiàng)目運(yùn)作過程中，各種因素處于不斷變化中，借助仿真可以對(duì)全流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而對(duì)方案的技術(shù)可行性進(jìn)行評(píng)估。下面以某倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人供給項(xiàng)目為例，采用Flexsim軟件進(jìn)行仿真建模。

圖8 供給作業(yè)信息傳遞示意圖

圖9 某KIT集配區(qū)零件供給作業(yè)示意圖

4.3.1 仿真背景。如圖9所示，選取某KIT集配區(qū)29種零件供給作業(yè)為仿真對(duì)象，每種零件占據(jù)前后兩個(gè)工位，初始狀態(tài)全部零件滿SNP，零件信息見表2。

4.3.2 仿真模型建立。借助Flexsim軟件的AGV模塊功能，將任務(wù)執(zhí)行器代替KIVA的搬運(yùn)作業(yè)，并通過任務(wù)分配器、交通管制及路徑點(diǎn)屬性邏輯設(shè)置，實(shí)現(xiàn)KIVA全部作業(yè)流程的方針，仿真模型整體邏輯如圖10所示。

在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，零部件的消耗數(shù)量是動(dòng)態(tài)的，在仿真模型中，借助零部件的P/C屬性（單車用量×差異件比例）來代替各零部件的消耗速率，并通過處理器實(shí)現(xiàn)零部件按照準(zhǔn)確速率消耗。而在KIVA置換作業(yè)環(huán)節(jié)，任務(wù)執(zhí)行器與路徑網(wǎng)絡(luò)決策點(diǎn)屬性設(shè)置KIVA的預(yù)置換臺(tái)份及置換方式（1臺(tái)KIVA單獨(dú)置換與2臺(tái)KIVA協(xié)同置換）。最后在模型建立后，通過Global Table（全局表）與Dashboard（統(tǒng)計(jì)圖表）兩大模塊，針對(duì)整體模型各設(shè)備與作業(yè)環(huán)節(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與整理。模型整體運(yùn)行如圖11所示。

4.3.3 仿真結(jié)果分析。以倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人（KIVA）數(shù)量、生產(chǎn)節(jié)拍等參數(shù)為變量，統(tǒng)計(jì)缺件工位、最大響應(yīng)時(shí)間等數(shù)據(jù)，見表3。

根據(jù)各變量條件下詳細(xì)數(shù)據(jù)分析，得出模型各項(xiàng)參數(shù)變化趨勢(shì)：

（1）缺件發(fā)生時(shí)間：缺件存在于整個(gè)作業(yè)過程中。

圖10 仿真建模整體邏輯

表2 零件信息

圖11 模型運(yùn)行展示

表3 仿真數(shù)據(jù)匯總

（2）缺件工位數(shù)：在14-19波動(dòng)，方案變化對(duì)數(shù)量無明顯趨勢(shì)。

（3）缺件次數(shù)及數(shù)量：隨節(jié)拍↑，次數(shù)↑，數(shù)量↑；置換工作KIVA數(shù)↑，次數(shù)↑數(shù)量↑；同等KIVA數(shù)量下，預(yù)置換臺(tái)份逐漸↑，缺件情況呈現(xiàn)先↓后↑的情況。不同KIVA數(shù)的最少缺件預(yù)置換臺(tái)份不一。

（4）響應(yīng)均值及響應(yīng)率：節(jié)拍↑，時(shí)長(zhǎng)↑，響應(yīng)率↓；預(yù)置換臺(tái)份↑，時(shí)長(zhǎng)↑，響應(yīng)率↓；導(dǎo)致單次缺件數(shù)量增多。

（5）最大響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)：節(jié)拍↑，最大時(shí)長(zhǎng)↑，預(yù)置換臺(tái)份↑，最大時(shí)長(zhǎng)明顯↑；置換工作KIVA數(shù)↓，最大時(shí)長(zhǎng)↓。

（6）置換不及時(shí)原因：在極端情況下，同一時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生多個(gè)置換任務(wù)，而現(xiàn)有KIVA數(shù)量無法滿足全部置換需求。

4.3.4 優(yōu)化建議。通過分析各參數(shù)變化趨勢(shì)，重新導(dǎo)入變量數(shù)據(jù)尋找最優(yōu)方案（缺件情況最優(yōu)），兩方案下的展開變量數(shù)據(jù)設(shè)置見表4、表5。

表4 方案一（2臺(tái)KIVA協(xié)同置換）數(shù)據(jù)

表5 方案二（1臺(tái)倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人單獨(dú)置換）數(shù)據(jù)

通過對(duì)兩方案展開數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并考慮實(shí)際作業(yè)情況，得出了最優(yōu)建議：

方案一：設(shè)置預(yù)置換臺(tái)份為4，設(shè)置充電位2個(gè)，各尺寸臺(tái)車集配區(qū)緩存3臺(tái)，考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試運(yùn)行，建議針對(duì)不同零部件設(shè)置不同的預(yù)置換臺(tái)份。

方案二：設(shè)置預(yù)置換臺(tái)份為8（結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)考慮），設(shè)置充電位2個(gè)，各尺寸臺(tái)車集配區(qū)緩存3臺(tái)，考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試運(yùn)行，建議針對(duì)不同零部件設(shè)置不同的預(yù)置換臺(tái)份。

5 結(jié)語

本文基于倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人的特點(diǎn)，對(duì)設(shè)備在汽車工廠一次物流領(lǐng)域的應(yīng)用前景做了展望。從模式和信息兩方面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人在集配揀選和供給作業(yè)中具備一定的應(yīng)用可行性。