汽車生產車間柔性高效立體庫研究

趙久龍 趙爽

摘要：以有軌制導車輛（RGV）與升降機組合的柔性高效立體庫為研究對象，為解決傳統高速堆垛機立體庫不能滿足60 輛/h大節拍問題，本立體庫在水平面內采用RGV輸送，在垂直方向采用升降機輸送。利用CAD軟件規劃設計立體庫方案二維平面圖，Catia軟件設計對應立體庫的三維模型，通過Plant Simulation軟件仿真驗證方案是否滿足大節拍產能，通過成本核算對比與傳統堆垛機立體庫的投資經濟性。最終得出此柔性高效立體庫是滿足60 輛/h大節拍產能并且成本也比傳統立體庫低，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：汽車車間 柔性 立體庫 RGV

中圖分類號：N945.13? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220006

Abstract： In this paper， the flexible and efficient warehouse with combination of Rail Guided Vehicle （RGV） and lift was the research object. In order to solve the problem that the traditional high speed stacker spatial warehouse cannot meet the high beat capacity Jobs Per Hour （JPH） of 60 Units/h， this spatial warehouse adopted RGV conveying in the horizontal plane and lift conveying in the vertical direction. CAD software was utilized to plan and design the two-dimensional plan of the spatial warehouse， Catia software was adepted to design the three-dimensional model of the corresponding three-dimensional warehouse， and Plant Simulation software was used to verify whether the solution can meet the high beat capacity， and the economic investment was compared with that of the traditional stacker three-dimensional warehouse through cost calculation. The final conclusion is that this flexible and efficient three-dimensional warehouse can meet the JPH 60 Units/h beat capacity and the economic cost is lower than the traditional three-dimensional warehouse， which has wide application prospect.

Key words： Automobile Production workshop， Flexible， Spatial library， RGV

1 前言

自動化立體倉庫，是物流倉儲中出現的新概念。利用立體倉庫設備可實現倉庫高層合理化，存取自動化，操作簡便化，自動化立體倉庫是當前技術水平較高的形式。自動化立體倉庫的主體由貨架、巷道式堆垛起重機、入（出）庫工作臺和自動運進（出）及操作控制系統組成。貨架是鋼結構或鋼筋混凝土結構的建筑物或結構體，貨架內是標準尺寸的貨位空間，巷道堆垛起重機穿行于貨架之間的巷道中，完成存、取貨的工作。管理上采用計算機及條形碼技術[1]。

汽車制造是中國最早應用自動化立體庫的領域之一。東風汽車集團是最早應用自動化立體庫的單位。目前中國主要汽車制造企業幾乎無一例外地應用自動化立體庫，但都是由貨架、巷道式堆垛起重機、入（出）庫工作臺和自動運進（出）及操作控制系統組成的高速堆垛機立體庫，而這種高速堆垛機立體庫只能滿足30 輛/h（Jobs Per Hour，JPH）左右的節拍要求。如采用有軌制導車輛（Rail Guided Vehicle，RGV）+升降機組合立體庫，在水平面內采用RGV輸送，在垂直方向采用升降機輸送，可適用于大節拍（如60 輛/h）[2]。在物流行業，類似形式的立體庫有廣泛應用。在汽車車身儲存方面，國外及國內個別研究院等都在開展研究，該形式的立體庫有廣泛的應用前景，應用該形式的立體庫在大節拍生產線上也是必然的發展趨勢，因此，研究開發出柔性高效立體庫仿真軟件更是勢在必行。

2 研究目標

a.技術方面。設計規劃出完整有軌制導車輛+升降機組合柔性高效立體庫方案，并且滿足節拍JPH為60 輛/h。

b.經濟方面。通過成本核算對比傳統高速堆垛機立體庫節省8%成本。

3 研究設計

3.1 方案設計

3.1.1 運輸方案

利用CAD設計軟件規劃設計RGV+升降機組合柔性高效立體庫方案，采取入庫、出庫各一臺18.2 m升降機，進庫高度為9.3 m，出庫高度為0 m，立體庫鋼結構尺寸為18.2 m×42 m，立體庫分6層，每層獨立，6層集成一體。RGV采用色帶形式，可以前后、左右運行，尺寸為1.6 m×2.2 m。

3.1.2 運輸節拍

整體節拍JPH為60 輛/h，升降機速度為60 m/min，滾床速度為48 m/min，RGV運行速度為36 m/min，RGV橫移速度為24 m/min。

3.1.3 運輸方式

a.第一種方式。進口順序隨意，出口順序隨意。

b.第二種方式。按順序進庫，逐層進入；按順序出庫，逐層駛出。

當RGV數量少時，只能實現按節拍順序進庫，順序出庫，如果提前知道出庫順序，增加RGV數量，可以按節拍出庫。

3.1.4 二維方案圖

根據上文運輸方案、運輸節拍、運輸方式，利用CAD軟件畫出二維方案圖，具體如圖1～圖2所示。

3.2 三維設計

通過Catia軟件對圖1～圖2紙對立體庫的鋼結構、升降機、RGV、輥床進行三維設計，具體如圖3～圖6所示。

3.3 節拍計算

3.3.1 RGV節拍計算

對RGV工藝節拍進行詳細分析，基本數據：橫移距離為2 650 mm，運行距離為36 000 mm，帶載橫移速度為24 m/min，帶載運行速度為36 m/min，空載橫移速度為36 m/min，空載運行速度為18 m/min，其它具體參數如表1所示。

RGV送件再回到下一個取件位整個過程需要3 min。如果隨機出件，滿足1 min節拍，每層需要3個RGV。如果同時滿足進件和出件，需要6臺RGV。如果滿足按順序出件、進件，每層依次進件（出件），總計6層，每層的節拍為6 min，只需要1臺RGV。

3.3.2 升降機節拍

對升降機工藝節拍進行詳細分析，基本數據：駛入距離為 6 000 mm；駛出距離為6 000 mm；升降高度為12 300 mm；輥床速度為48 m/min；升降速度為60 m/min ，其它具體參數如表2所示。

升降機節拍57.2 s小于60 s，滿足工藝運輸總結拍。

3.4 存儲運輸控制原理

3.4.1 軟件控制

柔性高效立體庫控制包括管理系統控制與監控系統控制。管理系統控制建立系統數據庫，運用遺傳算法對作業進行調度，實現貨位分配策略，出入庫調度策略[1]。監控系統采用組態軟件編寫，方便與上位管理機構和下位執行機構進行通信。監控系統內容包括基于組態軟件的監控系統開發方法、監控系統的組成及其功能模塊的實現、數據采集與控制的實現方法[3]。

3.4.2 硬件控制

存儲控制：立體庫的庫位存儲狀態采用光電開關檢測庫存是否在位。在庫位兩側分別安裝光電開關的發射端和接收端，光電開關將輸入電流在發射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線強弱或有無對目標物體進行檢測確定是否有庫存在位[4]。

運輸控制。立體庫各層運輸RGV采用色帶牽引方式運輸。RGV利用讀碼器判斷與色帶寬度距離偏差，從而確定RGV運輸牽引方向[5]。

3.5 應急故障處理

考慮到立體庫存儲運輸過程可能會發生不可控制的故障問題，尤其在以往項目研究中發生最大概率的庫位故障問題，導致RGV無法正常出入庫位或者在庫位無法正常裝卸貨，對此問題采取的解決方法是在每層中間的2個庫位設定臨時緩存庫位功能，一旦其它庫位發生故障問題，可以不受貨位分配策略和出入庫策略影響直接前往臨時緩存庫位進行存儲，避免造成擁堵停運。

3.6 仿真驗證

仿真是對現實世界過程或系統隨時間運行的模擬過程。為了進一步研究系統本身以及系統內部各實體之間的關系，并對系統運行狀況進行真實準確預測，構建一個真實系統或實體模型進行驗證[6]。

3.6.1 產能驗證

將各三維模型進行處理優化，渲染并轉化成Plant軟件應用的jt格式導入其中，再根據規劃設計的立體庫方案1：1建立真實仿真模型，在把各項設備參數輸入模型中，導入生產訂單信息，按真實規劃的運輸方案、運輸節拍、運輸方式，模擬整體立體庫30天的運行過程，驗證整體立體庫的JPH是否滿足60 輛/h，具體仿真模型如圖7，仿真結果圖8所示。

經過仿真驗證充分說明，規劃設計的立體庫方案是切實可行的，滿足實際節拍要求。

3.6.2 RGV數量最優驗證

對單層RGV數量從2臺到5臺分別模擬30天的運行并且分別驗證5次得到以下結果，RGV數量分析結果如圖9所示。

經過對單層RGV不同數量進行仿真模擬的分析結果中可以得出，當RGV數量到達3臺就滿足產能要求并且產能穩定，因此單層RGV最優數量為3臺。

4 成本核算

4.1 35～45 輛/h成本核算

在35～45 輛/h情況下，RGV立體庫每層需要2個RGV。這樣相對高速堆垛機立體庫成本節省1 764 844元，節省18.5%。具體對比核算如表3～表4所示。

4.2 45～60 輛/h成本核算

在45～60 輛/h情況下，RGV立體庫每層需要3個RGV。這樣相對高速堆垛機立體庫成本節省1 224 844元，節省8.4%。具體對比核算如表5～表6所示。

綜上述JPH為35～45 輛/h，45～60 輛/h在經濟方面都比傳統高速堆垛機節約成本，完成了研究第二目標。

5 結論

a.通過仿真驗證規劃設計出的RGV+升降機組合柔性高效立體庫方案是切實可行的，并且滿足JPH節拍要求，實現60輛/小時的產能。

b.通過與傳統高速堆垛機進行成本核算對比，實現比傳統高速堆垛機立體庫節省8%成本。

參考文獻：

[1] 王書琴. 立體倉庫設計與控制優化方法研究[D]. 南京： 東南大學， 2011.91.

[2] 戴光群. SSE200B型升降機研發[D]. 哈爾濱：黑龍江大學， 2012.1-71.

[3] 鄭單單. 立體倉庫貨位分配及揀選算法的研究[D]. 南京： 南京理工大學， 2012.

[4] 敖林喆， 唐斌. 基于PLC控制的載重升降機設計[J]. 軍民兩用技術與產品， 2018（20）： 131-132.

[5] 曹沖振， 王洪祥， 王鳳芹， 等. AGV的設計計算和不平路況下運行穩定性的仿真分析[J]. 物流技術與應用， 2019（4）： 128-131.

[6] 黃大巍， 楊世錫， 艾巍， 等. AutoMod仿真技術在汽車生產線上的應用[M]. 北京： 化學工業出版社， 2015： 3-9.