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(xiàn)中的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)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(jī)械有限公司，北京 100076）

介紹了自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)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(xiàn)中建設(shè)及應(yīng)用研究情況。重點(diǎn)分析了如何基于人、機(jī)、料、法、環(huán)的編碼體系在制造執(zhí)行系統(tǒng)MES中實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)、物流環(huán)節(jié)的產(chǎn)品實(shí)時(shí)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(duì)生產(chǎn)線(xiàn)中的物流進(jìn)行了定性分析比較，另一方面根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)分析，結(jié)果表明自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流技術(shù)在提高生產(chǎn)線(xiàn)空間利用率、減少人工配套失誤、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期實(shí)時(shí)追溯、加快生產(chǎn)節(jié)拍等方面效果顯著。

自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流；編碼體系；MES；全生命周期

1 引言

為迎接德國(guó)工業(yè)4.0時(shí)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(guó)航天制造業(yè)正逐步實(shí)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(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)及AGV自動(dòng)配送物流管理因能實(shí)現(xiàn)有限空間內(nèi)物料的合理存儲(chǔ)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(xiàn)中。

2 發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況

2.1 自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流的現(xiàn)狀

自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)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(chǔ)及便捷性管理，同時(shí)適用于大型、大流量及高速物流的自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度等特點(diǎn)。

自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（AGV，Automated Guided Vehicles）是一種沿預(yù)先設(shè)定軌跡行駛的自動(dòng)化無(wú)人駕駛的智能搬運(yùn)設(shè)備[2]，屬于移動(dòng)式機(jī)器人，是構(gòu)成現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化物流系統(tǒng)如計(jì)算機(jī)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(diǎn)，能快捷地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重組，完成生產(chǎn)過(guò)程的柔性化運(yùn)輸[4]。

2.2 數(shù)字化集成制造生產(chǎn)線(xiàn)中的實(shí)際應(yīng)用

自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)與AGV集成之后可構(gòu)成一個(gè)完整的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)及物流配送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物料從存儲(chǔ)、出庫(kù)及配送全過(guò)程的自動(dòng)化管理。目前，AGV廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)的物流產(chǎn)業(yè)，尤其是在汽車(chē)制造及裝配環(huán)節(jié)，比如豐田、大眾、通用等著名生產(chǎn)線(xiàn)。

本文基于自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流的管理技術(shù)，重點(diǎn)介紹了某航天制造單位中數(shù)字化集成制造生產(chǎn)線(xiàn)中物料存儲(chǔ)及配送的高效化、自動(dòng)化及智能化實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用過(guò)程。

3 基于編碼的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流管理系統(tǒng)

3.1 總體思路

通過(guò)研究集中物料管理與自動(dòng)化物料配送技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)管控系統(tǒng)與自動(dòng)化物流倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)毛坯、半成品、成品、工裝的自動(dòng)出入庫(kù)和自動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程控制，管理任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度和物料流向，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)內(nèi)部物流的自動(dòng)化管理，大幅減少物料周轉(zhuǎn)等待與查詢(xún)追蹤時(shí)間，提升生產(chǎn)線(xiàn)物料精準(zhǔn)配送能力。基于編碼的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖１ 基于編碼的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)總體框架

結(jié)合編碼系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品在生產(chǎn)線(xiàn)內(nèi)的全生命周期進(jìn)行追溯和統(tǒng)計(jì)，對(duì)物料的去向和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行透明、嚴(yán)格的管理。物料追溯與統(tǒng)計(jì)過(guò)程如圖2所示。

圖2 物料追溯與統(tǒng)計(jì)過(guò)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(xiàn)各類(lèi)制造資源、人員、產(chǎn)品等信息進(jìn)行編碼，通過(guò)與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）集成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在生產(chǎn)線(xiàn)制造全過(guò)程加工信息的自動(dòng)記錄和產(chǎn)品在生產(chǎn)線(xiàn)全生命周期位置追蹤，形成產(chǎn)品加工過(guò)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(xiàn)中各項(xiàng)人員、物料及制造資源的身份標(biāo)簽，通過(guò)掃碼即可實(shí)現(xiàn)信息的高效化識(shí)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(xiàn)為例，其采用的物料編碼系統(tǒng)以人、機(jī)、料、法、環(huán)5個(gè)方面定義編碼規(guī)則，利用該編碼規(guī)則實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品全生命周期的實(shí)時(shí)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(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流管理系統(tǒng)構(gòu)成

某航天制造企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)中的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)與配送物流系統(tǒng)主要包括立體庫(kù)系統(tǒng)、升降庫(kù)系統(tǒng)、AGV自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)及授貨臺(tái)系統(tǒng)4個(gè)部分。其中，根據(jù)托盤(pán)規(guī)格的不同，立體庫(kù)主要用于存儲(chǔ)體積相對(duì)較大的產(chǎn)品如艙段類(lèi)產(chǎn)品，而升降庫(kù)用于存儲(chǔ)體積小、數(shù)量多的小零件或標(biāo)準(zhǔn)件。

自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)主要由貨架、堆垛機(jī)、靜態(tài)稱(chēng)重裝置、外形檢測(cè)裝置、鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)、托盤(pán)、電氣控制系統(tǒng)、倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)（WCS）、倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WMS）及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成[6]。

3.4 自動(dòng)出入立體庫(kù)及物流配送原理

圖4 自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)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(kù)指令、產(chǎn)品入庫(kù)指令或工位要料指令通過(guò)接口發(fā)送給自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化出庫(kù)及配送等過(guò)程。自動(dòng)化出庫(kù)時(shí)，軟件系統(tǒng)接收到MES的指令，先通過(guò)自身的倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WMS）查詢(xún)相應(yīng)的庫(kù)位，再由電氣控制系統(tǒng)控制堆垛機(jī)取托盤(pán)至貨架出口，同時(shí)通過(guò)倉(cāng)儲(chǔ)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(dòng)運(yùn)行至出庫(kù)口后，自動(dòng)掃描托盤(pán)編碼確認(rèn)信息后取走托盤(pán)及物料，再利用光通訊準(zhǔn)確將托盤(pán)、物料送至相應(yīng)的工位授貨臺(tái)上。自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、物流系統(tǒng)及MES之間的實(shí)時(shí)交互通訊，提高了生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行的自動(dòng)化水平，自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)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(dòng)化出入升降庫(kù)原理

航天產(chǎn)品因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、精密性高等原因，單個(gè)產(chǎn)品上所裝配的零件和標(biāo)準(zhǔn)件通常具有種類(lèi)繁多、數(shù)量大的特點(diǎn)，以某伺服艙組件為例，其由30余項(xiàng)200多件零件組裝裝配而成，涉及50余種規(guī)格的近1000件標(biāo)準(zhǔn)件的裝配工作，其中鉚釘多達(dá)700多件。在航天產(chǎn)品裝配過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制零件、標(biāo)準(zhǔn)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(wèn)題的出現(xiàn)，結(jié)合自動(dòng)化升降庫(kù)系統(tǒng)和MES主要從以下幾個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)的入庫(kù)、配套出庫(kù)過(guò)程進(jìn)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(kù)之前，對(duì)升降庫(kù)的各個(gè)托盤(pán)進(jìn)行功能區(qū)劃定，可以提前對(duì)升降庫(kù)的使用進(jìn)行合理規(guī)劃，避免使用一定階段后出現(xiàn)存放雜亂、無(wú)規(guī)律情況的發(fā)生。產(chǎn)品通過(guò)某一特性與功能區(qū)綁定之后，與升降庫(kù)集成之后的MES會(huì)按照劃分結(jié)果嚴(yán)格判斷限制升降庫(kù)入庫(kù)產(chǎn)品的存放位置，對(duì)于混放的指令系統(tǒng)不會(huì)執(zhí)行。通過(guò)分類(lèi)放置，大大加快了存儲(chǔ)效率。

b. 存儲(chǔ)位置一致性?xún)?yōu)先推薦

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

c. 自動(dòng)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(pán)位置出現(xiàn)差異且數(shù)量種類(lèi)繁多時(shí)，人工分揀常出現(xiàn)遺漏、錯(cuò)放，也會(huì)有重復(fù)呼叫同一托盤(pán)放置不同產(chǎn)品情況，效率和準(zhǔn)確率大大降低。因此提出了自動(dòng)分層打印編碼與取放的方法，MES發(fā)送配套清單出庫(kù)指令時(shí)，根據(jù)每一項(xiàng)配套項(xiàng)的存儲(chǔ)位置統(tǒng)計(jì)出配套清單所有對(duì)應(yīng)托盤(pán)，驅(qū)動(dòng)升降庫(kù)逐層順序執(zhí)行出庫(kù)動(dòng)作，每出庫(kù)一層時(shí)，提示該層放置或取出產(chǎn)品的各項(xiàng)信息并自動(dòng)打印物料碼，庫(kù)放管理人員按照信息取出相應(yīng)產(chǎn)品后粘貼對(duì)應(yīng)二維碼，點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)托盤(pán)回庫(kù)，系統(tǒng)將繼續(xù)自動(dòng)執(zhí)行下一層托盤(pán)出庫(kù)執(zhí)行指令。通過(guò)自動(dòng)化分層打印編碼與取放，簡(jiǎn)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(dòng)化配套出庫(kù)流程如圖5所示。

圖5 基于編碼的自動(dòng)化配套出庫(kù)流程

4 實(shí)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(xiàn)為應(yīng)用實(shí)例，產(chǎn)品數(shù)字化制造生產(chǎn)線(xiàn)包括機(jī)加、裝配、焊接三大制造單元，升降庫(kù)、立體庫(kù)、AGV、授貨臺(tái)等自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)及物流管理系統(tǒng)，通過(guò)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES及產(chǎn)品物料編碼對(duì)生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行全生命周期的追溯和管理，實(shí)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(xiàn)布局模型

4.2 生產(chǎn)線(xiàn)物流分析與對(duì)比

表1 作業(yè)單位間關(guān)系分級(jí)

自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)及物流管理系統(tǒng)應(yīng)用之后，將生產(chǎn)線(xiàn)物流從工藝流程角度進(jìn)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(qiáng)度分為五個(gè)等級(jí)。該等級(jí)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(chǎng)的作業(yè)單位分類(lèi)，各作業(yè)單位間關(guān)系分級(jí)情況如表1所示。

對(duì)各作業(yè)單位間的物流強(qiáng)度大小進(jìn)行排序，同時(shí)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(qiáng)度等級(jí)，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(xiàn)中的重要物流主要發(fā)生于立體庫(kù)、升降庫(kù)、裝配一區(qū)、裝配二區(qū)、裝配三區(qū)及機(jī)加區(qū)之間。立體庫(kù)、升降庫(kù)在物理位置上介于裝配區(qū)與機(jī)加區(qū)之間，通過(guò)庫(kù)的南北出入口實(shí)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(yùn)送時(shí)間比較

該生產(chǎn)線(xiàn)內(nèi)的產(chǎn)品由于體積和重量均較大，在自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流管理系統(tǒng)應(yīng)用之前，產(chǎn)品運(yùn)輸需通過(guò)吊車(chē)進(jìn)行人工吊運(yùn)。單件產(chǎn)品從裝配一區(qū)運(yùn)輸至機(jī)加區(qū)的平均吊運(yùn)時(shí)間約為20min，至少需2名工人完成操作。同時(shí)，吊運(yùn)過(guò)程中涉及到吊帶安裝與拆卸、多人操作、吊車(chē)路線(xiàn)沖突等問(wèn)題，大大降低了產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍。自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流管理系統(tǒng)應(yīng)用之后，該類(lèi)產(chǎn)品的運(yùn)輸均可通過(guò)AGV、托盤(pán)和授貨臺(tái)完成自動(dòng)化配送，裝配一區(qū)至機(jī)加區(qū)的平均運(yùn)送時(shí)間可降低至2.6min，提高效率87%。對(duì)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流管理系統(tǒng)實(shí)施前后生產(chǎn)線(xiàn)中的重要物流路線(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖8所示，結(jié)果表明，運(yùn)送效率大大提高。

4.3 自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流管理系統(tǒng)實(shí)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)XML的數(shù)據(jù)接口的技術(shù)實(shí)現(xiàn)MES與立體庫(kù)、升降庫(kù)等硬件的驅(qū)動(dòng)集成。通過(guò)Web頁(yè)面發(fā)送指令可直接操控升降庫(kù)、立體庫(kù)、AGV等自動(dòng)化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高效的倉(cāng)儲(chǔ)及物流自動(dòng)化管理。系統(tǒng)中立體庫(kù)的操作管理界面如圖9所示，其中不同的圖標(biāo)代表不同類(lèi)別的物料。

圖9 系統(tǒng)立體庫(kù)操作管理界面

5 結(jié)束語(yǔ)

航天產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)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(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流管理技術(shù)，基于人、機(jī)、料、法、環(huán)的編碼體系在MES中實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)、物流環(huán)節(jié)的產(chǎn)品實(shí)時(shí)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(chǎng)需求模式下的航天集成制造生產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，也為自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流在整個(gè)航天制造業(yè)中的發(fā)展及推廣提供參考價(jià)值。

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

2 徐清. 自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 蘇州：蘇州大學(xué)，2006

3 吳素霞. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）及其在我國(guó)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(dòng)導(dǎo)航車(chē)（AGV）發(fā)展綜述[J]. 中國(guó)制造業(yè)信息化，2010，39(1)：53～59

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6 金盾. 我國(guó)物流自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)的發(fā)展趨勢(shì)及其優(yōu)化策略[J]. 企業(yè)導(dǎo)報(bào)，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(jī)械工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)；研究方向：智能制造MES等信息化相關(guān)研究。

2019-12-13