李林 楊耀勇 王成明

（機械工業(yè)第九設計研究院有限公司，長春130011）

1 前言

目前，隨著汽車行業(yè)智能制造的快速推進，特別是中國大力推進物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、智能設備的大背景下，企業(yè)在智能制造過程之中使用自動化物流系統(tǒng)已經(jīng)成為了公司提升綜合實力的重要舉措，對于生產(chǎn)管理過程智能化建設發(fā)揮著重要作用，如何有效加強自動化物流系統(tǒng)的應用效果已經(jīng)成為了企業(yè)智能制造重點關注的問題之一[1]。物流自動化是充分利用各種機械和運輸設備、計算機系統(tǒng)和綜合作業(yè)協(xié)調(diào)等技術手段，通過對物流系統(tǒng)的整體規(guī)劃及技術應用，使物流的相關作業(yè)和內(nèi)容省力化、效率化、合理化，快速、精準、可靠地完成物流的過程。物流自動化是有機的將自動化思想和方法應用于物流過程中，使物流過程各環(huán)節(jié)合理結(jié)合以提高效率滿足用戶需求[2]。物流自動化如何體現(xiàn)在總裝車間的物流實際生產(chǎn)中，本文以某總裝車間物流配送系統(tǒng)為例，對物流自動化設備的應用進行研究。為打造先進的智能化總裝車間，克服車間物流配送面積緊張、線側(cè)面積不足、多車型混線生產(chǎn)的問題，項目團隊將多種先進物流配送技術應用至本項目中，最終形成行業(yè)首個大批量生產(chǎn)車間物流無人化配送系統(tǒng)。該系統(tǒng)以LES（物流執(zhí)行系統(tǒng)）系統(tǒng)作為大腦，RFID（射頻識別）技術作為信息傳遞，AGV（自動導引車）系統(tǒng)作為執(zhí)行單元，實現(xiàn)物料高效、精準、可靠投放。隨著項目的成功運行，對于物流自動化設備推廣應用更加有利，希望通過本文介紹可以給汽車總裝車間物流配送快速發(fā)展提供參考。

2 某總裝車間物流方案簡述

某總裝車間生產(chǎn)節(jié)拍2.16 min，生產(chǎn)車型為4款非平臺化產(chǎn)品，產(chǎn)品涵蓋轎車、SUV、純電等多品種類型。總裝車間工藝輸送采用多種輸送方式混合使用：內(nèi)飾線輸送方式前段采用滑板、中段采用AGV輸送、后段采用滑板輸送；底盤線采用EHB輸送；二次內(nèi)飾采用AGV輸送；靜檢線采用塑料板輸送；車門線采用AGV輸送；底盤分裝線采用AGV輸送；儀表線采用AGV+摩擦線輸送；前端線采用AGV輸送。由于車間面積狹小，預留給物流的使用面積總共13500 m2，面積缺口達到10000 m2左右，因此在布置物流方案時綜合考慮車間配送面積、線邊物料擺放面積、車間間倒運便利性、生產(chǎn)均衡性等因素，考慮將一次內(nèi)飾、車門、前端物料從物流車間通過通廊采用AGV 1拖2的方式運送至總裝車間。為減少器具種類，降低配送指示系統(tǒng)難度，3條生產(chǎn)線物料上線方式均采用SPS（組件系統(tǒng)）配送；底盤分裝發(fā)動機、變速箱等大物、鋪裝線物料布置在總裝車間南側(cè)區(qū)域，大物采用批量配送，鋪裝線物料采用SPS配送，發(fā)動機分裝、動力總成分裝、后懸分裝線物料均存儲在物流車間，采用SPS配送方式進行物料配送；底盤線大物如保險杠、排氣管采用JIS（準時化）配送方式，批量配送至線側(cè)，底盤線其他小物布置在H總裝車間北側(cè)物流區(qū)，采用SPS配貨方式進行配送；二次內(nèi)飾由于線側(cè)廠房柱子密集，并且均為大物，最終考慮將物料區(qū)布置在總裝車間北側(cè)物流區(qū)，上線方式采用JIS配送方式，直送工位；車間所有物料從物流區(qū)至生產(chǎn)線側(cè)均采用AGV輸送方式進行配送，所有物料輸送均由LES系統(tǒng)進行指示，滿足車間先進、智能、自動化、信息化的要求。總裝車間物流路線圖如圖1所示。

圖1 總裝車間物流路線

3 自動化技術簡述

隨著科技進步，越來越多先進技術應用在汽車總裝車間，下邊就目前廣泛應用在汽車總裝車間的物流自動化技術進行一些梳理。

3.1 貨物自動驗收設備

目前對于汽車工廠，總裝車間內(nèi)零部件種類眾多，數(shù)量巨大，零部件供應商送貨到廠后，采用人工驗收需要耗費很多人工，驗收效率低下，為解決此問題，現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)流行采用自動驗收+抽檢方式進行零部件入廠驗收；自動驗收主要有2種方式：基于RFID的自動驗收門、基于二維碼的自動驗收門。

3.1.1 基于RFID的自動驗收門

基于RFID的自動驗收門是1種高性能的UHF電子標簽通道，支持WHF、EPC格式電子標簽的快速防沖突解析和讀寫處理，用于倉儲管理，實現(xiàn)無人自動收發(fā)貨業(yè)務。主要工作原理是采用超高頻RFID讀寫器放置在物流門處，貨物上粘貼RFID標簽，RFID標簽中寫入零部件信息，驗收門通過讀寫器讀取RFID標簽中內(nèi)工業(yè)內(nèi)容與LES系統(tǒng)信息比對，確認是否為需求零部件。自動驗收門如圖2所示。

圖2 自動驗收門

3.1.2 基于二維碼的自動驗收門

二維碼自動驗收其工作原理是采用視覺相機識別物料上的二維碼，讀取二維碼信息，進行自動驗收。

3.2 物流倉儲技術

3.2.1 自動化立體倉庫

自動化立體倉庫是物流倉儲中出現(xiàn)的新概念。利用立體倉庫設備可實現(xiàn)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(tǒng)組成。貨架是鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物或結(jié)構(gòu)體，貨架內(nèi)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。自動化立體倉庫如圖3所示。

圖3 自動化立體倉庫

3.2.2 高位存儲貨架

根據(jù)倉儲設備行業(yè)的習慣定義，高度＞5 m的貨架稱為高位貨架。它包括橫梁托盤貨架、貫通式貨架、后推式貨架、雙深度式貨架、窄通道貨架、自動化立體倉庫等。高位貨架是倉庫使用率最普遍的一種貨架，貨架本身有很好的揀取效率，可實現(xiàn)貨物的快捷存取。一般需配合高位叉車共同使用。

3.3 AGV自動配送技術

自動導引車(Automated Guided Vehicle，AGV)通常也稱為AGV小車，指裝備有電磁或光學等自動導航裝置，能夠沿規(guī)定的導航路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。AGV小車如圖4所示。下面對汽車總裝車間內(nèi)廣泛應用的AGV進行介紹。

圖4 AGV小車

3.3.1 叉車式AGV、牽引式AGV、背負式AGV

a.叉車式AVG：AGV叉車包含托盤叉車式AGV、寬腳堆高式叉車AGV、無腳堆高式叉車AGV，用于堆棧托盤類貨物的物流周轉(zhuǎn)，由液壓升降系統(tǒng)、差速驅(qū)動系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、導引系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、警示系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和動力電源組成，是集液壓升降和PLC控制的可編程無線調(diào)度的自動導引小車；

b.牽引式AGV：分為潛伏牽引式、后牽引式2種，是AGV牽引帶輪器具對物料進行搬運，AGV僅提供牽引力，貨物自重靠帶輪料車承受；

c.背負式AGV：在AGV車體上放置托盤、料架、料箱等貨物進行搬運，AGV承受物料重力。

3.3.2 磁導航AGV、視覺導航AGV、激光導航AGV

a.磁導航AGV：采用了在路面貼磁帶，通過磁帶感應信號實現(xiàn)導引。一般使用磁條或者磁線作為導航方式，定位一般采用磁釘、RFID卡、磁圈等進行交叉路口選擇及定位；目前行業(yè)內(nèi)此種方式導航精度可達到±10 mm，定位精度可達到±10 mm；優(yōu)點是便于路線的快速變更，路線鋪設方便，投資成本低；缺點是運行地面不能有可磁化金屬，定位精度不高，地面貼磁條觀感略差。地面鋪設磁條如圖5所示。

圖5 地面鋪設磁條

b.視覺導航AGV：一般使用色帶、二維碼等作為導航方式，定位一般采用二維碼進行定位，目前總裝車間內(nèi)運用的主要有二維碼導航AGV、色帶導航AGV。

二維碼導航AGV是車載相機掃描地面二維碼信息，根據(jù)二維碼信息以及方向定位和判定改位置的屬性，諸如貨架站點、取貨站點、充電站點、高/低速路徑等，控制系統(tǒng)根據(jù)任務以及其他車輛在系統(tǒng)中的位置進行路徑安排和導航；導航方式是基于慣性導航+視覺識別的方式，其二維碼主要起到路線修正、路線調(diào)整及定位作用，二維碼一般鋪設間距為1～1.5 m，定位精度一般為±10 mm；此種導航方式一般應用在環(huán)境清潔、對于定位精度要求不高的環(huán)境中。優(yōu)點是地面鋪設二維碼少，地面較為整潔，硬件成本較低，安裝時間短，二維碼方便維護；缺點是路線更改較磁條麻煩，定位精度不高。

色帶導航AGV是利用視覺導航是在AGV的行駛路徑上涂刷與地面顏色反差大的油漆或粘貼顏色反差大的色帶，在AGV上安裝有攝圖傳感器將不斷拍攝的圖片與存儲圖片進行對比，偏移量信號輸出給驅(qū)動控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過計算糾正AGV的行走方向，實現(xiàn)AGV的導航；導航采用色帶進行導航、定位采用二維碼進行定位，其定位精度可達到±5 mm；此種導航AGV基本與磁導航AGV應用環(huán)境一致，只是對于地面材質(zhì)沒有特殊要求。優(yōu)點是便于路線的快速變更，路線鋪設方便，定位精度高；缺點是地面貼色帶或刷漆，觀感略差，投資較磁條導航方式高。地面鋪設色帶如圖6所示。

圖6 地面鋪設色帶

c.激光導航AVG：其工作原理為激光導航是在AGV行駛路徑的周圍安裝位置精確的反射板，AGV通過發(fā)射激光束，同時采集由反射板反射的激光束來確定其當前的位置和方向；其定位精度較其他幾種導航方式差，主要應用在環(huán)境簡單，遮擋物少的環(huán)境中，同時其激光頭需無遮擋，相較于其他幾種導航方式來說，不太適用于向總裝車間線側(cè)搬運物料。優(yōu)點是地面無需其它定位設施，行駛路徑可靈活改變，可在無光環(huán)境下運行；缺點是激光反射器成本較高，反射片與AGV激光傳感器之間不能有障礙物，不適合空中有物流影響的場合，定位精度差。

3.4 SPS配送技術

成套零部件供應(Set Parts Supply，SPS)是向生產(chǎn)線單輛份配貨的1種物料配送方式，就汽車裝配流水線來講，就是將汽車裝配線某一條或部分裝配線上一臺車份所需的部分零部件按裝配工藝要求安排到一臺或多臺小車或?qū)Ｓ弥苻D(zhuǎn)器具上，通過運輸工具拉動到指定的工位，小車或?qū)Ｓ闷骶唠S對應的車輛同步運行。SPS的原理是在車輛排序點采集車輛配置信息，通過生產(chǎn)管理系統(tǒng)發(fā)送至相應的物料配送區(qū)，利用排序相對于生產(chǎn)的提前期配出單車成組物料，采用自動化輸送系統(tǒng)送至線邊，最終實現(xiàn)整車的裝配。SPS方式的最大特點就是不受車型、零件和工位的限制；其適合多車型混線生產(chǎn)，生產(chǎn)線縮短，工位器具品種明顯降低；人機工程得到優(yōu)化，減少物料的包裝內(nèi)襯并簡化線旁工位器具設計；由于工藝、工位變化可明顯減少工位器具的更改設計和制作成本；線旁成套物料可實現(xiàn)JIT[3]。

3.5 自動隨行技術

自動隨行技術一般與SPS配送方式配合使用，在采用SPS配送方式時，物料需要跟隨待裝車輛運轉(zhuǎn)，因此針對不同工況下，隨行方式也不同。下邊就常用的隨行技術進行總結(jié)介紹。

3.5.1 SPS箱隨車身運轉(zhuǎn)

此種方式是將SPS箱投遞到車輛內(nèi)部，SPS箱跟隨車輛運轉(zhuǎn)。主要用與小件的配送。

3.5.2 工藝輸送設備作為動力源的隨行方式

主要是將SPS器具搭載在工藝輸送線體上，工藝線體運轉(zhuǎn)時帶動SPS器具運轉(zhuǎn)。常用的有SPS器具整體放置在滑板上的方式、SPS器具2個輪子搭載在滑板線的方式、SPS器具采用掛鉤掛在底盤器具上的方式。

3.5.3 單獨設置動力源與線體隨行方式

此種方式主要是在生產(chǎn)線邊設置輸送線，輸送線與工藝線體同步運行，輸送線為器具提供動力。常用的方式有摩擦線輸送、推桿輸送方式、鏈條輸送方式等。

a.摩擦線輸送：在器具兩側(cè)設置摩擦輪及導向條，摩擦輪擠壓器具側(cè)面，生產(chǎn)線隨摩擦輪依靠電機旋轉(zhuǎn)，靠摩擦力將器具按照生產(chǎn)線速度前行。優(yōu)點是對器具要求不高，僅對寬度一致性有要求，與生產(chǎn)線同步性好，運行平穩(wěn)；缺點是占據(jù)線側(cè)空間較大，投資成本較高。

b.推桿輸送方式：在器具一側(cè)設置推桿機構(gòu)，另一側(cè)設置導向條，推桿推動器具前行，推桿一般采用鏈條輸送。優(yōu)點是對器具要求不高，僅對寬度一致性有要求，與生產(chǎn)線同步性較好，投資成本較低；缺點是噪音較摩擦線大，鏈條需要定時潤滑，占據(jù)線側(cè)空間較大，運行平穩(wěn)性較差。推桿隨行線如圖7所示。

圖7 推桿隨行線

c.鏈條輸送方式：在器具上設置連接桿，連接桿與鏈條上設置的固定件連接，鏈條隨生產(chǎn)線運轉(zhuǎn)帶動器具運轉(zhuǎn)。優(yōu)點是占據(jù)線側(cè)面積較小，與生產(chǎn)線同步性較好，投資成本較低；缺點是噪音較摩擦線大，鏈條需要定時潤滑，運行平穩(wěn)性較差，每個器具需要增加連接件。鏈條隨行線如圖8所示。

圖8 鏈條隨行線

d.AGV隨行：采用AGV運送器具與生產(chǎn)線隨行。優(yōu)點是運行平穩(wěn)，隨行路線調(diào)整方便，線側(cè)占據(jù)面積少，與生產(chǎn)線同步性好，可隨生產(chǎn)線柔性生產(chǎn)（生產(chǎn)線可出現(xiàn)空位）；缺點是投資成本高，對器具一致性要求較高。AGV隨行線如圖9所示。

圖9 AGV隨行線

3.6 物流仿真技術

物流配送環(huán)節(jié)多，路線復雜，傳統(tǒng)規(guī)劃手段很難保證規(guī)劃結(jié)果的準確性，因此仿真技術越來越多應用在項目中。

目前應用較多的物流仿真軟件主要有Auto?Mod、ShowFlow、Siemens Plant Simulation等。

3.6.1 AutoMod軟件

主要包括3大模：AutoMod模塊提供給用戶一系列的物流系統(tǒng)模塊來仿真現(xiàn)實世界中的物流自動化系統(tǒng)，主要包括輸送機模塊（輥道、鏈式）、自動化存取系統(tǒng)（立體倉庫、堆垛機）、基于路徑的移動設備（AGV等）、起重機模塊等。AutoStat模塊為仿真項目提供增強的統(tǒng)計分析工具，由用戶定義測量和的標準，自動在AutoMod的模型上執(zhí)行統(tǒng)計分析。AutoView模塊可以允許用戶通過AutoMod模型定義場景和攝像機的移動，產(chǎn)生高質(zhì)量的AVI格式的動畫。用戶可以縮放或者平移試圖或使攝像機跟蹤一個物體的移動，如叉車或與托盤的運動。AutoView可以提供動態(tài)的場景描述和靈活的顯示方式。

3.6.2 ShowFlow

可為制造業(yè)和物流業(yè)提供建模、仿真、動畫和統(tǒng)計分析工具，包含建模、仿真、統(tǒng)計、分析、動畫和文檔輸出等模塊，可以提供生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)量，確定瓶頸位置，提前估測分析資源利用率，還可校驗制造系統(tǒng)設計的合理性，通過對不同的制造策略進行仿真試驗來找出最優(yōu)解。

3.6.3 Siemens Plant Simulation

為一款工廠、生產(chǎn)線及物流仿真軟件，能夠?qū)囬g布局、生產(chǎn)物流設計、產(chǎn)能等生產(chǎn)系統(tǒng)的其他方面進行定量的驗證并根據(jù)仿真結(jié)果找出優(yōu)化的方向。從而能夠在方案實施前對方案實施后的效果進行驗證。常用的應用模塊包括布局規(guī)劃及仿真、生產(chǎn)線產(chǎn)能仿真及優(yōu)化、車間物流仿真、裝配線平衡。

4 自動化技術在某總裝車間應用方案

4.1 AGV自動配送

某總裝AGV配送路線共計40條，總裝車間內(nèi)直送工位應用物流AGV有227臺，下邊就AGV的選型、配置、調(diào)度等進行介紹。

4.1.1 AGV選型

整個車間受制于車間面積狹小、廠房柱密集的影響，38條配送路線要求AGV可帶器具橫移，2條配送路線要求AGV后牽引；針對此種需求，結(jié)合維修便利性，車間內(nèi)主要應用雙舵輪潛伏牽引式AGV和后牽引式AGV。對于導航方式，考慮到預算成本低、技術成熟度高、定位精度不高，采用磁條導航方式。AGV配置表如表1所示。

表1 AGV配置表

4.1.2 調(diào)度系統(tǒng)

車間內(nèi)AGV眾多，線路交叉嚴重，產(chǎn)品分屬多家公司，為保證AGV運行的高效性，避免運行碰撞、死鎖等情況，設置綜合調(diào)度系統(tǒng)。

綜合調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)多品牌AGV兼容，統(tǒng)一調(diào)度所有物流AGV，提供統(tǒng)一的人機交互界面；通過設定不同路線AGV運行的優(yōu)先級及AGV請求的先后順序解決碰撞、死鎖問題；具備隨機調(diào)度AGV進行優(yōu)先任務的處理功能；與現(xiàn)有MOM、LES系統(tǒng)直連，實現(xiàn)搬運物料的實時追蹤；提供AGV狀態(tài)收集及物理定位，實時將AGV狀態(tài)信息反饋到生產(chǎn)管理系統(tǒng)中。調(diào)度系統(tǒng)畫面如圖10所示。

圖10 調(diào)度系統(tǒng)畫面

4.2 RFID技術應用

總裝車間大多數(shù)物料的發(fā)車道重疊，并且發(fā)車道無人化運轉(zhuǎn)，AGV若要將物料送至制定工位，需要自動將物料信息傳遞給AGV調(diào)度系統(tǒng)進行路線的選擇。為滿足以上需求，所有AGV搬運器具上設置RFID卡，在每道物料口設置讀卡器，將讀取到的信息發(fā)送給調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度系統(tǒng)將物料配送路線通過無線路由發(fā)送給AGV小車，AGV搬運物料小車到達指定位置。部分路線RFID定義表如表2所示。

表2 部分路線RFID定義表

4.3 SPS配送

受制于總裝車間面積狹小，為降低車間間物料轉(zhuǎn)運難度及料車種類、降低總裝車間物流卸貨區(qū)面積，考慮一次內(nèi)飾、底盤線、車門分裝線、儀表分裝線、前端分裝線、發(fā)動機分裝線、動力總成分裝線、后懸分裝線、鋪裝線等均采用SPS配貨方式。

4.4 自動隨行技術

對于內(nèi)飾線工藝前、后段采用滑板輸送方式，中段采用AGV輸送方式?；寰€柔性差，線側(cè)面積較為寬松，為降低成本，考慮采用摩擦線配隨行，AGV柔性好，為匹配工藝柔性，物流中段也采用AGV隨行方式；底盤線工藝采用EHB輸送方式，其柔性差，線側(cè)面積緊張，為降低成本，考慮采用推桿隨行方式；車門工藝采用AGV輸送，為匹配工藝柔性，物流也采用AGV隨行方式；動力總成、前懸分裝、后懸分裝工藝采用AGV輸送，考慮線邊面積緊張，物流SPS料車掛在工藝AGV后進行隨行。

4.5 物流仿真技術

本項目中應用AGV線路多、AGV數(shù)量大，傳統(tǒng)規(guī)劃手段很難定量分析瓶頸點及各條路線的合理AGV數(shù)量，通過Siemens Plant Simulation軟件的仿真，共優(yōu)化AGV數(shù)量11臺，解決路線瓶頸點4處，優(yōu)化輸送線路12條，使方案在可行的前提下實現(xiàn)最優(yōu)化。瓶頸點分析如圖11所示。

圖11 瓶頸點分析

5 結(jié)論

某總裝車間物流通過自動化技術的應用，使得在約13000 m2車間物流面積下滿足10萬輛大批量生產(chǎn)，減少約70個物流工人，上線零部件合格率有了較大提升。本文通過介紹汽車總裝車間常用的物流自動化技術，并通過實例介紹如何選用最為合理的自動化技術，給同行業(yè)及相關物流行業(yè)規(guī)劃提供參考。