基于“LE-DI”理念的汽車沖壓智能物流研究

文／鄧沛強·廣汽本田汽車有限公司

本文關注傳統沖壓舊車間，基于“LE-DI”理念提出高效、低成本的智能物流方案，以及全面解析生產物流智能化的方向和難點。本文從實際的沖壓工藝出發，主要回答了以下問題：什么是智能物流？如何布局沖壓車間智能物流？如何實現智能物流？同時，本文通過實際項目案例加以分析，提出智能物流導入過程中的課題和處理方案。

隨著國內汽車市場的競爭愈發激烈，各大車企的成本壓力不斷增大，降本增效成為了各家主機廠的主要任務。沖壓作為汽車四大工藝之一，多年來通過導入自動化技術已大幅削減人力成本并提高了生產效率，但到目前為止，在物流工藝上仍保留著大量人工作業的傳統模式，產生了大量勞動力成本。面對嚴峻且復雜多變的市場環境，沖壓物流也應盡快朝自動化、數字化和智能化方向發展，進一步降低生產成本和迅速提高自身競爭力。本文關注傳統的沖壓車間，研究如何對車間內的離散型物流進行自動化改造，創新性地提出了“LE-DI”理念，高效、低成本地導入智能物流系統，同時從實際案例出發，闡述項目落地過程中的難點和有效的改造方案。

“LE-DI”理念

“LE-DI”指的是Low cost 低成本、Efficient 高效，和Digitization 數字化、Intelligent 智能化。“LE-DI”理念的核心思想是在激烈的競爭環境中以低成本、高效率為基本思路，快速導入數字化、智能化技術提升自身競爭力，如圖1 所示。基于“LE-DI”理念，在傳統沖壓舊車間中導入智能物流，前期設計要“兩手抓”：既要考慮功能的實現，也要考慮減少現場的改造量。不僅需要思考如何最大化利用現有場地來導入設備，如何最小化影響現有工藝和布局，還要思考如何實現智能化和數字化，最終達到降低生產成本和提高運輸效率的目的。

圖1 LE-DI 理念

沖壓物流流程

在沖壓車間，如圖2 所示，卷材經過開卷落料、坯料堆垛、運輸上料、沖壓成形等工藝后生產出車身零件，接著經過質檢裝箱、運輸入庫，最后供件到下工序進行焊接。在整個過程中，傳統的沖壓車間需要多名叉車工完成坯料運輸、上料，零件入庫、供件等物流作業，隨著市場競爭愈發激烈，繼續沿用人力運輸的模式成本高，已難以適應企業的發展需求，而近年來興起的AGV 小車以及智能物流為企業提供了自動化改造的方向。

圖2 沖壓物流流程示意圖

智能物流概念與AGV 的興起

智能物流是在傳統物流的基礎上，通過數字化、信息化、智能化和自動化等先進技術，打造成一種高效、便捷、節能、環保的物流新模式，導入智能物流后能夠實現全自動運輸，運輸流程可視化以及數字孿生等功能，為無人車間和數字化車間打下基礎。車間智能物流系統主要包含三大模塊：WMS 倉儲管理系統，RCS 物流調度系統和AGV。其中AGV(Automated Guided Vehicle)即自動引導車，是智能物流中重要的一部分，是接收和完成運輸任務的主體。

AGV 最早出現在20 世紀50 年代，現已被廣泛應用于工業、餐飲、倉儲等行業，主要用來充當物流運輸、流水線的載體。第一臺國產AGV 在90 年代正式落地，然而當時的AGV 負載噸位小，而且單臺造價高達數十萬元，加上運輸方式簡單、功能單一，需要人員配合操作等缺點，因此少有企業投入使用。但隨著科技發展，AGV 產品不斷更新迭代，功能越來越強大，現在的AGV 根據不同的功能大致可分成牽引型、背馱型、叉車型、舉升型和特殊型5 種類別，既能實現智能判斷路線和智能避障，也能適應各種形狀的物料運輸。最重要的是設備造價相對以往有大幅下降，現在的國產小負載(1 噸以下)AGV 單價已普遍在15 萬元以內，對于許多企業來說已是可接受范圍，近幾年越來越多的AGV 項目正在陸續落地。

智能物流在汽車行業內的應用現狀

在傳統車企中，目前投入智能物流的車間主要以焊裝與總裝為主，用于代替人工完成車身結構件與儀表臺或內裝部件的運輸工作，而在涂裝和沖壓車間內則少有應用。在涂裝領域，由于電泳、涂漆等特殊工藝的需求，運輸設備使用傳統的PLC ＋輸送鏈組合會更加安全可靠，投入智能物流系統或使用AGV 并無優勢。

對于沖壓車間，坯料和零件等物料都是人工運輸，目前制約智能物流投入的因素有三個：

第一，沖壓領域物料重且尺寸大，最重有5 噸，尺寸最大有3.8m×1.9m，市場上標準的AGV 無法滿足需求，需要定制負載能力和尺寸更大的AGV；

第二，沖壓料架尺寸差異大且規格多樣，為保證通用性，AGV 的結構設計會存在較大難題；

第三，舊廠房空間有限，存在通道偏窄和零件倉儲場地不足的問題，而現有的智能物流方案一般只針對新工廠新車間，并不適用于舊車間。當然，對于在前期已規劃智能物流的新工廠來說，會預留充足的場地和設計統一規格的料架，因此導入智能物流會顯得更加簡單，而對于舊車間來說，并不能直接套用新工廠的方案，需要根據不同的現狀進行量身定制。

傳統沖壓車間的智能物流方案

雖然在沖壓舊車間內導入智能物流的設計難度較大，但也并非無法落地，筆者經過多次的供應商調研和深入現場調查，對相關難點進行分析，并結合“LE-DI”理念找到對應的理想方案，接下來將從實際的例子出發對新方案進行描述。

某主機廠的沖壓A 車間于2005 年建成，內有5條縱向分布生產線和3 個零件倉庫，另外有兩條橫向分布主物流通道：線首通道和線末通道。其中，線首通道的寬度為5m，主要用于坯料運輸、上料作業、零件轉運和模具轉運；線末通道的寬度為5m，主要用于零件入庫運輸和出庫供件。在運輸的物料中，單架零件重1.5 噸，單架坯料重5 噸，模具重30 噸，整個物流系統共投入了40 臺叉車、1 臺拖模車和80余名員工來維持正常生產，物流分布情況如圖3 所示(天車吊運和外部貨車物流不包含在內)。

圖3 某主機廠沖壓A 車間的物流分布示意圖

以下是以沖壓A 車間為基礎制定的智能物流方案。

智能物流總布局

根據作業類型，可將智能物流布局分為5 部分：智能坯料物流、智能上料運輸、智能入庫物流、智能供件物流和智能轉運物流。這5 部分的任務不同且各有特點：①智能坯料物流負責將坯料從落料線運輸到坯料倉庫；②智能上料運輸負責將坯料從倉庫搬運到沖壓線或直接接過落料線來的坯料完成上料；③智能入庫物流負責將零件從沖壓線運輸到零件倉庫并入庫；④智能供件物流負責將零件出庫并運輸到焊裝；⑤智能轉運物流負責將零件從倉庫1 轉運到倉庫2/3，將模具轉運到各條生產線。

其中，與坯料相關的AGV 負載能力要5 噸以上，且能與落料線的堆垛機和沖壓線的拆垛機握手與對接，零件相關的AGV 負載能力要1.5 噸以上，且能實現出入庫功能，而轉運用的AGV 需分成運輸零件的普通型號和運輸模具的大負載型號。這5 部分智能物流可一次性導入，也可根據優先度分步導入，因為各部分之間的AGV 具備一定通用性，所以AGV 可以在各自部分內形成小循環，也可以在車間的整個系統內形成大循環。

系統框架

圖4 為系統的整體架構圖，5 個部分由同一個WMS 系統和RCS 系統管控，由不同類型的AGV 執行運輸任務，工作流程大致可描述為WMS 獲取生產計劃，這里的計劃可以是對接生產管理MES 系統，也可以直接由生產線員工導入；WMS 根據生產計劃檢索對比庫存信息，接著生成運輸任務并下發給RCS系統；RCS 系統根據接收到的任務，調度附近的AGV執行，完成運輸作業。

圖4 智能物流整體架構

當然，完整的智能物流系統還需要包括以下部分：①網絡系統；②充電系統；③操作終端(如PDA 等人工下發任務的設備)；④可視化；⑤服務器／工控機；⑥其他配套裝置(如物料對接裝置、紅綠燈等)。

線路布置

線首和線末通道作為主干道，布置AGV 雙向通行線路，聯通各條生產線與各個倉庫，其中線首通道主要用于坯料和模具的運輸，線末通道主要用于零件運輸，其他通道根據實際生產需求布置AGV 支路，整體線路形成了總線型＋環形的拓撲結構。

整體運轉方案

基于“LE-DI”理念，在制定整體方案時需要先思考如何實現低投入與快產出，概括來說，就是要盡量減少對現有場地和設備的改造，減少對現有工藝和生產的影響。仍以沖壓A 車間為例，在設計方案時碰到兩個典型的難題。

⑴場地空間不足，主要是零件倉儲空間有限。

在以往的項目實績中，投入智能物流系統一般需要配套零件立體倉庫(后文簡稱“立庫”)，實現AGV 到點后的零件自動出入庫。先回頭看一下沖壓A 車間，目前零件是通過人工疊放3 層存儲的，零件倉庫的廠房高度小于10m，倉庫面積有限且沒有額外的地方擴建，在此條件下導入立庫會損失零件存儲量。在倉庫面積一定時，原有疊放3 層的零件，在立庫中至少需要疊放6 層才能保證存儲量，原因是立庫中需要空出巷道來布置堆垛機。按單層零件高2m 計算，至少需要12m 以上的廠房高度才能導入立庫且不損失存儲空間，明顯A 車間的倉庫廠房并不滿足條件。

在這種情形下，最理想的方案是重建廠房，再投入立體倉庫，但顯然這個方案不僅造價高，耗時長，且會影響到正常生產。經過市場調研后，這里提出一個創新方案：不改變現有倉儲條件，只需要重新分配存儲空間，一種零件對應1 個存儲區域，然后投入叉車型AGV配合視覺識別系統實現零件的自動出入庫。

叉車型AGV 自帶有視覺識別(圖5)與激光定位功能，可自動識別位置和叉取零件臺車，完成自動出庫的功能。搭配工業視覺在上方輔助定位，解決零件入庫疊放時的定位難題。方案中的設備可逐步投入，先在倉庫小范圍內進行測試，待測試好后再全面鋪開，此外本方案無需重建廠房，市場上也有成熟的工業視覺和叉車型AGV 產品，初步計算投入成本約為立體倉庫的三分之一，另外設備可以逐步投入，不影響正常生產，有利于在舊車間中實施。

圖5 無人叉車配套視覺系統實現自動出入庫

⑵已有的沖壓生產線布局與規格難以改變，改造難度大。

在沖壓A 車間，沖壓線的拆垛單元靠近且面向線首通道，傳統對接AGV 的方案是在拆垛單元前面新增自動化對接設備，如圖6 所示，但此方案會擋住物流通道，與AGV 運行線路干涉。因此，這里提出一種新的方案：使用叉車型AGV 對接坯料，坯料運輸過來后臨時存放在線邊空地，接著叉車型AGV 自動接過坯料并完成上料作業，或者到坯料倉庫取料和上料，如圖7 所示。對于為何不直接使用叉車型AGV 從頭到尾運輸坯料，實際上叉車型AGV 的價格大概是牽引型或背馱型AGV 的3 ～4 倍，因此在現今常規的智能物流方案中運輸量大或運輸距離長的作業會交給牽引型或背馱型AGV 實施，特殊作業才交給其他類型的AGV。

圖6 傳統的對接裝置

圖7 叉車型AGV 完成上料作業示意圖

總結該運轉方案，WMS 系統根據MES 系統的生產計劃，生成運輸任務給RCS 系統，然后派發任務給AGV，如圖8 所示。投入牽引型或背馱型AGV 完成長距離的自動運輸，投入叉車型AGV 完成零件的自動出入庫和坯料的自動上下料，整體圍繞線首和線末兩條主干道運行。物流過程可概述為落料線生產后的坯料由叉車型AGV 叉取，并交接給牽引型或背馱型AGV 長距離運輸到沖壓線旁，交接給線邊的叉車型AGV 并上料到拆垛單元，沖壓線生產后的零件經由牽引型或背馱型AGV 運輸到倉庫，再交接給倉庫內的叉車型AGV 疊放入庫，待下工序有需求時，叉車型AGV 將零件叉取下來出庫，并交給牽引型或背馱型AGV 供件給焊裝。

圖8 智能物流流程示意圖

數字化內容

圖9 為智能物流系統布局示意圖，整個物流系統都由無線網絡連接，所有的AGV、充電站等設備狀態，以及供件計劃、運輸任務等物流信息都會上傳到WMS 和RCS 系統中，并對所有的信息進行處理，計算出負荷率、計劃完成率、設備故障率等數據，最終形成生產物流的數字孿生模型，并展示在可視化屏幕上。在屏幕中，不僅可以清楚看到每臺AGV 的實時位置、實時運輸的物料、實時的計劃完成率等信息，還可以在線操作控制每臺設備，或配置設備參數，例如修改AGV 運行速度、設定充電時間、手動插入運輸任務等。

圖9 智能物流系統布局示意圖

項目投資預測

根據以上方案，對沖壓A 車間智能物流項目的預算進行初步評估。在投入的AGV 數量方面，可以利用行駛速度來初步估算：現有叉車在車間內限速5km/h，而AGV 平均速度一般設定為2km/h，原有40 臺叉車，則至少需要100 臺牽引或背馱型AGV 來代替運輸，此外還需要投入叉車型AGV 完成上下料等作業。每條巷道或每條生產線布置1 ～2 臺，預計需要25 臺叉車型AGV，最后還需導入1 臺30 噸AGV 用于模具運輸。按牽引或背馱型AGV 單臺約20萬元、叉車型AGV 單臺約50 萬元、30 噸AGV 單臺約100 萬元來預估，另外加上系統開發費用與其他配套改造費用，估算沖壓A 車間的智能物流項目費用約為4000 萬元。經過市場調查，相同項目若使用AGV ＋立體倉庫＋改造生產線設備的方案，則費用起碼需要六千萬元以上，對比下來，本文中的方案投入成本下降了30%以上。

在“LE-DI”理念指導下，本文中設計的方案包含智能化和數字化內容，投入成本約為市場上常規方案的70%，而且預計投入周期更短，另外可以邊生產邊投入，減少對生產造成的影響，適合傳統的沖壓舊車間投入智能物流時參考使用。

設計方案中的其他難點分析

接下來針對制定智能物流方案過程中遇到的其他一些難點進行拆解分析。

難點1

AGV 選型問題。根據不同的運輸作業類型，AGV應該配置有5 種型號：運輸零件用的3 噸牽引或背馱型AGV(圖10)和3 噸叉車型AGV，運輸坯料用的5噸牽引或背馱型AGV 和5 噸叉車型AGV，以及運輸模具用的30 噸背馱型AGV。對于沖壓舊車間，零件的長距離運輸建議使用牽引型AGV，原因有兩個：一是傳統的零件臺車本身已有腳輪，適合于牽引，而使用背馱型時腳輪會礙事；二是零件臺車高，使用背馱型時臺車離地，重心偏高不穩定，會有安全風險。相對來說，對于坯料的長距離運輸則建議使用背馱型AGV，與零件臺車對比，坯料架沒有腳輪且重心低，適合于直接背馱運輸。

圖10 牽引型與背馱型示意圖

難點2

料架規格不一，與AGV 對接存在課題。若運輸的料架規格基本一致，且在尺寸合適的情況下對料架進行簡單的改造后就可直接對接AGV，但實際上料架為適應不同的運輸物料而設計成了不同的規格和尺寸。以沖壓A 車間為例，里面就有40 種規格的零件臺車，而且大部分零件臺車的底部空間不足(圖11)，AGV 根本無法進入。在此情況下，萬無一失的方法是重新設計和制作所有臺車，但面對成千上萬的數量，實施起來費時費力，成本也很高，不符合“LE-DI”中低成本、高效的理念。

圖11 臺車底部空間不足示意圖

在這里提出一個方案，在臺車和AGV 之間增加底托對接兩者，平時底托就固定在AGV 身上，運輸到位后由其他裝置放置或取下臺車，解決了臺車底部無法進入AGV 的問題。此外，為保證臺車在運輸過程中的安全穩定，底托上必須要設計固定結構，同時還需要考慮適用于所有臺車。這里提供一個參考樣式，如圖12 所示，根據不同規格臺車的腳輪間距，設計多個三角卡槽卡住腳輪，放置不同的臺車時會卡到不同的槽位上。同時，利用臺車叉臂孔尺寸一致的特點，在叉臂孔中間設計支撐結構輔助固定，而且在接觸面設計聚氨酯等材料增加摩擦力，保證在運輸過程中臺車不抖動、不側移。

圖12 底托設計圖

難點3

在AGV 之間以及AGV 與設備之間對接的課題。交接物料的地方一般稱為站點，在站點處安裝限位裝置，如圖13 所示，牽引型或背馱型AGV 到達站點限位后放下物料，隨后立刻執行下一個任務，叉車型AGV 到站點后叉走物料。另外AGV 在叉取坯料架時，為避免“二次叉運”的問題(因叉臂長度等限制，需要叉動兩次才能到位的問題)，背馱型AGV尺寸需慎重考慮，例如沖壓A 車間坯料架尺寸最小為1.6m×1.6m，最大為3.8m×1.9m，為保證坯料架能夠靠背馱型AGV 中心放置，并且避免“二次叉運”，AGV 尺寸最好控制在3.8m×1.6m，且相差±0.1m 范圍內。

圖13 站點設置

難點4

運輸安全的課題。在沖壓A 車間中，原有物流通道(包含人行通道)寬度僅5m，考慮到現有運輸物料的寬度最大為1.9m，布置AGV 雙向路線后，會導致通道剩余空間狹窄，此外還有物流路線與行人路線交叉的情況。在如此復雜的空間下，AGV 與行人之間的安全難以保證，最理想的對策是重修通道，擴大空間且在硬件上做到人車分流，但顯然這種做法會影響到車間布局，壓縮了生產線的空間，同時，還存在造價高、耗時長、影響正常生產等缺點。這里提供另外一個思路，如圖14 所示，不改造通道，但為保證行人安全做以下對策：①安裝護欄與道閘；②利用監控攝像頭做行人監測(圖15)；③降低AGV 經過特殊路段時的速度。

圖14 安全措施示意圖

圖15 移動監測示例圖

其中，路口道閘作用是當AGV 進入人行通道時隔離行人，攝像頭作用是輔助AGV 監測行走方向有無人員，有人時會報警并提前停止區域內的AGV(先于AGV 自身的避障雷達)。因此，算上AGV 自身的安全裝置共有5 重安全防護：攝像頭監測、激光避障雷達、機械防撞(觸碰急停)、急停按鈕和聲光報警，多重防護下能夠大幅降低安全風險，保證運輸安全。

結束語

在現今市場環境下，沖壓物流自動化、智能化、數字化是未來的必然趨勢。面向傳統的沖壓舊車間，導入智能物流存在一定難度且無先例參考，本文從實際案例出發，創新性地提出了高效、低成本，且對生產影響小的沖壓車間智能物流方案，對于沖壓車間的智能物流項目具有一定的指導意義。