立體庫在汽車涂裝車間中的應用

趙劍 林濤 趙恒銳

（中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

1 前言

汽車整車制造主要包括沖壓、焊裝、涂裝、總裝，通常焊裝車間和涂裝車間之間、涂裝車間和總裝車間之間、涂裝車間內部都設置有存儲區(qū)用于存儲車身。傳統(tǒng)的涂裝車間內部存儲區(qū)受限于建造難度和成本，多采用平面庫形式。而隨著汽車制造企業(yè)對高效率定制化生產的需求日益增加，更具性能優(yōu)勢的立體庫所占份額穩(wěn)步上升。

用于車身存儲的立體庫主要有堆垛機式和軌道穿梭車（Rail Guided Vehicle，RGV）式。堆垛機式立體庫自上世紀90 年代開始在汽車制造領域應用，當前涂裝車間立體庫主要采用堆垛機式。RGV 式立體庫屬于新興技術，2019 年至今，RGV 式立體庫已在多家知名汽車制造企業(yè)的涂裝車間投入應用。本文基于中國汽車工業(yè)工程有限公司長期在汽車涂裝領域的產品開發(fā)、方案設計和項目實施經(jīng)驗，對比了2 種形式立體庫的結構和運行模式，分析了RGV 式立體庫的優(yōu)勢。

2 汽車涂裝車間存儲區(qū)概述

2.1 涂裝車間存儲區(qū)功能

涂裝車間內部存儲區(qū)主要有以下3 種功能：

a. 生產線排空。涂裝車間部分工藝線體不允許在制品長時間停留，如噴漆線（剛噴涂的漆膜在完成固化工序前不穩(wěn)定）、烘干線（車身在高溫環(huán)境的停留時間有嚴格限制）等。因此涂裝車間若需較長時間停線，如每日生產結束時，這些工藝線體內的所有在制品必須繼續(xù)完成生產并排空至存儲區(qū)。

b. 生產系統(tǒng)緩沖。涂裝車間生產主要是流水線作業(yè)，Bulgak[1]提出流水線工位崩潰的情況可分為整條線癱瘓、工位故障、工位阻塞和工位空閑，其中工位阻塞和工位空閑的原因是工位負荷不均勻或上下游工位故障?；诎踩崆捌跈C制，在生產線之間特別是瓶頸生產線前后設置合理的緩沖區(qū)可有效提升生產系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

c. 產品排序。汽車生產線通常是多種車型、顏色的產品共線生產，因此存儲區(qū)會存放多種不同類型的在制品。從存儲區(qū)向下游生產線輸送在制品時，通過合理的排序可以滿足生產約束、提高生產效率、降低生產成本。

涂裝車間內部大容量存儲區(qū)的設置通常側重某種功能，同時所有存儲區(qū)都可兼顧緩沖和排序功能。以3C2B 涂裝工藝為例，需要設置的大容量存儲區(qū)如下。

以排空為主要功能的：

a. 電泳存儲區(qū)，承擔前處理、電泳、電泳烘干生產線排空；

b.中涂存儲區(qū)，承擔中涂噴涂、中涂烘干生產線排空；

c. 面漆存儲區(qū)，承擔面漆噴涂、面漆烘干生產線排空；

d. 套色存儲區(qū)，有套色工藝時，承擔套色噴涂、套色烘干生產線排空。

以緩沖為主要功能的：返修存儲區(qū)，由于車身是否需要返修是概率性事件，單臺車身的返修耗時也是隨機變量，因此等待返修的車身數(shù)量存在波動，需要存儲區(qū)緩沖。

以排序為主要目的：顏色編組區(qū)，將相同顏色的車身以編組形式連續(xù)輸送至面漆噴涂線，從而避免噴涂機器人的頻繁換色，實現(xiàn)效率提升和成本降低。

對于其它涂裝工藝，存儲區(qū)設置會有小幅度差異。如B1B2 涂裝工藝中，取消中涂存儲區(qū)，新增膠烘干存儲區(qū)，其它存儲區(qū)與3C2B 工藝一致。

2.2 涂裝車間存儲區(qū)形式

存儲區(qū)按照結構形式可分為鏈表式存儲區(qū)、堆棧式存儲區(qū)、線性存儲區(qū)、后移式存儲區(qū)、立體倉庫存儲區(qū)[2]。除立體倉庫外，其它形式的存儲區(qū)處于同一平面上，可統(tǒng)稱為平面庫。涂裝車間傳統(tǒng)上使用的大容量平面庫以線性存儲區(qū)形式居多，線性存儲區(qū)有多條鏈表式或堆棧式存儲線，可控制貨物進入某條存儲線或從某條存儲線離開。

立體倉庫又被稱為自動化存取系統(tǒng)（Automatic Storage and Retrieval System，ASRS），集存儲、輸送、分發(fā)為一體，主要由貨物儲存系統(tǒng)、貨物輸送系統(tǒng)、控制管理系統(tǒng)構成[3-4]。對于涂裝車間使用的立體庫，貨物儲存系統(tǒng)為鋼結構形式的多層貨架。貨物輸送系統(tǒng)主要有2 種形式，核心設備分別為巷道堆垛機和RGV，以此區(qū)分可將立體倉庫稱為堆垛機式立體庫和RGV 式立體庫。控制管理系統(tǒng)包括基于PLC 的自動控制系統(tǒng)以及基于高級語言和數(shù)據(jù)庫的立庫管理系統(tǒng)（Warehouse Control System/Warehouse Control System，WMS/WCS）。

衡量存儲區(qū)性能的關鍵指標包括存儲容量、存取能力和排序能力。車身存儲的最小存貨單元為一臺車身，存儲區(qū)的存儲容量即為可存儲的車身數(shù)量。涂裝車間存儲區(qū)的存取能力也稱為節(jié)拍（Jobs Per Hour，JPH），例如節(jié)拍60 JPH 代表存儲區(qū)有能力每小時完成入庫和出庫任務各60 次。存儲區(qū)的排序能力分為3 級，1 級為無排序能力，這類存儲區(qū)不能改變貨物序列；2 級為有限排序能力，這類存儲區(qū)可以改變貨物序列使其接近目標序列，但難以實現(xiàn)貨物序列與目標序列一致；3 級為完全排序能力，這類存儲區(qū)可以精確控制貨物序列，實現(xiàn)貨物序列與目標序列一致。鏈表式存儲區(qū)、堆棧式存儲區(qū)等屬于無排序能力等級，線性存儲區(qū)、后移式存儲區(qū)等屬于有限排序能力等級，立體倉庫存儲區(qū)屬于完全排序能力等級。

2.3 立體庫相對平面庫的優(yōu)勢

2.3.1 空間利用率高

基于乘用車尺寸和涂裝設備尺寸，涂裝車間建筑高度一般為18~24 m，采用2 層或主體2 層+局部3 層的建筑結構。使用立體庫時，貨架層高在3 m左右，通常設置5~6 層貨架。由于高效利用了縱向空間，立體庫單位占地面積的存儲量是平面庫的2~3 倍。

2.3.2 排序能力強

立體庫能夠自由對每個貨位執(zhí)行貨物存取操作，不同貨物的輸送過程完全解耦，從而實現(xiàn)對出庫車身序列的精確控制。涂裝車間常用的存儲區(qū)形式中僅有立體庫具備完全排序能力。

2.3.3 信息化程度高

立體庫中貨物的入庫、存儲、出庫過程均有明確的起始和結束，易實現(xiàn)信息化的跟蹤、管理和追溯。高度信息化的立體庫與計算機集成制造系統(tǒng)有極佳的兼容性，能夠更好銜接外部生產線，成為生產系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。

3 不同形式立體庫的運行模式對比

3.1 堆垛機式立體庫

巷道堆垛機是一種在立體庫巷道內進行移動和貨物存取操作的輸送設備，主要機械結構包括機架、水平行走機構、升降機構、載貨臺和移載叉，見圖1。堆垛機整體可以在軌道上水平移動，載貨臺可以在機架上縱向移動，移載叉可以對巷道兩側的庫位進行存取操作。

圖1 堆垛機式立體庫的結構和主要設備

標準堆垛機任務自起始位置取貨并存入目標位置，任務步驟如下：

a. 移動到起始位置，包括同時進行的水平移動和縱向移動；

b. 裝載貨物，包括定位、移載叉伸出、與貨架交接、移載叉載貨收回；

c. 移動到目標位置，包括同時進行的水平移動和縱向移動；

d. 卸載貨物，包括定位、移載叉載貨伸出、與貨架交接、移載叉收回。

堆垛機式立體庫的入庫和出庫過程通常各由一次堆垛機任務完成，流程如下：

a.開始入庫，堆垛機從貨物入口裝載貨物；

b.堆垛機卸載貨物到存儲庫位，完成入庫；

c.開始出庫，堆垛機從存儲庫位裝載貨物；

d.堆垛機卸載貨物到貨物出口，完成出庫。

3.2 RGV式立體庫

RGV 式立體庫的貨物輸送系統(tǒng)主要由RGV、升降機和其它輔助設備構成，見圖2。RGV 又稱軌道穿梭車，可在立體庫單層內進行移動和貨物存取操作，主要機械結構包括水平行走機構和移載叉。固定式升降機負責貨物層間輸送，主要機械結構包括升降機構和載貨輥床，升降機的框架位于貨架外側，載貨輥床在貨架內部升降，與軌道上RGV 的運行互不干涉。輔助設備包括交接輥床、鏈式移行機等，主要用于貨物的過渡、暫存和跨巷道移動。

圖2 RGV式立體庫的結構和主要設備

標準升降機任務自起始層取貨并送至目標層，需要起始層和目標層相鄰位置有可交接的輥床設備，任務步驟如下：

a.移動到起始層，僅縱向移動；

b. 裝載貨物，包括定位鎖緊、與交接輥床交接；

c.移動到目標層，僅縱向移動；

d. 卸載貨物，包括定位鎖緊、與交接輥床交接。

標準RGV 任務自起始位置取貨并存入目標位置，任務步驟如下：

a.移動到起始位置，僅水平移動；

b. 裝載貨物，包括定位、移載叉伸出、與貨架交接、移載叉載貨收回；

c.移動到目標位置，僅水平移動；

d. 卸載貨物，包括定位、移載叉載貨伸出、與貨架交接、移載叉收回。

RGV 式立體庫的入庫和出庫過程通常需要由升降機任務和RGV 任務協(xié)同完成，典型的入庫和出庫流程如下：

a. 開始入庫，入庫升降機從貨物入口裝載貨物；

b. 入庫升降機卸載貨物到存儲層入庫過渡輥床；

c.存儲層RGV 從入庫過渡輥床裝載貨物；

d. 存儲層RGV 卸載貨物到存儲庫位，完成入庫；

e. 開始出庫，存儲層RGV 從存儲庫位裝載貨物；

f.存儲層RGV 卸載貨物到出庫過渡輥床；

g. 出庫升降機從存儲層出庫過渡輥床裝載貨物；

h. 出庫升降機卸載貨物到貨物出口，完成出庫。

RGV 式立體庫的任務組合方式較為靈活，并不局限于升降機任務和RGV 任務的一一對應，可以根據(jù)實際需要由多段任務接力輸送。通過在2個巷道間設置鏈式移行機，還可以實現(xiàn)貨物的跨巷道輸送。

3.3 RGV式立體庫相對堆垛機式立體庫的優(yōu)勢

RGV 式立體庫相對堆垛機式立體庫的優(yōu)勢如下：

a. 高節(jié)拍。在貨架結構相同的情況下，對于一條巷道對應的貨位區(qū)域，使用堆垛機式立體庫時僅有一臺堆垛機進行存取操作；使用RGV 式立體庫時，每層均有一臺RGV，同時該區(qū)域內可以布置多臺的升降機。因此，RGV 式立體庫的總節(jié)拍遠高于堆垛機式立體庫，工程應用中的實際節(jié)拍對比能達到2~3 倍。

b. 高柔性。RGV 式立體庫中，負責層間輸送的升降機任務和負責層內輸送的RGV 任務可靈活組合，并可根據(jù)生產需求切換運行模式，滿足涂裝車間柔性化生產的要求。

c. 高可靠性。RGV 和升降機的機械結構相較堆垛機更為簡單，設備可靠性更高。某臺設備發(fā)生故障時，RGV 式立體庫還可將任務分流至未故障的設備，避免整體停線。此外，RGV 式立體庫的每層均有維修通道，維護更為方便。

d. 低能耗，低噪音。RGV 和升降機相比堆垛機自重更低、尺寸更小，輸送過程更為穩(wěn)定且阻力更小，有效降低了能耗和噪音。

4 結束語

大容量存儲區(qū)在汽車涂裝車間的生產系統(tǒng)中扮演著重要角色，存儲區(qū)的性能直接影響涂裝車間整體生產的效率和穩(wěn)定性。立體庫相對平面庫具有空間利用率高、排序能力強、信息化程度高的優(yōu)點，應用前景廣闊。涂裝車間應用的立體庫有堆垛機式和RGV 式2 種形式，以核心輸送設備進行區(qū)分，兩者運行模式存在差異。作為新興的車身存儲立體庫形式，RGV 式立體庫在節(jié)拍、柔性和可靠性等方面相對堆垛機式立體庫具有顯著優(yōu)勢?；谶@些優(yōu)勢，可以運用RGV 式立體庫打造性能更優(yōu)越的涂裝物流體系，支撐汽車制造企業(yè)實現(xiàn)兼顧柔性和生產效率的大規(guī)模定制生產。