自動化立體庫在汽車售后配件中的設(shè)計與應(yīng)用

摘要：隨著物流技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化立體庫得到了廣泛應(yīng)用。在汽車售后配件管理中研究和應(yīng)用自動化立體庫，有助于提升配件的倉儲物流管理水平。本文以某汽車主機廠售后配件自動化立體庫建設(shè)項目為例，通過研究和集成應(yīng)用新一代料箱機器人、窄巷道自動化存取技術(shù)、智能倉儲管理系統(tǒng)和設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)等新技術(shù)、新裝備，實現(xiàn)配件訂單對接、供應(yīng)商來料接收入庫、庫區(qū)庫存管理、揀貨出庫以及盤點的全流程自動化，提升了汽車售后配件庫的自動化、少人化和數(shù)字化管理水平。

關(guān)鍵詞：售后配件；自動化；立體庫；倉儲管理；調(diào)度系統(tǒng)

中圖分類號：U468.8 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

汽車售后配件作為服務(wù)備件的一種，其需求的產(chǎn)生來源于預(yù)防性的保養(yǎng)和故障維修[1]。其通常具有以下特征。

（1）品類多：通常每一輛汽車由1 ～ 2 萬種零配件組成，而不同種類汽車配件也有眾多差異，導(dǎo)致了售后配件品種常常在數(shù)萬甚至十萬級以上。

（2）尺寸范圍廣：售后配件從小到一顆螺釘螺母，大到頂蓋側(cè)圍等鈑金件，尺寸范圍從數(shù)毫米到數(shù)米。

（3）訂單零散：售后配件按照4S 店需求采用訂單拉動式發(fā)貨，訂單零散，具有一定波動性和不確定性。

（4）材質(zhì)和包裝雜：汽車配件材質(zhì)包括金屬、玻璃和塑料件等多種類型，包裝形態(tài)常規(guī)有紙箱、木箱和氣泡膜等。

（5）標(biāo)準(zhǔn)化水平低：一般汽車售后配件涉及供應(yīng)商數(shù)百家，產(chǎn)品包裝、供貨能力等標(biāo)準(zhǔn)化水平參差不齊。

因上述品類多、尺寸范圍廣以及訂單零散等特征，汽車售后配件倉儲自動化水平通常不高。行業(yè)內(nèi)也多以高位貨架、閣樓或托盤堆垛等方式進行存儲，通過手動液壓車和普通叉車等物流設(shè)備輔助人工完成庫內(nèi)業(yè)務(wù)操作，現(xiàn)場作業(yè)和管理效率低，員工勞動強度大。隨著物流用工成本的逐年遞增，汽車售后配件倉儲的傳統(tǒng)物流作業(yè)模式越來越無法滿足現(xiàn)代化物流發(fā)展的需求[2]。

在汽車售后配件管理中研究和應(yīng)用自動化立體庫，有助于提升配件的倉儲物流管理水平。本項目研究應(yīng)用的自動化立體庫位于某汽車主機廠售后配件庫內(nèi)，主要用于中小配件的倉儲存放和出入庫管理。目的是通過建設(shè)小件自動化立體庫，實現(xiàn)對應(yīng)配件的自動化作業(yè)，提高倉儲空間利用率和物流揀貨發(fā)運效率[3]。

1 整體方案設(shè)計

1.1 整體思路

基于汽車售后配件特征和小件物料存儲和出庫特點，本項目選擇合適的配件倉儲品類和揀選方式，對提高整體存儲能力和效率起到至關(guān)重要的作用。對于出庫頻率和數(shù)量相對較高的快銷品，采用“貨到人”的揀選模式，可以充分發(fā)揮自動化和智能化效益，減少人工揀選時在庫內(nèi)走動找貨造成的效率損失，提高現(xiàn)場作業(yè)效率[4]。

另外，整體方案設(shè)計和自動化設(shè)備選擇上需要綜合考慮人機工程和現(xiàn)場安全。要最大程度減少人工搬運、行走和機器切換調(diào)整等場景，并兼顧充電安全、消防安全和作業(yè)安全。

1.2 整體布局

本項目所在的售后配件庫由堆垛區(qū)、閣樓貨架區(qū)、高位貨架區(qū)和收發(fā)區(qū)域組成（圖1）。倉儲操作以人工為主，配合手動液壓車和叉車等常規(guī)物流工具。其中，閣樓貨架區(qū)主要為小件存放區(qū)。本項目的自動化立體庫就選取閣樓區(qū)附件堆垛區(qū)域，以減少現(xiàn)場改造成本。綜合配件庫現(xiàn)場條件和訂單作業(yè)的效率需求，自動化立體庫整體設(shè)計要求：占地面積不超過500 m2，高度不超過6.00 m，設(shè)計庫容不少于5 800 個，出入庫綜合效率不少于200 箱/h。自動化立體庫主要分為自動化存儲區(qū)、理貨區(qū)和出入庫操作區(qū)（圖2）其中出庫操作區(qū)包括播種墻和揀選工作臺，主要用于對揀貨出庫配件進行整理和集貨。入庫操作區(qū)主要將待入庫料箱輸送上線，然后通過傳送系統(tǒng)，傳送至自動化存儲區(qū)。自動化存儲區(qū)由窄巷道貨架和自動化搬運機器人等組成，主要是完成料箱的自動化存取和搬運。

1.3 整體業(yè)務(wù)設(shè)計

入庫采用滾筒輸送線設(shè)計，配備讀碼器和移載抓稱重檢測設(shè)備。出現(xiàn)超重30 kg 或其他異常時會有聲光報警提醒，異常箱子經(jīng)移載排出隔離，不影響其他入庫任務(wù)。輸送線緩存段可同時緩存6 個料箱，滿足料箱機器人單次最大裝載量。輸送線速度為0.5 m/s，輸送線緩速啟動和停止，設(shè)置調(diào)速、防止打滑和警示裝置，滿足輸送線防護要求（圖3）。

庫區(qū)存儲主要采用具備智能算法的IWMS 系統(tǒng)，滿足先進先出原則，提供庫存記錄查詢、調(diào)整和理庫，并根據(jù)庫存情況進行物料預(yù)警，傳遞預(yù)警信息給相應(yīng)物流人員。出庫采用U 形滾筒輸送線設(shè)計，配備讀碼器、移載和工作站電腦組件及其配套等，滿足拆零出庫和物料回庫需求，支持出庫揀選誤操作，出現(xiàn)異常時會有聲光報警提醒。輸送線緩存段可同時緩存10 個料箱。輸送線速度為0.5 m/s，并設(shè)置調(diào)速功能。輸送線緩速啟動和停止，設(shè)置防止打滑和警示裝置。

每個出庫工作站背后設(shè)置流利貨架播種墻亮燈揀選（圖4），單個工作站支持15 個訂單同時進行揀選。該項設(shè)計符合人體工程學(xué)，采用模塊化設(shè)計，方便拆解與組裝，維護維修簡單。

2 主要硬件設(shè)備的設(shè)計與選擇

2.1 料箱的設(shè)計

基于配件ABC 分類管理的理念，對配件進行發(fā)貨頻次分析（圖5）。選擇月銷售頻次大于3 的品種共6 000 種，發(fā)貨行項11.1 萬，占小件發(fā)貨頻次86%。經(jīng)對潛在6 000 種存儲配件進行尺寸和質(zhì)量分析，采用自動化立體庫常用的存儲單元規(guī)格設(shè)計方法[5]，最終設(shè)計選擇了尺寸為600 mm×400 mm×300 mm 的標(biāo)準(zhǔn)料箱，單箱最大承重30 kg?？紤]進一步拓容和柔性倉儲的需求，料箱采用二、四分格設(shè)計，分格板可靈活拆卸。料箱粘貼箱碼和二維碼，長邊貼格口一維碼（圖6）。

2.2 貨架的設(shè)計

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)料箱和場地尺寸，設(shè)計貨架最佳數(shù)目確定的整數(shù)規(guī)劃模型[6]。假設(shè)貨架層高為h ，貨架每個貨格長度和寬度分別為l 和w ，單個工作站支持15 個訂單同時進行揀選。該項設(shè)計符合人體工程學(xué)，采用模塊化設(shè)計，方便拆解與組裝，維護維修簡單。貨架層數(shù)為m ，沿長度方向貨格數(shù)量為n ，貨架底層離地間距為h 0，則貨架總高度H 為：

結(jié)合倉庫建設(shè)區(qū)域長度L 總和寬度W 總分布，貨架沿寬度方向分布。設(shè)貨架分布總排數(shù)為u ，u /2 表示料箱機器人服務(wù)的巷道個數(shù)，料箱機器人服務(wù)的巷道寬度為W 1，自動化立體庫其他料箱機器人是自動化立體庫中最核心的設(shè)備。本項目采用的A42型料箱機器人在機身的底盤前后均設(shè)有安全型激光雷達避障模塊，可在機器人行走過程中精確檢測障礙物的位置和距離，最大檢測距離長達3 200 mm（圖9），并伴有聲光報警和語音功能，能充分保障現(xiàn)場作業(yè)安全。

3 系統(tǒng)管理軟件

本項目系統(tǒng)管理主要包括IMHS 智能倉儲管理系統(tǒng)和ESS 機器人調(diào)度系統(tǒng)，與外部系統(tǒng)采用黑盒的對接方式。整體架構(gòu)設(shè)計如圖10 所示。

3.1 智能倉儲管理系統(tǒng)IMHS

為精準(zhǔn)高效實現(xiàn)自動化立體庫配件的出入庫和倉儲管理，項目組定制化開發(fā)了智能倉儲管理系統(tǒng)IMHS。該系統(tǒng)具備入庫業(yè)務(wù)、出庫業(yè)務(wù)、理庫、庫存盤點、庫存管理、物料管理、組織關(guān)系管理以及用戶權(quán)限等功能，能有效控制并跟蹤作業(yè)過程。同時，與倉庫原WMS 管理系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)接口進行數(shù)據(jù)對接，確保配件庫整體業(yè)務(wù)的協(xié)同穩(wěn)定。

3.2 機器人調(diào)度系統(tǒng)ESS

項目組結(jié)合自動化立體庫調(diào)度控制需求，搭建了機器人調(diào)度控制系統(tǒng)ESS（圖11）。該系統(tǒng)實現(xiàn)了機器人地圖模型建立、多路徑最優(yōu)規(guī)劃、多任務(wù)負載均衡以及多機器人交通動態(tài)調(diào)度管理等功能。

4 項目應(yīng)用效果驗證

某主機廠售后配件庫通過此次自動化立體庫設(shè)計和應(yīng)用，相較原閣樓貨架人工揀貨作業(yè)模式相比，在同樣500 m2 的倉儲面積下，出庫效率提升56%，入庫效率提升100%，庫容拓展提升51%，人工揀貨員減少3 名，人力成本降低60%（表1）。

5 結(jié)束語

本項目通過集成使用新一代料箱機器人、窄巷道自動化存取技術(shù)、智能倉儲管理系統(tǒng)和設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)等新技術(shù)、新裝備，實現(xiàn)了配件訂單對接、供應(yīng)商來料接收入庫、庫區(qū)庫存管理、揀貨出庫及盤點的全流程自動化。該項目在倉儲坪效提升、現(xiàn)場操作效率提升和人力成本的降低等方面取得顯著效果，提升了汽車售后配件庫的自動化、少人化和數(shù)字化管理水平，為汽車售后配件在智能倉儲建設(shè)方面提供了參考與指導(dǎo)價值。

【參考文獻】

[1] 申利俊. 汽車售后配件安全庫存研究[D]. 秦皇島： 燕山大學(xué)，2020.

[2] 杜宇， 于旭， 寧丹陽， 等. 自動化立體倉庫的系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用驗證[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2020（4）：114-117+122.

[3] 張洪波. 自動化立體倉庫設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 新型工業(yè)化，2021，11（6）：22-24.

[4] 張國維.AGV 智能倉庫訂單揀選問題研究[D]. 北京： 中國科學(xué)院大學(xué)，2021.

[5] 陳傳軍， 檀智斌， 賈楠， 等. 自動化立體庫存儲單元規(guī)格設(shè)計方法[J]. 制造業(yè)自動化，2021，43（10）：144-146+152.

[6] 黃恒偉， 張漢江， 肖偉. 自動化立體倉庫設(shè)計中貨架貨格數(shù)目確定的整數(shù)規(guī)劃模型[J]. 系統(tǒng)工程. 2005（S1）：93-97.

作者簡介：

鄧賢發(fā)，本科，工程師，研究方向為汽車生產(chǎn)制造、汽車銷售、倉儲物流運行管理、物流規(guī)劃以及物流新技術(shù)新模式與應(yīng)用等。