項目背景

本項目所建設的智能立體倉儲系統(tǒng)，位于某航空軍工企業(yè)的智能制造中心內；主要用于該生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)線邊上的暫存庫，可支持生產(chǎn)線前后段的物料供給，實現(xiàn)生產(chǎn)線的不間斷生產(chǎn)。通過建設智能立體倉庫的方式實現(xiàn)該庫的自動化作業(yè)，對提高空間使用率和生產(chǎn)效率，均能起到至關重要的作用。

本項目主要運用了AGV系統(tǒng)、堆垛機系統(tǒng)、自動輸送系統(tǒng)和倉庫管理系統(tǒng)等智能化倉儲物流技術；同時將對智能制造中心的生產(chǎn)指揮調度系統(tǒng)、三維可視化分析系統(tǒng)進行集成，以保障用戶企業(yè)的系統(tǒng)結構的完整性和一致性。整套系統(tǒng)按照“全年250天、24小時/天、三班制”的工作模式進行設計，貨架的存儲量按照生產(chǎn)線3天產(chǎn)量進行設計。

一，總體規(guī)劃設計

1.總體布局

（1）整體布局

本項目所在生產(chǎn)車間主要由智能化立體庫/線邊庫、鉗工間、AGV通道及三條不同生產(chǎn)線構成（如圖1所示）。其中，該線邊庫主要用于毛坯零部件和成品零部件的存儲。同時，線邊庫中所存放的毛坯零部件，可通過AGV和調度系統(tǒng)對各生產(chǎn)線進行供料；原料經(jīng)過生產(chǎn)線的加工單元處理完成的成品零部件，再次通過AGV自動搬運回線邊庫進行存儲。

（2）線邊庫平面布局

本項目的線邊庫位于生產(chǎn)車間的右上方，上側與鉗工間通過輸送設備相連接，下側與車間各生產(chǎn)線通過AGV通道連接，右側為生產(chǎn)車間主要出入口，毛坯零部件以及成品零部件均通過貨車從右側大門進入庫房進行出入作業(yè)。

如圖2所示，線邊庫主要分為兩個功能區(qū)：托盤立體庫存儲區(qū)和鉗工間。其中，托盤立體庫存儲區(qū)由鏈式輸送機、外形檢測站、貨架、堆垛機和AGV站臺構成，該區(qū)域主要完成毛坯件的入庫存儲、毛坯件出庫至生產(chǎn)線、成品件回庫、成品件進/出鉗工間、成品件出庫等工作；鉗工間區(qū)域由輥道輸送機、周轉運輸小車、鉗工臺及工業(yè)吸塵器等設備構成，其主要功能為：將經(jīng)過生產(chǎn)線加工完成后回庫的部分成品零部件，進行毛刺處理。

2.特殊物料單元設計

（1）托盤與內襯設計

根據(jù)用戶智能制造中心產(chǎn)線所提供的零部件清單進行統(tǒng)計分析后，可知線邊庫需要存放的零部件共6種，每種外形尺寸均不相同。按照客戶要求，選擇鋼制川字底托盤作為零部件承載單元，每個托盤只存放同種零部件，托盤外形尺寸為1500mm×1000mm×150mm，承載能力大于300kg，并采用四面貼碼的方式。托盤外形如圖3所示（空托盤示意圖）。

為了保證零部件在托盤搬運過程中不相互碰撞，或在托盤內發(fā)生位移導致滑落，托盤四周布置高度200mm的可拆卸的鋼制圍邊，并且在托盤內設計一種采用硬質高密度泡沫材質的內襯用于零部件在托盤內的定位，內襯設計有零部件外形仿形槽（如圖4所示）；由于AGV站臺上設置了定位插銷，故托盤底部同樣設計6個定位銷插孔，可保證托盤能精確放置在AGV站臺處，便于生產(chǎn)線的機器人抓取。

（2）貨格與貨架設計

本項目根據(jù)零部件分類情況，貨架額定承載重量按照500kg進行設計，每排貨架設計單個存儲位進深，單個貨格單元內存放2個托盤零部件。貨架安裝于標高為±0m的地平面，總長約12m，高約7m，為節(jié)約線邊庫系統(tǒng)在車間的占地面積，現(xiàn)將AGV站臺和與鉗工間相連的自動輸送設備放置于一層貨架內，貨架立面如圖5所示。貨格按照實托盤高度分為兩種，存放高托盤的貨格也可兼容存放另一種托盤。貨架與地連接方式，采用化學螺栓安裝方式。

3.工藝流程規(guī)劃設計

（1）毛坯件出/入庫流程

本項目中，毛坯件需要通過貨車從前段生產(chǎn)車間運輸至本段生產(chǎn)車間的線邊庫大門一側，并由線邊庫系統(tǒng)完成對毛坯件在貨架內的自動入庫儲存功能。當生產(chǎn)線需要毛坯件供給時，由線邊庫系統(tǒng)通過堆垛機、AGV等設備將毛坯件自動出庫并搬運至生產(chǎn)線對應站臺處，完成對各生產(chǎn)線的機械加工單元毛坯件補給。

毛坯件出/入庫物流動線圖，如圖6所示。

①毛坯件入庫作業(yè)流程

a.毛坯零部件在前段生產(chǎn)車間內完成組盤和裝車等工作，使用貨車搬運送至本車間的線邊庫內；

b.貨車進入車間內后，由智能制造中心生產(chǎn)管理系統(tǒng)對倉庫管理系統(tǒng)（WMS）下達入庫指令；

c.操作人員通過吊裝方式將整托盤放置于入庫站臺處，并進行人工檢視，經(jīng)過人工檢視合格后，位于入庫站臺處的鏈式輸送機將托盤送至外形檢測站進行外形檢測，同時條碼掃碼器對托盤的條碼信息進行確認；

d.若人工檢視結果不合格，則通過吊裝方式將毛坯件吊裝回貨車車廂內，返回前段生產(chǎn)線進行處理，而對于未通過外形檢測或條碼掃描器的毛坯件，系統(tǒng)將托盤送回入庫站臺處，并通過聲光報警的方式提示操作人員進行處理，處理完成后重新進行入庫作業(yè)；

e.通過以上檢測后，將堆垛機把托盤送至系統(tǒng)自動規(guī)劃的貨位內進行存儲，完成入庫作業(yè)。

毛坯件入庫流程圖，如圖7所示。

②毛坯件出庫作業(yè)流程

a.智能制造中心生產(chǎn)管理系統(tǒng)會根據(jù)每條生產(chǎn)線的機械加工單元加工進度，對線邊庫倉庫管理系統(tǒng)（WMS）下達供料指令；

b.線邊庫倉庫調度系統(tǒng)（WCS）分解指令并調度堆垛機將托盤送至AGV站臺處；

c.通過AGV將托盤自動搬運至生產(chǎn)線指定站臺處，由機械加工單元對毛坯件進行加工處理。

毛坯件出庫流程圖，如圖8所示。

（2）成品件出/入庫流程

本項目中的成品件入庫流程，是指將經(jīng)過生產(chǎn)線機械加工完畢的成品件和由線邊庫系統(tǒng)的AGV、堆垛機等設備進行自動回庫存儲的過程；成品件出庫流程，是指將貨架內具備發(fā)貨條件的成品件通過線邊庫系統(tǒng)自動送至出庫站臺處，經(jīng)人工吊裝的方式上車發(fā)貨的過程。

成品件出/入庫物流動線圖，如圖9所示。

①成品件出庫作業(yè)流程

a.由智能制造中心生產(chǎn)管理系統(tǒng)下達出庫任務至線邊庫WMS系統(tǒng)，WMS接收并分解其指令，由WCS系統(tǒng)調度堆垛機將目標貨位內的成品件整托搬運至位于貨架前端的輸送設備處；

b.輸送設備將成品件托盤自動輸送至出庫站臺，通過人工吊裝的方式將成品件及托盤放入貨車內，完成出庫任務。

成品件出庫流程圖，如圖10所示。

②成品件入庫作業(yè)流程

a.智能制造中心生產(chǎn)管理系統(tǒng)根據(jù)各生產(chǎn)線生產(chǎn)進度等信息下達成品入庫任務至線邊庫WMS系統(tǒng)，WMS接收并分解其指令，由WCS系統(tǒng)調度AGV形式至生產(chǎn)線成品件所在AGV站臺處進行取貨；

b.AGV取貨完成后，將成品件托盤自動搬運至位于線邊庫貨架下方的AGV站臺處后，駛離站臺執(zhí)行后續(xù)任務；

c.由堆垛機將站臺處的成品件托盤自動搬運至系統(tǒng)規(guī)劃貨位內存儲，完成入庫任務。

成品件入庫流程圖，如圖11所示。

（3）帶毛刺成品件出/入庫流程

部分生產(chǎn)線加工完成的成品件需送至鉗工間進行人工去毛刺處理，處理完成后的零部件需要重新入庫存儲。

如圖12所示，在成品件入庫時，線邊庫系統(tǒng)能夠根據(jù)入庫托盤信息，自動區(qū)分該托盤裝載的成品件是否需要進行毛刺處理。對于需要進行去毛刺處理的成品件，將通過鉗工間操作人員下達的指令，按照設定順序依次送至位于貨架一層的進鉗工間輸送設備處，再由操作人員通過周轉運輸小車將托盤搬運至鉗工臺進行去毛刺處理。處理完成的成品件，繼續(xù)通過周轉運輸小車送回至鉗工臺站臺處，完成自動回庫存儲工作。

二，系統(tǒng)能力仿真與設計

1.技術平臺

昆船公司采用AutoMod軟件根據(jù)系統(tǒng)工藝平面布置圖，對項目進行系統(tǒng)和關鍵單機設備能力仿真。該軟件是美國APPLIED MATERIALS公司提供的專用于物流過程仿真、實驗與優(yōu)化的軟件，具有面向對象、基于三維圖形化建模、真實模擬物流和設備走行動作、可實現(xiàn)非常復雜調度策略等特點。

2.系統(tǒng)仿真

（1）系統(tǒng)流量分析

根據(jù)車間內生產(chǎn)線單位時間的加工能力進行分析計算，線邊庫對各條生產(chǎn)線的半成品供給和成品回庫效率需要不低于33PL/h。再結合前段工序的生產(chǎn)車間出庫效率，可得出線邊庫系統(tǒng)整體出入庫效率不低于55PL/h的需求。

（2）參數(shù)設置

仿真軟件將按照巷道堆垛機、AGV等主要自動化設備的設計參數(shù)進行輸入（如圖13、圖14所示）。同時，為檢驗系統(tǒng)可靠性，考慮仿真統(tǒng)計數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，設定系統(tǒng)仿真總時長為10小時，仿真運行畫面如圖15所示。仿真過程覆蓋系統(tǒng)內的所有工作流程，并且各個流程均按照復合循環(huán)的工作模式進行，以便能更加真實地模擬現(xiàn)場設備的運行情況。

（3）仿真結果輸出

①AGV系統(tǒng)

針對AGV系統(tǒng)，在仿真開始前將系統(tǒng)分為全流程與局部流程兩種工況。局部流程工況是指僅模擬AGV小車在各站臺間的工作流程，而全流程工況則是將AGV小車的工作流程帶入包括堆垛機和輸送系統(tǒng)的整套系統(tǒng)內，模擬AGV小車與其他設備進行復合作業(yè)流程。

AGV小車全局流程仿真工況如圖16所示，在3輛AGV小車同時運行并與堆垛機配合完成復合作業(yè)時，AGV小車設備利用率為：[(1-0.245)*100%]=75.5%；單臺AGV小車搬運能力平均為：[329/10/3/75.5%]=14.5PL/h。

AGV小車局部流程仿真工況如圖17所示，在3輛AGV小車同時運行不考慮堆垛機系統(tǒng)效率時，AGV小車利用率為：[(1-0.206)*100%]=79.4%；AGV小車搬運能力平均為：[349/3/10/79.4%]=14.7PL/h。

②巷道堆垛機

巷道堆垛機全流程仿真結果如圖18所示，單臺堆垛機的設備利用率為：[(1-0.166)*100%]=83.4%；設備工作能力平均為：[550/1/10/83.4%]=65.9PL/h。

3.系統(tǒng)仿真報告與結論

由表1可知，仿真結果均大于系統(tǒng)所需能力，并且所有關鍵設備利用率在90%以下。在仿真過程中，所有AGV同時運行時不會出現(xiàn)堵塞，同時系統(tǒng)運行良好、無瓶頸，方案能夠滿足使用要求。

三，單機設備創(chuàng)新性設計

在本項目中，巷道堆垛機和AGV都具有各自創(chuàng)新性特點。

對于巷道堆垛機而言，為了減少線邊庫區(qū)域在生產(chǎn)車間的占地面積，在貨架一層內部放置了AGV站臺以及連接鉗工間的輸送設備，而巷道堆垛機不僅需要將托盤送至貨架的貨位內，還需要送至AGV站臺及輸送設備上，因此巷道堆垛機的貨叉設計為兩個深位。

AGV是本項目中實現(xiàn)貨架與各生產(chǎn)線零部件周轉的核心設備。由于生產(chǎn)線車間內面積有限，供AGV運行的通道較狹窄，所以本次項目中選用雙舵輪驅動模式的潛伏頂升式AGV（如圖19所示）作為托盤搬運的載具。舵輪式結構可以實現(xiàn)AGV小車在狹窄通道內完成前行、后退、轉向、自旋及橫移等功能。

此外，為了嚴格執(zhí)行軍工行業(yè)的保密要求，本項目的AGV采用具有WAPI保密協(xié)議的無線通訊和紅外光通訊兩種通訊方式。WAPI是無線局域網(wǎng)鑒別和保密的一種安全協(xié)議，也是目前軍方唯一認可的無線通訊方式。

四，結束語

近年來，智能制造在各行業(yè)內的發(fā)展深度和廣度逐步提升，并已初步建成以自動化生產(chǎn)線、智能控制系統(tǒng)和工業(yè)機器人為代表的智能制造裝備工業(yè)體系。該體系在制造行業(yè)內的需求日益旺盛，可以預見我國智能制造裝備體系在軍工制造行業(yè)的潛力巨大，仍具備廣闊的市場發(fā)展空間。

本項目于2022年12月底全面進入試運行階段，目前系統(tǒng)運行良好，各工藝段銜接順暢，作業(yè)效率等均達到預期目標。該項目的順利實施應用，也標志著航空軍工行業(yè)企業(yè)智能制造中心內線邊庫的無人化、自動化存儲和搬運等難題迎刃而解，可為各軍工制造行業(yè)智能制造的發(fā)展提供借鑒和參考依據(jù)。

本文作者：林原 虞有海 盧會超 李成友 王化麟 王健 閆寒 | 昆船智能技術股份有限公司