淺析汽車沖壓件倉儲自動化的設計與實現

梁景輝

（廣汽豐田汽車有限公司，廣東 廣州 511466）

1 前言

我國的人口紅利隨著經濟、社會發展水平的提高已不復存在，人工成本在汽車制造業中所占比例越來越高，這種背景下，對少人化、無人化制造技術的要求越來越高。汽車制造企業的沖壓生產產品生產過程基本實現了自動化，基本不需要人工參與。但是附帶作業，如上下料，成品裝箱、搬運、存放等仍需要大量的人工，自動化程度較低。

目前，公司沖壓車間的沖壓件生產出來后，放置在專用托盤內，工人用叉車將其分類搬送至指定區域，堆疊放置，通過看板和人工進行在庫管理。內制汽車沖壓件大部分尺寸、重量較大，用叉車搬運、疊放等作業時安全風險較大；同時，人工進行在庫管理存在準確性和時效性不足的問題。分類專用區域疊放的形式，場地高度方向使用效率低，周轉率也不足，導致場地整體使用效率差。

為解決上述問題，公司亟需采取自動化立體倉儲的方式，實現信息化、自動化、智能化，將沖壓件的出入庫、存儲整個流程由自動化完成，以降低人工成本，并提升效率。

2 沖壓件倉儲系統介紹

針對內制的沖壓件如側圍等均為尺寸較大、品質要求高的部品；人工叉車搬運存在作業風險高，勞動強度大等問題；傳統倉儲方式存在占地面積大、周轉率低、在庫信息不充分等問題，公司選擇建立一個可用于兼容多車型沖壓件的自動化、智能化立體倉儲系統。

在硬件方面，沖壓件庫包括3 個巷道貨架（360 個貨位），3 臺堆垛機，8 個旋轉輸送臺車，1 套安全防護網，1 套電氣控制系統，1 套軟件管理系統，整體布局如圖1所示。

圖1 整體布局圖

針對本自動化倉庫配送體系的特殊性，為提高機械設備運行安全可靠性，本項目選用了雙立柱堆垛機械。碼垛機械的起升機構，使用標準圓股鋼絲繩受力，鋼絲繩長度的安全系數為不低于6，由電力減速機直接驅動卷筒式轉動，并采用鋼絲繩帶動的裝卸量臺沿起升導軌做上升運動，鋼絲繩牽引的最大優點就是運行噪音低，安全性能優良。

采用旋轉輸送臺車，設置在自動化倉庫的出入口處，主要功能是實現作業者與堆垛機的自動連接，如圖2 所示。入庫時，作業者把托盤放置在輸送臺車上，然后臺車自動運行到指定位置，由堆垛機的貨叉叉走入庫。出庫時，堆垛機把貨物放置在輸送臺車上，然后運行到出口處等待作業者用叉車來引取。

圖2 旋轉輸送臺車

在軟件方面，主要由2 部分構成：倉儲管理系統(WMS)、倉儲設施管理系統(WCS)。通過這2 個系統，可規劃好貨品的堆放地點，提高倉儲效率；記錄整個倉庫的作業變化，以及貨品的收發狀況等，實時對接供應鏈的ERP 和下游的接收管理部門；可針對任務提供指引路線，保證揀選率與準確性；支持手動補貨，增加倉庫空間使用率，有效減少貨位的蜂窩化現象。

3 利用沖壓件倉儲系統解決實際問題

公司為中日合資汽車整車制造企業，年產整車近100 萬臺，10 余款大、中、小，兩廂、三廂形態各異的各種車型。其中沖壓車間負責生產80 部品/車型的共800 種沖壓件，傳統沖壓件倉儲為按種類指定區域托盤疊放，出入庫為人工叉車作業，如圖3 所示。

圖3 叉車作業

傳統沖壓件倉儲存在以下幾個問題：

（1）托盤通用化不夠。由于不同車型間沖壓件尺寸和形狀存在差異，因此，托盤設置為專件專用，不同的沖壓件托盤互不通用。

（2）庫房立體化程度不夠，物流通道大，因為采用人工叉車搬運和堆疊作業，出于安全和叉車升高限制，托盤堆疊層數不能太高，因此，倉庫高度方向還有一定的空間，高度方向的利用率有待提升，同時為了叉車通行，也預留超過5m 的通道。

（3）自動化程度有提升空間。沖壓件擺放位置采用劃線標識和所番地看板設置，搬運工具采用人工電動叉車，需要人工托盤堆垛拆垛，由于自動化程度低和人工操作，以致作業節拍長，勞動負荷高，安全風險高，同時沖壓件先進先出無法100%保證。

（4）信息化程度不高、沖壓件入庫及出庫、在庫管理、品質屬性標識等，依賴員工的管理和工作經驗，加上單據的處理，造成數據管理量大，進而增加工作人員的工作量，不能非常清晰和快速明顯地反映庫房里的出入庫情況，容易出錯和信息丟失。

針對以上問題，我們采取了對應的措施。為了減少托盤的種類，最大程度實現托盤的通用化，對同一車型的左右件托盤進行了通用化設計。貨架為倉庫主要組成部分，用于沖壓件托盤的存放。在設計貨架時，為了兼顧通用性和效率，適當地統一了貨架的尺寸，使其可以同時滿足多車型沖壓件放置。采用4 層的沖壓件倉儲立體庫，最大化利用倉庫垂直空間，進行多庫位、多車型沖壓件的存儲。設置自動化搬運設備，0 叉車搬運作業，降低物流通道面積。采用WCS 與WMS 系統實現沖壓件倉儲自動化。通過使用該業務軟件，可以控制設備的全部運行過程，實時監控及管理物流信息，零件能夠自動出入庫，庫存信息自動存儲，100%實現在庫可視化系統。對接沖壓/焊裝工位，實現先入先出。沖壓件入庫時，申請空托盤，通過物料條碼并填寫物料數量將物料和托盤進行綁定。在無人參與的情況下，自動化立體倉庫軟件根據一定的規則為托盤分配貨位，現場設備自動將托盤放到指定的貨位上去，軟件自動記錄庫存信息。后續沖壓件出庫時，操作者根據一定的要求查詢滿足條件的庫存，并形成指令，現場設備在ECS 的協助下，按照指令的要求運作，將指定的托盤從立體庫中取出，軟件自動減去相關庫存信息，如圖4 所示。

圖4 沖壓立體庫現場示意圖

4 沖壓件倉儲系統工作流程

出入庫工作流程：入庫流程為操作者申請空托盤，通過物料條碼并填寫物料數量將物料和托盤進行綁定。在無人參與的情況下，自動化立體倉庫軟件根據一定的規則為托盤分配貨位，現場設備自動將托盤放到指定的貨位上，軟件自動記錄庫存信息。出庫流程為操作者根據一定的要求查詢滿足條件的庫存，并形成指令。現場設備在ECS 的協助下，按照指令的要求運作，將指定的托盤從立體庫中取出，軟件自動減去相關庫存信息。

堆垛機工作流程：庫內搬運主要通過堆垛機（圖5）實現沖壓件的全自動化倉儲作業。運行電器利用驅動軸承牽引車輪，使堆垛機在下導軌上做水平運行；上升電動機則利用鋼絲繩的牽引力，推動裝卸量臺作垂直上升；裝卸量臺上的貨叉電動機驅使叉子左右伸縮，利用上述三角運動可以將特定地點的貨物取出，并將貨物送到特定地點。

圖5 堆垛機示意圖

控制器安裝在堆垛機上，重要的電力元儀器包括PLC、變頻器和接觸屏，用于控制整個堆垛機系統的自動運行。堆垛機的控制方式有聯機自動、本機自動、半自動、手動及維修方式。控制系統正常工作時會采取聯機自動方式，堆垛機利用以太網通訊接受來自主控電腦的操作命令，進行相應的入出庫作業，同時，利用光通信向主控電腦反映作業狀態信號和故障消息。

行駛、起升和貨叉發電機，分別由變頻器的分時控制系統進行無級調速，保證了電力拖動系統的快速、平穩和準確。制動期間的電氣能量釋放通過制動電阻器轉換成熱能。堆垛機具備自動認址、貨位虛實互動檢測和其他自動檢測功能（圖6）。

圖6 堆垛機電氣控制原理

5 安全措施及應急保障

沖壓件倉儲系統電控箱放置在方便人員使用的地方，控制面板上設有接觸屏、鑰匙式啟封開關、功能和故障類型的說明燈和蜂鳴報警器等，由使用或檢修的專門技術人員負責操縱。它還具備了實用、美觀、直觀，以及操作簡便易懂等優點。當堆垛機處于聯機全自動控制方式時，可以無須人工干預而自動按照主控電腦所下達的命令作業。同時為了確保安全，還規劃了以下安全措施：（1）為了確保人、貨物和機械設備的安全，所有堆垛機械都裝有完整的硬件和軟件的安全保護裝置，并在電氣控制系統上實行了一系列聯鎖和防護；（2）設置了行走端點限位裝置和升降端點限位傳感器；（3）防止堆垛機運行至巷道兩端附近速度過快，設置行走速度強制切除功能；（4）防止載貨臺運行至升降兩端附近運行速度過快，設置了升降速度強制切除功能；（5）為避免空出庫、重疊入倉等特殊現象的產生，設定了對貨位、進出庫輸送機等商品的虛實檢查傳感器；（6）為防止商品規格與所入庫貨位的規格不符，設置了商品外形尺寸測量傳感器；（7）載貨臺上設置了貨物坍塌檢測傳感器；（8）過載及松繩的保護裝置，當載貨臺上承受載荷大于1.25 倍的額定載荷或鋼絲繩失去張力時，使起升機構停止運轉，以保證設備的安全；（9）堆垛機控制盤上及其合適位置設置緊急停止按鈕，以備在異常情況下切斷電源；（10）設置有在非正常工作狀態下的聲光報警設備；（11）對叉子設置中位雙保險限位開關，以避免叉子在碼垛機械運行和升降的過程中出現誤動作，以保證機械設備安全工作；（12）各有關動作及裝置的電氣連鎖；（13）貨叉動作時禁止行走；（14）行走中貨叉禁止動作；（15）貨叉動作中禁止升降；（16）設有三色指示燈，指示堆垛機工作狀態。

由于公司產量高，所以降低故障率，確保不停線是排在第一位的，為此采取了這些措施：整體劃分為2個區，每個區域作為相互備份；不同車種貨位設置按不同巷道排布；搬運臺車可快速調整模式：如出庫搬運臺車轉換為入庫搬運臺車；配置高空作業防護措施及高空作業車，點檢及異常處置確保安全性；托盤位置自動檢測，偏差時準備專用工具對應托盤復位。后續計劃將2 區再分離為兩個區（即分為2、3 區），并增加一個備份運行區域，如圖7 所示。

6 結語

沖壓件立體倉儲自投入以來，成功實現的多車型側圍沖壓的倉儲自動化，達成了以下效果：（1）減少人工叉運物流，提升物流自動化效率；（2）減少疊放的高層作業、物流作業交叉干涉，提升作業安全性；（3）減少沖壓托盤碰撞導致的形變，確保托盤精度；（4）批量化生產與節拍化的對接化、后工程近接化；（5）100%先入先出的實現，在庫情況可視化；（6）今后開展AGV 搬運及壓力機自動裝箱實現的可行性提升；（7）提升場地使用效率，物流通道占用面積下降了67%，成品放置占用面積減少了54%，單位面積貨位數上升了33%，解決場地不足課題。

沖壓件倉儲自動化首次實現了公司沖壓車間的物料自動輸送、立體智能倉儲和出入庫作業，提高了企業沖、焊車間之間的物流效率，降低了公司的人力物力消耗，進一步提高了公司的物流、倉儲水平，為企業創造更大價值。倉儲自動化必將是未來發展應用的趨勢，隨著使用的普及、不斷完善，將來發展一定會越來越好。