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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)線中。

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（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]。

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(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。

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)等待與查詢追蹤時(shí)間，提升生產(chǎn)線物料精準(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   下載原圖

結(jié)合編碼系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品在生產(chǎn)線內(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   下載原圖

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(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   下載原圖

某航天制造企業(yè)生產(chǎn)線中的自動(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]。

圖4 自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)集成交互關(guān)系   下載原圖

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。

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：

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)分類放置，大大加快了存儲(chǔ)效率。

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。

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   下載原圖

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(shí)例，產(chǎn)品數(shù)字化制造生產(chǎn)線包括機(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)線布局模型   下載原圖

表1 作業(yè)單位間關(guān)系分級(jí)     下載原表

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，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   下載原圖

圖8 單件產(chǎn)品平均運(yùn)送時(shí)間比較   下載原圖

該生產(chǎn)線內(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、吊車路線沖突等問(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)線中的重要物流路線進(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。

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)代表不同類別的物料。

圖9 系統(tǒng)立體庫(kù)操作管理界面   下載原圖

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。