航天數(shù)字化生產(chǎn)線中的自動化倉儲物流建設(shè)研究

任秀麗 敖洪峰 何月杰 康景麟 佟 巖 劉 磊

兩化融合

航天數(shù)字化生產(chǎn)線中的自動化倉儲物流建設(shè)研究

任秀麗 敖洪峰 何月杰 康景麟 佟 巖 劉 磊

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

介紹了自動化倉儲物流技術(shù)在某航天制造企業(yè)的數(shù)字化集成制造生產(chǎn)線中建設(shè)及應(yīng)用研究情況。重點分析了如何基于人、機、料、法、環(huán)的編碼體系在制造執(zhí)行系統(tǒng)MES中實現(xiàn)倉儲、物流環(huán)節(jié)的產(chǎn)品實時追溯、高效化、有序化及智能化管理。一方面從工藝流程角度對生產(chǎn)線中的物流進行了定性分析比較，另一方面根據(jù)實際應(yīng)用情況進行總結(jié)分析，結(jié)果表明自動化倉儲物流技術(shù)在提高生產(chǎn)線空間利用率、減少人工配套失誤、實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期實時追溯、加快生產(chǎn)節(jié)拍等方面效果顯著。

自動化倉儲物流；編碼體系；MES；全生命周期

1 引言

為迎接德國工業(yè)4.0時代背景下智能制造的全球化挑戰(zhàn)，作為高質(zhì)量、高可靠、高效率、零缺陷的行業(yè)代表，中國航天制造業(yè)正逐步實現(xiàn)由傳統(tǒng)制造模式到可重構(gòu)單元化制造、數(shù)字化集成制造等智能制造模式的蛻變。自動化倉儲及AGV自動配送物流管理因能實現(xiàn)有限空間內(nèi)物料的合理存儲及高效配送，廣泛應(yīng)用于航天制造業(yè)的集成制造生產(chǎn)線中。

2 發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況

2.1 自動化倉儲物流的現(xiàn)狀

自動化倉儲裝置是現(xiàn)代物流技術(shù)的核心環(huán)節(jié)和最新發(fā)展階段，可用于多形態(tài)的零組件的存儲及便捷性管理，同時適用于大型、大流量及高速物流的自動化處理[1]，具有有效提高空間利用率、加快物料的存起節(jié)奏和降低勞動強度等特點。

自動導(dǎo)引車（AGV，Automated Guided Vehicles）是一種沿預(yù)先設(shè)定軌跡行駛的自動化無人駕駛的智能搬運設(shè)備[2]，屬于移動式機器人，是構(gòu)成現(xiàn)代工業(yè)自動化物流系統(tǒng)如計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）等的關(guān)鍵設(shè)備之一[3]。AGV具有靈活、智能的顯著特點，能快捷地實現(xiàn)系統(tǒng)重組，完成生產(chǎn)過程的柔性化運輸[4]。

2.2 數(shù)字化集成制造生產(chǎn)線中的實際應(yīng)用

自動化倉儲系統(tǒng)與AGV集成之后可構(gòu)成一個完整的自動化倉儲及物流配送系統(tǒng)，實現(xiàn)物料從存儲、出庫及配送全過程的自動化管理。目前，AGV廣泛應(yīng)用于世界各國的物流產(chǎn)業(yè)，尤其是在汽車制造及裝配環(huán)節(jié)，比如豐田、大眾、通用等著名生產(chǎn)線。

本文基于自動化倉儲物流的管理技術(shù)，重點介紹了某航天制造單位中數(shù)字化集成制造生產(chǎn)線中物料存儲及配送的高效化、自動化及智能化實現(xiàn)及應(yīng)用過程。

3 基于編碼的自動化倉儲物流管理系統(tǒng)

3.1 總體思路

通過研究集中物料管理與自動化物料配送技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)線管控系統(tǒng)與自動化物流倉儲控制系統(tǒng)集成，實現(xiàn)毛坯、半成品、成品、工裝的自動出入庫和自動運輸過程控制，管理任務(wù)執(zhí)行進度和物料流向，最終實現(xiàn)生產(chǎn)線內(nèi)部物流的自動化管理，大幅減少物料周轉(zhuǎn)等待與查詢追蹤時間，提升生產(chǎn)線物料精準配送能力?；诰幋a的自動化倉儲物流系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖１ 基于編碼的自動化倉儲物流系統(tǒng)總體框架

結(jié)合編碼系統(tǒng)對產(chǎn)品在生產(chǎn)線內(nèi)的全生命周期進行追溯和統(tǒng)計，對物料的去向和狀態(tài)進行實時跟蹤，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程進行透明、嚴格的管理。物料追溯與統(tǒng)計過程如圖2所示。

圖2 物料追溯與統(tǒng)計過程

3.2 物料編碼系統(tǒng)

物料編碼系統(tǒng)[5]可以將生產(chǎn)線各類制造資源、人員、產(chǎn)品等信息進行編碼，通過與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）集成，實現(xiàn)產(chǎn)品在生產(chǎn)線制造全過程加工信息的自動記錄和產(chǎn)品在生產(chǎn)線全生命周期位置追蹤，形成產(chǎn)品加工過程數(shù)據(jù)包，可為質(zhì)量追溯提供數(shù)據(jù)支撐。編碼成為生產(chǎn)線中各項人員、物料及制造資源的身份標簽，通過掃碼即可實現(xiàn)信息的高效化識別和傳遞。以某航天制造企業(yè)中的數(shù)字化集成制造生產(chǎn)線為例，其采用的物料編碼系統(tǒng)以人、機、料、法、環(huán)5個方面定義編碼規(guī)則，利用該編碼規(guī)則實現(xiàn)了產(chǎn)品全生命周期的實時跟蹤，具體編碼規(guī)則如圖3所示。

圖3 編碼規(guī)則

3.3 自動化倉儲物流管理系統(tǒng)構(gòu)成

某航天制造企業(yè)生產(chǎn)線中的自動化倉儲與配送物流系統(tǒng)主要包括立體庫系統(tǒng)、升降庫系統(tǒng)、AGV自動導(dǎo)引車及授貨臺系統(tǒng)4個部分。其中，根據(jù)托盤規(guī)格的不同，立體庫主要用于存儲體積相對較大的產(chǎn)品如艙段類產(chǎn)品，而升降庫用于存儲體積小、數(shù)量多的小零件或標準件。

自動化倉儲系統(tǒng)主要由貨架、堆垛機、靜態(tài)稱重裝置、外形檢測裝置、鏈式輸送機、托盤、電氣控制系統(tǒng)、倉庫控制系統(tǒng)（WCS）、倉庫管理系統(tǒng)（WMS）及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成[6]。

3.4 自動出入立體庫及物流配送原理

圖4 自動化倉儲物流系統(tǒng)集成交互關(guān)系

MES將生產(chǎn)任務(wù)中的產(chǎn)品配套清單出庫指令、產(chǎn)品入庫指令或工位要料指令通過接口發(fā)送給自動化倉儲軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化出庫及配送等過程。自動化出庫時，軟件系統(tǒng)接收到MES的指令，先通過自身的倉庫管理系統(tǒng)（WMS）查詢相應(yīng)的庫位，再由電氣控制系統(tǒng)控制堆垛機取托盤至貨架出口，同時通過倉儲調(diào)度控制系統(tǒng)（WCS）向AGV的調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送調(diào)度指令，AGV自動運行至出庫口后，自動掃描托盤編碼確認信息后取走托盤及物料，再利用光通訊準確將托盤、物料送至相應(yīng)的工位授貨臺上。自動化倉儲系統(tǒng)、物流系統(tǒng)及MES之間的實時交互通訊，提高了生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行的自動化水平，自動化倉儲物流系統(tǒng)集成交互關(guān)系如圖4所示。

3.5 基于編碼的配套自動化出入升降庫原理

航天產(chǎn)品因結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、精密性高等原因，單個產(chǎn)品上所裝配的零件和標準件通常具有種類繁多、數(shù)量大的特點，以某伺服艙組件為例，其由30余項200多件零件組裝裝配而成，涉及50余種規(guī)格的近1000件標準件的裝配工作，其中鉚釘多達700多件。在航天產(chǎn)品裝配過程中，必須嚴格控制零件、標準件的批次，避免混用及亂用，保證EBOM、PBOM、MBOM的高度一致性。

為避免以上問題的出現(xiàn)，結(jié)合自動化升降庫系統(tǒng)和MES主要從以下幾個方面對傳統(tǒng)的入庫、配套出庫過程進行業(yè)務(wù)流程優(yōu)化：

a. 提前劃分功能區(qū)

在使用升降庫之前，對升降庫的各個托盤進行功能區(qū)劃定，可以提前對升降庫的使用進行合理規(guī)劃，避免使用一定階段后出現(xiàn)存放雜亂、無規(guī)律情況的發(fā)生。產(chǎn)品通過某一特性與功能區(qū)綁定之后，與升降庫集成之后的MES會按照劃分結(jié)果嚴格判斷限制升降庫入庫產(chǎn)品的存放位置，對于混放的指令系統(tǒng)不會執(zhí)行。通過分類放置，大大加快了存儲效率。

b. 存儲位置一致性優(yōu)先推薦

針對同一任務(wù)、合格證或其他特性的產(chǎn)品，集中存放會有效地提高取物料的效率，方便庫房進行管理。因此每一次存放產(chǎn)品時，除了依據(jù)功能區(qū)的限制外，會通過系統(tǒng)集成優(yōu)先自動推薦同一合格證、同一圖號或同一任務(wù)產(chǎn)品的位置給庫房管理人員，以此保證同類型、同批次產(chǎn)品的存放位置一致性，減少升降庫托盤的出庫次數(shù)，提高存儲效率。

c. 自動分層打印編碼與取放

當(dāng)一張配套清單上的所有物料存放托盤位置出現(xiàn)差異且數(shù)量種類繁多時，人工分揀常出現(xiàn)遺漏、錯放，也會有重復(fù)呼叫同一托盤放置不同產(chǎn)品情況，效率和準確率大大降低。因此提出了自動分層打印編碼與取放的方法，MES發(fā)送配套清單出庫指令時，根據(jù)每一項配套項的存儲位置統(tǒng)計出配套清單所有對應(yīng)托盤，驅(qū)動升降庫逐層順序執(zhí)行出庫動作，每出庫一層時，提示該層放置或取出產(chǎn)品的各項信息并自動打印物料碼，庫放管理人員按照信息取出相應(yīng)產(chǎn)品后粘貼對應(yīng)二維碼，點擊驅(qū)動托盤回庫，系統(tǒng)將繼續(xù)自動執(zhí)行下一層托盤出庫執(zhí)行指令。通過自動化分層打印編碼與取放，簡化操作流程，有效地避免人為失誤。

優(yōu)化后的基于編碼的自動化配套出庫流程如圖5所示。

圖5 基于編碼的自動化配套出庫流程

4 實現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 布局模型

以某航天制造企業(yè)的數(shù)字化集成制造生產(chǎn)線為應(yīng)用實例，產(chǎn)品數(shù)字化制造生產(chǎn)線包括機加、裝配、焊接三大制造單元，升降庫、立體庫、AGV、授貨臺等自動化倉儲及物流管理系統(tǒng)，通過制造執(zhí)行系統(tǒng)MES及產(chǎn)品物料編碼對生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行過程進行全生命周期的追溯和管理，實現(xiàn)智能化、一體化和有序化。具體的布局示意圖如圖6所示。

圖6 某航天制造企業(yè)生產(chǎn)線布局模型

4.2 生產(chǎn)線物流分析與對比

表1 作業(yè)單位間關(guān)系分級

自動化倉儲及物流管理系統(tǒng)應(yīng)用之后，將生產(chǎn)線物流從工藝流程角度進行了定性分析比較。根據(jù)物流及管理角度，將不同作業(yè)單位關(guān)系強度分為五個等級。該等級關(guān)系是從物流和管理的角度出發(fā)確定的，此處僅考慮加工現(xiàn)場的作業(yè)單位分類，各作業(yè)單位間關(guān)系分級情況如表1所示。

對各作業(yè)單位間的物流強度大小進行排序，同時從工作流程，管理方便，人員聯(lián)系等一系列非物流角度考慮，劃分相關(guān)關(guān)系強度等級，并繪制作業(yè)單位相關(guān)圖如圖7所示。

從分析結(jié)果可以看出，生產(chǎn)線中的重要物流主要發(fā)生于立體庫、升降庫、裝配一區(qū)、裝配二區(qū)、裝配三區(qū)及機加區(qū)之間。立體庫、升降庫在物理位置上介于裝配區(qū)與機加區(qū)之間，通過庫的南北出入口實現(xiàn)貫通。

圖7 作業(yè)單位間相互關(guān)系圖

圖8 單件產(chǎn)品平均運送時間比較

該生產(chǎn)線內(nèi)的產(chǎn)品由于體積和重量均較大，在自動化倉儲物流管理系統(tǒng)應(yīng)用之前，產(chǎn)品運輸需通過吊車進行人工吊運。單件產(chǎn)品從裝配一區(qū)運輸至機加區(qū)的平均吊運時間約為20min，至少需2名工人完成操作。同時，吊運過程中涉及到吊帶安裝與拆卸、多人操作、吊車路線沖突等問題，大大降低了產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍。自動化倉儲物流管理系統(tǒng)應(yīng)用之后，該類產(chǎn)品的運輸均可通過AGV、托盤和授貨臺完成自動化配送，裝配一區(qū)至機加區(qū)的平均運送時間可降低至2.6min，提高效率87%。對自動化倉儲物流管理系統(tǒng)實施前后生產(chǎn)線中的重要物流路線進行了對比，結(jié)果如圖8所示，結(jié)果表明，運送效率大大提高。

4.3 自動化倉儲物流管理系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)架構(gòu)包括表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層和系統(tǒng)層，采用B/S結(jié)構(gòu)，通過標準XML的數(shù)據(jù)接口的技術(shù)實現(xiàn)MES與立體庫、升降庫等硬件的驅(qū)動集成。通過Web頁面發(fā)送指令可直接操控升降庫、立體庫、AGV等自動化設(shè)備，實現(xiàn)高效的倉儲及物流自動化管理。系統(tǒng)中立體庫的操作管理界面如圖9所示，其中不同的圖標代表不同類別的物料。

圖9 系統(tǒng)立體庫操作管理界面

5 結(jié)束語

航天產(chǎn)品生產(chǎn)過程復(fù)雜、制造精度高、產(chǎn)品質(zhì)量可靠性高。本文所研究的自動化倉儲物流管理技術(shù)，基于人、機、料、法、環(huán)的編碼體系在MES中實現(xiàn)倉儲、物流環(huán)節(jié)的產(chǎn)品實時追溯與高效化、有序化及智能化管理，為建設(shè)多品種、變批量市場需求模式下的航天集成制造生產(chǎn)線建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。同時，也為自動化倉儲物流在整個航天制造業(yè)中的發(fā)展及推廣提供參考價值。

1 王淑艷，趙斐，周亮，等. 自動化倉儲系統(tǒng)在航天物流中的應(yīng)用[J]. 制造業(yè)自動化，2013，35(16)：94～95

2 徐清. 自動導(dǎo)引小車系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 蘇州：蘇州大學(xué)，2006

3 吳素霞. 計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）及其在我國的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 科技和產(chǎn)業(yè)，2005(5)：62～64

4 張辰貝西，黃志球. 自動導(dǎo)航車（AGV）發(fā)展綜述[J]. 中國制造業(yè)信息化，2010，39(1)：53～59

5 王素，郭智鋒，嚴麗娟. 面向汽車制造企業(yè)的一種PDM編碼技術(shù)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2008(5)：600～603

6 金盾. 我國物流自動化倉儲的發(fā)展趨勢及其優(yōu)化策略[J]. 企業(yè)導(dǎo)報，2013(7)：130

Research on Construction of Automatic Warehouse and Logistics in Aerospace Digital Integrated Manufacturing Production Line

Ren Xiuli Ao Hongfeng He Yuejie Kang Jinglin Tong Yan Liu Lei

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

It is mainly introduced in this paper that the construction and application of the automatic warehousing and logistics technology in the digital integrated manufacturing production line of an aerospace manufacturing enterprise. Based on coding system including people, machine, product, method and environment, the analysis of realizing instant, efficient, ordering and intelligent management of warehousing and logistics for MES is the key point. On the one hand, the paper makes a qualitative analysis and comparison of the logistics in the production line from the perspective of technological process, and on the other hand, it makes a summary of the actual application. The results show that the automatic warehousing and logistics technology has significant effects on improving the space utilization of production line, reducing the error of manual matching, realizing the real-time tracking of the whole life cycle and speeding up the cycle time for products.

automatic warehousing and logistics；coding system；MES；the whole life cycle

任秀麗（1990），工程師，機械工程及自動化專業(yè)；研究方向：智能制造MES等信息化相關(guān)研究。

2019-12-13