航天數字化生產線中的自動化倉儲物流建設研究

任秀麗 敖洪峰 何月杰 康景麟 佟 巖 劉 磊

兩化融合

航天數字化生產線中的自動化倉儲物流建設研究

任秀麗 敖洪峰 何月杰 康景麟 佟 巖 劉 磊

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

介紹了自動化倉儲物流技術在某航天制造企業的數字化集成制造生產線中建設及應用研究情況。重點分析了如何基于人、機、料、法、環的編碼體系在制造執行系統MES中實現倉儲、物流環節的產品實時追溯、高效化、有序化及智能化管理。一方面從工藝流程角度對生產線中的物流進行了定性分析比較，另一方面根據實際應用情況進行總結分析，結果表明自動化倉儲物流技術在提高生產線空間利用率、減少人工配套失誤、實現產品全生命周期實時追溯、加快生產節拍等方面效果顯著。

自動化倉儲物流；編碼體系；MES；全生命周期

1 引言

為迎接德國工業4.0時代背景下智能制造的全球化挑戰，作為高質量、高可靠、高效率、零缺陷的行業代表，中國航天制造業正逐步實現由傳統制造模式到可重構單元化制造、數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有限空間內物料的合理存儲及高效配送，廣泛應用于航天制造業的集成制造生產線中。

2 發展現狀和應用情況

2.1 自動化倉儲物流的現狀

自動化倉儲裝置是現代物流技術的核心環節和最新發展階段，可用于多形態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）是一種沿預先設定軌跡行駛的自動化無人駕駛的智能搬運設備[2]，屬于移動式機器人，是構成現代工業自動化物流系統如計算機集成制造系統（CIMS）等的關鍵設備之一[3]。AGV具有靈活、智能的顯著特點，能快捷地實現系統重組，完成生產過程的柔性化運輸[4]。

2.2 數字化集成制造生產線中的實際應用

自動化倉儲系統與AGV集成之后可構成一個完整的自動化倉儲及物流配送系統，實現物料從存儲、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業，尤其是在汽車制造及裝配環節，比如豐田、大眾、通用等著名生產線。

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

3 基于編碼的自動化倉儲物流管理系統

3.1 總體思路

通過研究集中物料管理與自動化物料配送技術，實現生產線管控系統與自動化物流倉儲控制系統集成，實現毛坯、半成品、成品、工裝的自動出入庫和自動運輸過程控制，管理任務執行進度和物料流向，最終實現生產線內部物流的自動化管理，大幅減少物料周轉等待與查詢追蹤時間，提升生產線物料精準配送能力。基于編碼的自動化倉儲物流系統總體框架如圖1所示。

圖１ 基于編碼的自動化倉儲物流系統總體框架

結合編碼系統對產品在生產線內的全生命周期進行追溯和統計，對物料的去向和狀態進行實時跟蹤，以實現對生產過程進行透明、嚴格的管理。物料追溯與統計過程如圖2所示。

圖2 物料追溯與統計過程

3.2 物料編碼系統

物料編碼系統[5]可以將生產線各類制造資源、人員、產品等信息進行編碼，通過與制造執行系統（MES）集成，實現產品在生產線制造全過程加工信息的自動記錄和產品在生產線全生命周期位置追蹤，形成產品加工過程數據包，可為質量追溯提供數據支撐。編碼成為生產線中各項人員、物料及制造資源的身份標簽，通過掃碼即可實現信息的高效化識別和傳遞。以某航天制造企業中的數字化集成制造生產線為例，其采用的物料編碼系統以人、機、料、法、環5個方面定義編碼規則，利用該編碼規則實現了產品全生命周期的實時跟蹤，具體編碼規則如圖3所示。

圖3 編碼規則

3.3 自動化倉儲物流管理系統構成

某航天制造企業生產線中的自動化倉儲與配送物流系統主要包括立體庫系統、升降庫系統、AGV自動導引車及授貨臺系統4個部分。其中，根據托盤規格的不同，立體庫主要用于存儲體積相對較大的產品如艙段類產品，而升降庫用于存儲體積小、數量多的小零件或標準件。

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

3.4 自動出入立體庫及物流配送原理

圖4 自動化倉儲物流系統集成交互關系

MES將生產任務中的產品配套清單出庫指令、產品入庫指令或工位要料指令通過接口發送給自動化倉儲軟件系統，實現自動化出庫及配送等過程。自動化出庫時，軟件系統接收到MES的指令，先通過自身的倉庫管理系統（WMS）查詢相應的庫位，再由電氣控制系統控制堆垛機取托盤至貨架出口，同時通過倉儲調度控制系統（WCS）向AGV的調度系統發送調度指令，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、物流系統及MES之間的實時交互通訊，提高了生產任務執行的自動化水平，自動化倉儲物流系統集成交互關系如圖4所示。

3.5 基于編碼的配套自動化出入升降庫原理

航天產品因結構設計復雜、精密性高等原因，單個產品上所裝配的零件和標準件通常具有種類繁多、數量大的特點，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，結合自動化升降庫系統和MES主要從以下幾個方面對傳統的入庫、配套出庫過程進行業務流程優化：

a. 提前劃分功能區

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

b. 存儲位置一致性優先推薦

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

c. 自動分層打印編碼與取放

當一張配套清單上的所有物料存放托盤位置出現差異且數量種類繁多時，人工分揀常出現遺漏、錯放，也會有重復呼叫同一托盤放置不同產品情況，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發送配套清單出庫指令時，根據每一項配套項的存儲位置統計出配套清單所有對應托盤，驅動升降庫逐層順序執行出庫動作，每出庫一層時，提示該層放置或取出產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品后粘貼對應二維碼，點擊驅動托盤回庫，系統將繼續自動執行下一層托盤出庫執行指令。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

4 實現與應用

4.1 布局模型

以某航天制造企業的數字化集成制造生產線為應用實例，產品數字化制造生產線包括機加、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，通過制造執行系統MES及產品物料編碼對生產任務的執行過程進行全生命周期的追溯和管理，實現智能化、一體化和有序化。具體的布局示意圖如圖6所示。

圖6 某航天制造企業生產線布局模型

4.2 生產線物流分析與對比

表1 作業單位間關系分級

自動化倉儲及物流管理系統應用之后，將生產線物流從工藝流程角度進行了定性分析比較。根據物流及管理角度，將不同作業單位關系強度分為五個等級。該等級關系是從物流和管理的角度出發確定的，此處僅考慮加工現場的作業單位分類，各作業單位間關系分級情況如表1所示。

對各作業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，人員聯系等一系列非物流角度考慮，劃分相關關系強度等級，并繪制作業單位相關圖如圖7所示。

從分析結果可以看出，生產線中的重要物流主要發生于立體庫、升降庫、裝配一區、裝配二區、裝配三區及機加區之間。立體庫、升降庫在物理位置上介于裝配區與機加區之間，通過庫的南北出入口實現貫通。

圖7 作業單位間相互關系圖

圖8 單件產品平均運送時間比較

該生產線內的產品由于體積和重量均較大，在自動化倉儲物流管理系統應用之前，產品運輸需通過吊車進行人工吊運。單件產品從裝配一區運輸至機加區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，大大降低了產品生產節拍。自動化倉儲物流管理系統應用之后，該類產品的運輸均可通過AGV、托盤和授貨臺完成自動化配送，裝配一區至機加區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實施前后生產線中的重要物流路線進行了對比，結果如圖8所示，結果表明，運送效率大大提高。

4.3 自動化倉儲物流管理系統實現

系統架構包括表現層、業務層、數據層和系統層，采用B/S結構，通過標準XML的數據接口的技術實現MES與立體庫、升降庫等硬件的驅動集成。通過Web頁面發送指令可直接操控升降庫、立體庫、AGV等自動化設備，實現高效的倉儲及物流自動化管理。系統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 系統立體庫操作管理界面

5 結束語

航天產品生產過程復雜、制造精度高、產品質量可靠性高。本文所研究的自動化倉儲物流管理技術，基于人、機、料、法、環的編碼體系在MES中實現倉儲、物流環節的產品實時追溯與高效化、有序化及智能化管理，為建設多品種、變批量市場需求模式下的航天集成制造生產線建設奠定良好的基礎。同時，也為自動化倉儲物流在整個航天制造業中的發展及推廣提供參考價值。

1 王淑艷，趙斐，周亮，等. 自動化倉儲系統在航天物流中的應用[J]. 制造業自動化，2013，35(16)：94～95

2 徐清. 自動導引小車系統的設計與實現[D]. 蘇州：蘇州大學，2006

3 吳素霞. 計算機集成制造系統（CIMS）及其在我國的發展現狀[J]. 科技和產業，2005(5)：62～64

4 張辰貝西，黃志球. 自動導航車（AGV）發展綜述[J]. 中國制造業信息化，2010，39(1)：53～59

5 王素，郭智鋒，嚴麗娟. 面向汽車制造企業的一種PDM編碼技術[J]. 北京航空航天大學學報，2008(5)：600～603

6 金盾. 我國物流自動化倉儲的發展趨勢及其優化策略[J]. 企業導報，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，機械工程及自動化專業；研究方向：智能制造MES等信息化相關研究。

2019-12-13