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為迎接德國工業(yè)4.0時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，中國航天制造業(yè)正逐步實現(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。自動化倉儲及AGV自動配送物流管理因能實現(xiàn)有限空間內(nèi)物料的合理存儲及高效配送，廣泛應用于航天制造業(yè)的集成制造生產(chǎn)線中。

自動化倉儲裝置是現(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)的零組件的存儲及便捷性管理，同時適用于大型、大流量及高速物流的自動化處理[1]，具有有效提高空間利用率、加快物料的存起節(jié)奏和降低勞動強度等特點。

自動導引車（AGV,Automated Guided Vehicles）是一種沿預先設(shè)定軌跡行駛的自動化無人駕駛的智能搬運設(shè)備[2]，屬于移動式機器人，是構(gòu)成現(xiàn)代工業(yè)自動化物流系統(tǒng)如計算機集成制造系統(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，能快捷地實現(xiàn)系統(tǒng)重組，完成生產(chǎn)過程的柔性化運輸[4]。

自動化倉儲系統(tǒng)與AGV集成之后可構(gòu)成一個完整的自動化倉儲及物流配送系統(tǒng)，實現(xiàn)物料從存儲、出庫及配送全過程的自動化管理。目前，AGV廣泛應用于世界各國的物流產(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。

本文基于自動化倉儲物流的管理技術(shù)，重點介紹了某航天制造單位中數(shù)字化集成制造生產(chǎn)線中物料存儲及配送的高效化、自動化及智能化實現(xiàn)及應用過程。

通過研究集中物料管理與自動化物料配送技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)線管控系統(tǒng)與自動化物流倉儲控制系統(tǒng)集成，實現(xiàn)毛坯、半成品、成品、工裝的自動出入庫和自動運輸過程控制，管理任務執(zhí)行進度和物料流向，最終實現(xiàn)生產(chǎn)線內(nèi)部物流的自動化管理，大幅減少物料周轉(zhuǎn)等待與查詢追蹤時間，提升生產(chǎn)線物料精準配送能力?；诰幋a的自動化倉儲物流系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 基于編碼的自動化倉儲物流系統(tǒng)總體框架   下載原圖

結(jié)合編碼系統(tǒng)對產(chǎn)品在生產(chǎn)線內(nèi)的全生命周期進行追溯和統(tǒng)計，對物料的去向和狀態(tài)進行實時跟蹤，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程進行透明、嚴格的管理。物料追溯與統(tǒng)計過程如圖2所示。

圖2 物料追溯與統(tǒng)計過程   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)品等信息進行編碼，通過與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）集成，實現(xiàn)產(chǎn)品在生產(chǎn)線制造全過程加工信息的自動記錄和產(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)線中各項人員、物料及制造資源的身份標簽，通過掃碼即可實現(xiàn)信息的高效化識別和傳遞。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、料、法、環(huán)5個方面定義編碼規(guī)則，利用該編碼規(guī)則實現(xiàn)了產(chǎn)品全生命周期的實時跟蹤，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)線中的自動化倉儲與配送物流系統(tǒng)主要包括立體庫系統(tǒng)、升降庫系統(tǒng)、AGV自動導引車及授貨臺系統(tǒng)4個部分。其中，根據(jù)托盤規(guī)格的不同，立體庫主要用于存儲體積相對較大的產(chǎn)品如艙段類產(chǎn)品，而升降庫用于存儲體積小、數(shù)量多的小零件或標準件。

自動化倉儲系統(tǒng)主要由貨架、堆垛機、靜態(tài)稱重裝置、外形檢測裝置、鏈式輸送機、托盤、電氣控制系統(tǒng)、倉庫控制系統(tǒng)（WCS）、倉庫管理系統(tǒng)（WMS）及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成[6]。

圖4 自動化倉儲物流系統(tǒng)集成交互關(guān)系   下載原圖

MES將生產(chǎn)任務中的產(chǎn)品配套清單出庫指令、產(chǎn)品入庫指令或工位要料指令通過接口發(fā)送給自動化倉儲軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化出庫及配送等過程。自動化出庫時，軟件系統(tǒng)接收到MES的指令，先通過自身的倉庫管理系統(tǒng)（WMS）查詢相應的庫位，再由電氣控制系統(tǒng)控制堆垛機取托盤至貨架出口，同時通過倉儲調(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自動運行至出庫口后，自動掃描托盤編碼確認信息后取走托盤及物料，再利用光通訊準確將托盤、物料送至相應的工位授貨臺上。自動化倉儲系統(tǒng)、物流系統(tǒng)及MES之間的實時交互通訊，提高了生產(chǎn)任務執(zhí)行的自動化水平，自動化倉儲物流系統(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)計復雜、精密性高等原因，單個產(chǎn)品上所裝配的零件和標準件通常具有種類繁多、數(shù)量大的特點，以某伺服艙組件為例，其由30余項200多件零件組裝裝配而成，涉及50余種規(guī)格的近1000件標準件的裝配工作，其中鉚釘多達700多件。在航天產(chǎn)品裝配過程中，必須嚴格控制零件、標準件的批次，避免混用及亂用，保證EBOM、PBOM、MBOM的高度一致性。

為避免以上問題的出現(xiàn)，結(jié)合自動化升降庫系統(tǒng)和MES主要從以下幾個方面對傳統(tǒng)的入庫、配套出庫過程進行業(yè)務流程優(yōu)化：

在使用升降庫之前，對升降庫的各個托盤進行功能區(qū)劃定，可以提前對升降庫的使用進行合理規(guī)劃，避免使用一定階段后出現(xiàn)存放雜亂、無規(guī)律情況的發(fā)生。產(chǎn)品通過某一特性與功能區(qū)綁定之后，與升降庫集成之后的MES會按照劃分結(jié)果嚴格判斷限制升降庫入庫產(chǎn)品的存放位置，對于混放的指令系統(tǒng)不會執(zhí)行。通過分類放置，大大加快了存儲效率。

針對同一任務、合格證或其他特性的產(chǎn)品，集中存放會有效地提高取物料的效率，方便庫房進行管理。因此每一次存放產(chǎn)品時，除了依據(jù)功能區(qū)的限制外，會通過系統(tǒng)集成優(yōu)先自動推薦同一合格證、同一圖號或同一任務產(chǎn)品的位置給庫房管理人員，以此保證同類型、同批次產(chǎn)品的存放位置一致性，減少升降庫托盤的出庫次數(shù)，提高存儲效率。

當一張配套清單上的所有物料存放托盤位置出現(xiàn)差異且數(shù)量種類繁多時，人工分揀常出現(xiàn)遺漏、錯放，也會有重復呼叫同一托盤放置不同產(chǎn)品情況，效率和準確率大大降低。因此提出了自動分層打印編碼與取放的方法，MES發(fā)送配套清單出庫指令時，根據(jù)每一項配套項的存儲位置統(tǒng)計出配套清單所有對應托盤，驅(qū)動升降庫逐層順序執(zhí)行出庫動作，每出庫一層時，提示該層放置或取出產(chǎn)品的各項信息并自動打印物料碼，庫放管理人員按照信息取出相應產(chǎn)品后粘貼對應二維碼，點擊驅(qū)動托盤回庫，系統(tǒng)將繼續(xù)自動執(zhí)行下一層托盤出庫執(zhí)行指令。通過自動化分層打印編碼與取放，簡化操作流程，有效地避免人為失誤。

優(yōu)化后的基于編碼的自動化配套出庫流程如圖5所示。

圖5 基于編碼的自動化配套出庫流程   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)線為應用實例，產(chǎn)品數(shù)字化制造生產(chǎn)線包括機加、裝配、焊接三大制造單元，升降庫、立體庫、AGV、授貨臺等自動化倉儲及物流管理系統(tǒng)，通過制造執(zhí)行系統(tǒng)MES及產(chǎn)品物料編碼對生產(chǎn)任務的執(zhí)行過程進行全生命周期的追溯和管理，實現(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     下載原表

自動化倉儲及物流管理系統(tǒng)應用之后，將生產(chǎn)線物流從工藝流程角度進行了定性分析比較。根據(jù)物流及管理角度，將不同作業(yè)單位關(guān)系強度分為五個等級。該等級關(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)場的作業(yè)單位分類，各作業(yè)單位間關(guān)系分級情況如表1所示。

對各作業(yè)單位間的物流強度大小進行排序，同時從工作流程，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)系強度等級，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、升降庫、裝配一區(qū)、裝配二區(qū)、裝配三區(qū)及機加區(qū)之間。立體庫、升降庫在物理位置上介于裝配區(qū)與機加區(qū)之間，通過庫的南北出入口實現(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)品平均運送時間比較   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，在自動化倉儲物流管理系統(tǒng)應用之前，產(chǎn)品運輸需通過吊車進行人工吊運。單件產(chǎn)品從裝配一區(qū)運輸至機加區(qū)的平均吊運時間約為20min，至少需2名工人完成操作。同時，吊運過程中涉及到吊帶安裝與拆卸、多人操作、吊車路線沖突等問題，大大降低了產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍。自動化倉儲物流管理系統(tǒng)應用之后，該類產(chǎn)品的運輸均可通過AGV、托盤和授貨臺完成自動化配送，裝配一區(qū)至機加區(qū)的平均運送時間可降低至2.6min，提高效率87%。對自動化倉儲物流管理系統(tǒng)實施前后生產(chǎn)線中的重要物流路線進行了對比，結(jié)果如圖8所示，結(jié)果表明，運送效率大大提高。

系統(tǒng)架構(gòu)包括表現(xiàn)層、業(yè)務層、數(shù)據(jù)層和系統(tǒng)層，采用B/S結(jié)構(gòu)，通過標準XML的數(shù)據(jù)接口的技術(shù)實現(xiàn)MES與立體庫、升降庫等硬件的驅(qū)動集成。通過Web頁面發(fā)送指令可直接操控升降庫、立體庫、AGV等自動化設(shè)備，實現(xiàn)高效的倉儲及物流自動化管理。系統(tǒng)中立體庫的操作管理界面如圖9所示，其中不同的圖標代表不同類別的物料。

圖9 系統(tǒng)立體庫操作管理界面   下載原圖

航天產(chǎn)品生產(chǎn)過程復雜、制造精度高、產(chǎn)品質(zhì)量可靠性高。本文所研究的自動化倉儲物流管理技術(shù)，基于人、機、料、法、環(huán)的編碼體系在MES中實現(xiàn)倉儲、物流環(huán)節(jié)的產(chǎn)品實時追溯與高效化、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，也為自動化倉儲物流在整個航天制造業(yè)中的發(fā)展及推廣提供參考價值。