面向離散制造業(yè)的裝配車間生產(chǎn)物流規(guī)劃分析

任超，郭慶峰

（金航數(shù)碼科技有限責任公司，北京 100028）

離散制造業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場物料種類繁多，難以進行有效的分類存儲和配送，而車間生產(chǎn)物流連接著倉儲和生產(chǎn)現(xiàn)場，起著承上啟下的作用，因此，對于交付節(jié)拍和生產(chǎn)效率起著關(guān)鍵作用。基于智能制造新技術(shù)建設自動化的生產(chǎn)物流系統(tǒng)，有利于實現(xiàn)物料的準時配送，提升物流運轉(zhuǎn)效率，實現(xiàn)企業(yè)高效生產(chǎn)。因此，作為企業(yè)“第三利潤源泉”，發(fā)展智能物流能夠有效推動企業(yè)整體生產(chǎn)模式優(yōu)化，推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。離散制造是指在生產(chǎn)過程中物料處于一種離散的狀態(tài)的生產(chǎn)形式，其產(chǎn)品往往由多個物料經(jīng)過一系列不連續(xù)的加工、裝配工序制造而成。離散制造業(yè)的生產(chǎn)物流通常需要借助一定的轉(zhuǎn)運工具，將生產(chǎn)過程中的原材料、零組件、產(chǎn)品等物料運送到各工序或存儲區(qū)域，形成不同生產(chǎn)單位之間的流轉(zhuǎn)。離散制造業(yè)有多品種、小批量、資源管理復雜、存在并行生產(chǎn)等特點，因此，對于車間生產(chǎn)物流進行合理規(guī)劃更加困難。因此，本文結(jié)合離散制造企業(yè)C的生產(chǎn)特點，在現(xiàn)有車間工藝布局基礎上進行面向物流的布局優(yōu)化，并建立AGV測算數(shù)據(jù)模型進行測算該車間改造后所需AGV數(shù)量，從物流布局優(yōu)化和AGV數(shù)量測算兩方面進行該裝配車間的物流規(guī)劃分析。

1 現(xiàn)狀與需求分析

1.1 現(xiàn)狀與問題

C公司的該裝配車間主要承擔某型產(chǎn)品的裝配工作，分為四個裝配區(qū)、兩個揀配區(qū)、一個拆包區(qū)、一個暫存區(qū)。生產(chǎn)作業(yè)方面，該裝配車間生產(chǎn)節(jié)拍為40分鐘；新品作業(yè)方式為站位式作業(yè)，生產(chǎn)節(jié)拍為4小時。物料管理方面，存儲形式為貨架、堆場、籠框、小箱。貨架標識僅人眼可識別，物料及小箱標識為人工手寫，現(xiàn)場的物料出入庫信息需人工傳遞。物料分揀方面，當前，物料的分揀工作主要依靠人工完成，分揀的頻率根據(jù)產(chǎn)線生產(chǎn)情況包含按單臺分揀和按批次分揀兩種，以按批次分揀為主。物料配送現(xiàn)狀，當前物料的配送形式包括叉車配送和人工推車配送；配送模式包括按單臺配送和按批次配送兩種，以按批次配送為主。

通過對現(xiàn)狀分析，目前該車間物流管理主要存在以下問題：揀選工作量大、揀選效率低、信息的傳遞與執(zhí)行依賴于人工，此外，叉車對中型件、大件物料配送，存在一定的安全隱患，缺少準確、統(tǒng)一的路徑規(guī)劃，運轉(zhuǎn)比較混亂，人工使用推車配送的準時性、準確性無法得到保障。

1.2 解決思路

（1）通過應用AGV實現(xiàn)入庫、揀選、配送等環(huán)節(jié)的自動化。在入庫、配送、運載貨架回收等環(huán)節(jié)使用AGV替代人工作業(yè)，以提高車間物流系統(tǒng)的出入庫和配送能力，一方面大幅降低物流環(huán)節(jié)人工成本，一方面滿足未來提高產(chǎn)能對按節(jié)拍單臺配送對配送準時性所提出的嚴格要求。在揀選環(huán)節(jié)用“貨到人”模式替代“人到貨”模式，完全消除庫管人員在存儲區(qū)域內(nèi)尋找貨物的非增值環(huán)節(jié)，大幅減少揀貨人員，顯著提高揀貨效率，滿足按節(jié)拍單臺準時配送對揀貨頻率的要求。

（2）通過布局優(yōu)化提高存儲區(qū)域的使用率。在車間內(nèi)的存儲區(qū)域，通過搭建二層平臺，擴充存儲空間。一方面，減少線邊積存物料的情況；另一方面，提升存儲區(qū)域的存貨能力。在兩層存儲空間內(nèi)，按物料規(guī)格劃分存儲區(qū)域。通過區(qū)分一層、二層的存儲物料，使庫內(nèi)的物料管理更加規(guī)范，同時，有利于提升庫內(nèi)尋貨的效率。

2 裝配車間物流布局與AGV數(shù)量測算

2.1 物流工藝布局

圖1 倉儲總體布局示意圖

（1）總體布局（圖1）：①揀配區(qū)改造為上下兩層，上層為小件配送中心，下層存儲中大型件物料。②小件物料采用潛伏機器人實現(xiàn)從拆包裝到揀配區(qū)、從揀配區(qū)到分裝區(qū)和生產(chǎn)線、從分裝區(qū)到生產(chǎn)線的自動化智能配送，揀配區(qū)實現(xiàn)“貨到人”。

（2）配送規(guī)則：①大中小件物料通過叉車按區(qū)域分別放到大件存儲區(qū)、暫存區(qū)、中小件拆包區(qū)。②物料進入拆包區(qū)后，人工進行合格品分揀，由潛伏機器人根據(jù)物料類型自動將中型件運送入揀配區(qū)緩存，將小件運送至入庫提升機并與提升機自動接駁將物料運送至揀配區(qū)，多余物料運送至暫存區(qū)入庫，庫位由倉庫管理系統(tǒng)隨機分配，并由潛伏機器人調(diào)度系統(tǒng)指示潛伏機器人把物料運送至分配庫位。對于一些短缺物料的到貨配送，由潛伏機器人直接從分揀區(qū)直接配送至需求工位。③緩存庫至分裝區(qū)物料配送：由潛伏機器人接受調(diào)度系統(tǒng)指示，從緩存庫把物料運送至分裝區(qū)指定位置，并進行物料出庫處理，把空物料車放在指定位置。④緩存庫至上車線/下車線/裝配線配送：由潛伏機器人接受到調(diào)度系統(tǒng)指示，從緩存庫把物料運送至指定位置，并進行物料出庫處理，把空物料車放在指定位置。⑤物料由提升機輸送至揀配區(qū)后，由潛伏機器人調(diào)度系統(tǒng)指示潛伏機器人把物料運送至分配庫位。待產(chǎn)線有物料需求后，RCS根據(jù)WMS的指令，從揀配區(qū)內(nèi)的庫位內(nèi)獲取所需物料貨架運送至工作臺，在工作臺由人工進行揀選所需的物料數(shù)量，放至運載貨架上并進行出庫登記。潛伏機器人運送運載貨架至提升機處由提升機傳送至一層，由一層的潛伏機器人將運載貨架及其裝載的物料進行配送至產(chǎn)線。

2.2 AGV數(shù)量測算

（1）測算模型。AGV數(shù)量可拆分為不同的揀配區(qū)計算，不同的揀配區(qū)可以分為出庫和入庫兩個應用場景，考慮AGV數(shù)量和搬運循環(huán)路線長度、平均速度、搬運節(jié)拍之間關(guān)系，以該車間二層揀配區(qū)入庫場景為例建立數(shù)學模型：

AGV入庫完成搬運一個循環(huán)的作業(yè)總時間：

式中，S為AGV從起始點到搬運終點的實際往返循環(huán)路線長度；v為AGV運行的平均速度，取值范圍為0.5～0.6m/s；實際運行時長的直線通道上行車速度可以根據(jù)實際路況適當提高設置；Tj為停車減速及轉(zhuǎn)彎減速、交通管理、異常情況、自主充電等隨機擾動項。

AGV入庫的搬運節(jié)拍：

其中，t1為單個工位配送周期，n1為工位個數(shù)，N1為揀選物料種數(shù)。

AGV入庫的需求數(shù)量：

其中，Q1為需要對接入庫或出庫提升機的AGV數(shù)量。

綜上可得，AGV需求總數(shù)量：

即所有揀配區(qū)出庫和入庫業(yè)務場景中所需AGV數(shù)量之和。

（2）驗證與分析。以該車間二層揀配區(qū)入庫場景為例進行模型求解和分析，AGV搬運來回循環(huán)線S為60m，AGV運行平均速度v=1.5m/s，循環(huán)時間在忽略轉(zhuǎn)彎、避讓和等待的條件下：T=60/1.5=40s?，F(xiàn)場30個工位，每個工位30min配送一次，每次配送需要在二層揀選10種物料進行估算，即30min內(nèi)需進行30×10=300次揀選任務。搬運節(jié)拍M為30×60/300=6s。

因此，二層庫房內(nèi)物料入庫搬運需要機器人數(shù)量為Qi=40/6+1=7.7個。取整為8個。入庫場景參考出庫場景，未考慮隨機擾動項情況下，入庫所需AGV為8個。

綜合考慮轉(zhuǎn)彎減速、交通管理、異常情況、自主充電等隨機擾動項，結(jié)合現(xiàn)場實際測驗，將Tj轉(zhuǎn)化為AGV需求數(shù)量的放大系統(tǒng)，考慮冗余情況下的二層揀配區(qū)AGV小車數(shù)量=（8+8）×1.3=20.8，取整為21個。

參照上述模型，依次計算出一層揀配區(qū)左側(cè)、一層揀配區(qū)右側(cè)、產(chǎn)線配送大型AGV、產(chǎn)線配送小型AGV分別為6個、13個、4個、16個。

（3）應用效果。該裝配車間AGV和相關(guān)軟件系統(tǒng)投入應用以來，達到了以下效果：①提升作業(yè)效率。批產(chǎn)的某型產(chǎn)品產(chǎn)量由當前的500件/月提升至600件/月；批產(chǎn)作業(yè)節(jié)拍由當前的40分鐘提升至30分鐘；新品某型產(chǎn)品產(chǎn)量由當前的120件/月提升至150件/月。②優(yōu)化車間物流。由按批配送為主的模式向全部按單臺配送模式的轉(zhuǎn)變；實現(xiàn)嚴格按30分鐘生產(chǎn)節(jié)拍的準時配送；優(yōu)化改善當前倉儲配送中心的存儲現(xiàn)狀。③降低配送成本。通過AGV實現(xiàn)庫內(nèi)物料的自動尋貨、貨到人的分揀、庫房至產(chǎn)線的自動配送，大大減少物流環(huán)節(jié)的作業(yè)人員，對于部分單件存儲管理物料爭取實現(xiàn)無人的物流配送，達到了減少人員成本的目標。

3 結(jié)語

本文以離散制造企業(yè)C的裝配車間為例，對該車間生產(chǎn)物流進行了現(xiàn)狀和需求分析，通過對其工藝布局的優(yōu)化，基于新的工藝布局建立了AGV數(shù)量測算模型，并進行了車間實際需求AGV數(shù)量測算。最終提升了企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的作業(yè)效率，優(yōu)化了車間物流，同時，降低了配送成本。后續(xù)可針對配送路徑優(yōu)化、AGV與MES系統(tǒng)集成等方面進行針對性分析，以提升企業(yè)整體的智能制造水平。