項目背景
本項目所建設(shè)的智能立體倉儲系統(tǒng),位于某航空軍工企業(yè)的智能制造中心內(nèi);主要用于該生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)線邊上的暫存庫,可支持生產(chǎn)線前后段的物料供給,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的不間斷生產(chǎn)。通過建設(shè)智能立體倉庫的方式實(shí)現(xiàn)該庫的自動化作業(yè),對提高空間使用率和生產(chǎn)效率,均能起到至關(guān)重要的作用。
本項目主要運(yùn)用了AGV系統(tǒng)、堆垛機(jī)系統(tǒng)、自動輸送系統(tǒng)和倉庫管理系統(tǒng)等智能化倉儲物流技術(shù);同時將對智能制造中心的生產(chǎn)指揮調(diào)度系統(tǒng)、三維可視化分析系統(tǒng)進(jìn)行集成,以保障用戶企業(yè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性和一致性。整套系統(tǒng)按照“全年250天、24小時/天、三班制”的工作模式進(jìn)行設(shè)計,貨架的存儲量按照生產(chǎn)線3天產(chǎn)量進(jìn)行設(shè)計。
1.總體布局
(1)整體布局
本項目所在生產(chǎn)車間主要由智能化立體庫/線邊庫、鉗工間、AGV通道及三條不同生產(chǎn)線構(gòu)成(如圖1所示)。其中,該線邊庫主要用于毛坯零部件和成品零部件的存儲。同時,線邊庫中所存放的毛坯零部件,可通過AGV和調(diào)度系統(tǒng)對各生產(chǎn)線進(jìn)行供料;原料經(jīng)過生產(chǎn)線的加工單元處理完成的成品零部件,再次通過AGV自動搬運(yùn)回線邊庫進(jìn)行存儲。
(2)線邊庫平面布局
本項目的線邊庫位于生產(chǎn)車間的右上方,上側(cè)與鉗工間通過輸送設(shè)備相連接,下側(cè)與車間各生產(chǎn)線通過AGV通道連接,右側(cè)為生產(chǎn)車間主要出入口,毛坯零部件以及成品零部件均通過貨車從右側(cè)大門進(jìn)入庫房進(jìn)行出入作業(yè)。
如圖2所示,線邊庫主要分為兩個功能區(qū):托盤立體庫存儲區(qū)和鉗工間。其中,托盤立體庫存儲區(qū)由鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)、外形檢測站、貨架、堆垛機(jī)和AGV站臺構(gòu)成,該區(qū)域主要完成毛坯件的入庫存儲、毛坯件出庫至生產(chǎn)線、成品件回庫、成品件進(jìn)/出鉗工間、成品件出庫等工作;鉗工間區(qū)域由輥道輸送機(jī)、周轉(zhuǎn)運(yùn)輸小車、鉗工臺及工業(yè)吸塵器等設(shè)備構(gòu)成,其主要功能為:將經(jīng)過生產(chǎn)線加工完成后回庫的部分成品零部件,進(jìn)行毛刺處理。
2.特殊物料單元設(shè)計
(1)托盤與內(nèi)襯設(shè)計
根據(jù)用戶智能制造中心產(chǎn)線所提供的零部件清單進(jìn)行統(tǒng)計分析后,可知線邊庫需要存放的零部件共6種,每種外形尺寸均不相同。按照客戶要求,選擇鋼制川字底托盤作為零部件承載單元,每個托盤只存放同種零部件,托盤外形尺寸為1500mm×1000mm×150mm,承載能力大于300kg,并采用四面貼碼的方式。托盤外形如圖3所示(空托盤示意圖)。
為了保證零部件在托盤搬運(yùn)過程中不相互碰撞,或在托盤內(nèi)發(fā)生位移導(dǎo)致滑落,托盤四周布置高度200mm的可拆卸的鋼制圍邊,并且在托盤內(nèi)設(shè)計一種采用硬質(zhì)高密度泡沫材質(zhì)的內(nèi)襯用于零部件在托盤內(nèi)的定位,內(nèi)襯設(shè)計有零部件外形仿形槽(如圖4所示);由于AGV站臺上設(shè)置了定位插銷,故托盤底部同樣設(shè)計6個定位銷插孔,可保證托盤能精確放置在AGV站臺處,便于生產(chǎn)線的機(jī)器人抓取。
(2)貨格與貨架設(shè)計
本項目根據(jù)零部件分類情況,貨架額定承載重量按照500kg進(jìn)行設(shè)計,每排貨架設(shè)計單個存儲位進(jìn)深,單個貨格單元內(nèi)存放2個托盤零部件。貨架安裝于標(biāo)高為±0m的地平面,總長約12m,高約7m,為節(jié)約線邊庫系統(tǒng)在車間的占地面積,現(xiàn)將AGV站臺和與鉗工間相連的自動輸送設(shè)備放置于一層貨架內(nèi),貨架立面如圖5所示。貨格按照實(shí)托盤高度分為兩種,存放高托盤的貨格也可兼容存放另一種托盤。貨架與地連接方式,采用化學(xué)螺栓安裝方式。
3.工藝流程規(guī)劃設(shè)計
(1)毛坯件出/入庫流程
本項目中,毛坯件需要通過貨車從前段生產(chǎn)車間運(yùn)輸至本段生產(chǎn)車間的線邊庫大門一側(cè),并由線邊庫系統(tǒng)完成對毛坯件在貨架內(nèi)的自動入庫儲存功能。當(dāng)生產(chǎn)線需要毛坯件供給時,由線邊庫系統(tǒng)通過堆垛機(jī)、AGV等設(shè)備將毛坯件自動出庫并搬運(yùn)至生產(chǎn)線對應(yīng)站臺處,完成對各生產(chǎn)線的機(jī)械加工單元毛坯件補(bǔ)給。
毛坯件出/入庫物流動線圖,如圖6所示。
①毛坯件入庫作業(yè)流程
a.毛坯零部件在前段生產(chǎn)車間內(nèi)完成組盤和裝車等工作,使用貨車搬運(yùn)送至本車間的線邊庫內(nèi);
b.貨車進(jìn)入車間內(nèi)后,由智能制造中心生產(chǎn)管理系統(tǒng)對倉庫管理系統(tǒng)(WMS)下達(dá)入庫指令;
c.操作人員通過吊裝方式將整托盤放置于入庫站臺處,并進(jìn)行人工檢視,經(jīng)過人工檢視合格后,位于入庫站臺處的鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)將托盤送至外形檢測站進(jìn)行外形檢測,同時條碼掃碼器對托盤的條碼信息進(jìn)行確認(rèn);
d.若人工檢視結(jié)果不合格,則通過吊裝方式將毛坯件吊裝回貨車車廂內(nèi),返回前段生產(chǎn)線進(jìn)行處理,而對于未通過外形檢測或條碼掃描器的毛坯件,系統(tǒng)將托盤送回入庫站臺處,并通過聲光報警的方式提示操作人員進(jìn)行處理,處理完成后重新進(jìn)行入庫作業(yè);
e.通過以上檢測后,將堆垛機(jī)把托盤送至系統(tǒng)自動規(guī)劃的貨位內(nèi)進(jìn)行存儲,完成入庫作業(yè)。
毛坯件入庫流程圖,如圖7所示。
②毛坯件出庫作業(yè)流程
a.智能制造中心生產(chǎn)管理系統(tǒng)會根據(jù)每條生產(chǎn)線的機(jī)械加工單元加工進(jìn)度,對線邊庫倉庫管理系統(tǒng)(WMS)下達(dá)供料指令;
b.線邊庫倉庫調(diào)度系統(tǒng)(WCS)分解指令并調(diào)度堆垛機(jī)將托盤送至AGV站臺處;
c.通過AGV將托盤自動搬運(yùn)至生產(chǎn)線指定站臺處,由機(jī)械加工單元對毛坯件進(jìn)行加工處理。
毛坯件出庫流程圖,如圖8所示。
(2)成品件出/入庫流程
本項目中的成品件入庫流程,是指將經(jīng)過生產(chǎn)線機(jī)械加工完畢的成品件和由線邊庫系統(tǒng)的AGV、堆垛機(jī)等設(shè)備進(jìn)行自動回庫存儲的過程;成品件出庫流程,是指將貨架內(nèi)具備發(fā)貨條件的成品件通過線邊庫系統(tǒng)自動送至出庫站臺處,經(jīng)人工吊裝的方式上車發(fā)貨的過程。
成品件出/入庫物流動線圖,如圖9所示。
①成品件出庫作業(yè)流程
a.由智能制造中心生產(chǎn)管理系統(tǒng)下達(dá)出庫任務(wù)至線邊庫WMS系統(tǒng),WMS接收并分解其指令,由WCS系統(tǒng)調(diào)度堆垛機(jī)將目標(biāo)貨位內(nèi)的成品件整托搬運(yùn)至位于貨架前端的輸送設(shè)備處;
b.輸送設(shè)備將成品件托盤自動輸送至出庫站臺,通過人工吊裝的方式將成品件及托盤放入貨車內(nèi),完成出庫任務(wù)。
成品件出庫流程圖,如圖10所示。
②成品件入庫作業(yè)流程
a.智能制造中心生產(chǎn)管理系統(tǒng)根據(jù)各生產(chǎn)線生產(chǎn)進(jìn)度等信息下達(dá)成品入庫任務(wù)至線邊庫WMS系統(tǒng),WMS接收并分解其指令,由WCS系統(tǒng)調(diào)度AGV形式至生產(chǎn)線成品件所在AGV站臺處進(jìn)行取貨;
b.AGV取貨完成后,將成品件托盤自動搬運(yùn)至位于線邊庫貨架下方的AGV站臺處后,駛離站臺執(zhí)行后續(xù)任務(wù);
c.由堆垛機(jī)將站臺處的成品件托盤自動搬運(yùn)至系統(tǒng)規(guī)劃貨位內(nèi)存儲,完成入庫任務(wù)。
成品件入庫流程圖,如圖11所示。
(3)帶毛刺成品件出/入庫流程
部分生產(chǎn)線加工完成的成品件需送至鉗工間進(jìn)行人工去毛刺處理,處理完成后的零部件需要重新入庫存儲。
如圖12所示,在成品件入庫時,線邊庫系統(tǒng)能夠根據(jù)入庫托盤信息,自動區(qū)分該托盤裝載的成品件是否需要進(jìn)行毛刺處理。對于需要進(jìn)行去毛刺處理的成品件,將通過鉗工間操作人員下達(dá)的指令,按照設(shè)定順序依次送至位于貨架一層的進(jìn)鉗工間輸送設(shè)備處,再由操作人員通過周轉(zhuǎn)運(yùn)輸小車將托盤搬運(yùn)至鉗工臺進(jìn)行去毛刺處理。處理完成的成品件,繼續(xù)通過周轉(zhuǎn)運(yùn)輸小車送回至鉗工臺站臺處,完成自動回庫存儲工作。
1.技術(shù)平臺
昆船公司采用AutoMod軟件根據(jù)系統(tǒng)工藝平面布置圖,對項目進(jìn)行系統(tǒng)和關(guān)鍵單機(jī)設(shè)備能力仿真。該軟件是美國APPLIED MATERIALS公司提供的專用于物流過程仿真、實(shí)驗與優(yōu)化的軟件,具有面向?qū)ο蟆⒒谌S圖形化建模、真實(shí)模擬物流和設(shè)備走行動作、可實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜調(diào)度策略等特點(diǎn)。
2.系統(tǒng)仿真
(1)系統(tǒng)流量分析
根據(jù)車間內(nèi)生產(chǎn)線單位時間的加工能力進(jìn)行分析計算,線邊庫對各條生產(chǎn)線的半成品供給和成品回庫效率需要不低于33PL/h。再結(jié)合前段工序的生產(chǎn)車間出庫效率,可得出線邊庫系統(tǒng)整體出入庫效率不低于55PL/h的需求。
(2)參數(shù)設(shè)置
仿真軟件將按照巷道堆垛機(jī)、AGV等主要自動化設(shè)備的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行輸入(如圖13、圖14所示)。同時,為檢驗系統(tǒng)可靠性,考慮仿真統(tǒng)計數(shù)據(jù)的穩(wěn)定,設(shè)定系統(tǒng)仿真總時長為10小時,仿真運(yùn)行畫面如圖15所示。仿真過程覆蓋系統(tǒng)內(nèi)的所有工作流程,并且各個流程均按照復(fù)合循環(huán)的工作模式進(jìn)行,以便能更加真實(shí)地模擬現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況。
(3)仿真結(jié)果輸出
①AGV系統(tǒng)
針對AGV系統(tǒng),在仿真開始前將系統(tǒng)分為全流程與局部流程兩種工況。局部流程工況是指僅模擬AGV小車在各站臺間的工作流程,而全流程工況則是將AGV小車的工作流程帶入包括堆垛機(jī)和輸送系統(tǒng)的整套系統(tǒng)內(nèi),模擬AGV小車與其他設(shè)備進(jìn)行復(fù)合作業(yè)流程。
AGV小車全局流程仿真工況如圖16所示,在3輛AGV小車同時運(yùn)行并與堆垛機(jī)配合完成復(fù)合作業(yè)時,AGV小車設(shè)備利用率為:[(1-0.245)*100%]=75.5%;單臺AGV小車搬運(yùn)能力平均為:[329/10/3/75.5%]=14.5PL/h。
AGV小車局部流程仿真工況如圖17所示,在3輛AGV小車同時運(yùn)行不考慮堆垛機(jī)系統(tǒng)效率時,AGV小車?yán)寐蕿椋篬(1-0.206)*100%]=79.4%;AGV小車搬運(yùn)能力平均為:[349/3/10/79.4%]=14.7PL/h。
②巷道堆垛機(jī)
巷道堆垛機(jī)全流程仿真結(jié)果如圖18所示,單臺堆垛機(jī)的設(shè)備利用率為:[(1-0.166)*100%]=83.4%;設(shè)備工作能力平均為:[550/1/10/83.4%]=65.9PL/h。
3.系統(tǒng)仿真報告與結(jié)論
由表1可知,仿真結(jié)果均大于系統(tǒng)所需能力,并且所有關(guān)鍵設(shè)備利用率在90%以下。在仿真過程中,所有AGV同時運(yùn)行時不會出現(xiàn)堵塞,同時系統(tǒng)運(yùn)行良好、無瓶頸,方案能夠滿足使用要求。
在本項目中,巷道堆垛機(jī)和AGV都具有各自創(chuàng)新性特點(diǎn)。
對于巷道堆垛機(jī)而言,為了減少線邊庫區(qū)域在生產(chǎn)車間的占地面積,在貨架一層內(nèi)部放置了AGV站臺以及連接鉗工間的輸送設(shè)備,而巷道堆垛機(jī)不僅需要將托盤送至貨架的貨位內(nèi),還需要送至AGV站臺及輸送設(shè)備上,因此巷道堆垛機(jī)的貨叉設(shè)計為兩個深位。
AGV是本項目中實(shí)現(xiàn)貨架與各生產(chǎn)線零部件周轉(zhuǎn)的核心設(shè)備。由于生產(chǎn)線車間內(nèi)面積有限,供AGV運(yùn)行的通道較狹窄,所以本次項目中選用雙舵輪驅(qū)動模式的潛伏頂升式AGV(如圖19所示)作為托盤搬運(yùn)的載具。舵輪式結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)AGV小車在狹窄通道內(nèi)完成前行、后退、轉(zhuǎn)向、自旋及橫移等功能。
此外,為了嚴(yán)格執(zhí)行軍工行業(yè)的保密要求,本項目的AGV采用具有WAPI保密協(xié)議的無線通訊和紅外光通訊兩種通訊方式。WAPI是無線局域網(wǎng)鑒別和保密的一種安全協(xié)議,也是目前軍方唯一認(rèn)可的無線通訊方式。
近年來,智能制造在各行業(yè)內(nèi)的發(fā)展深度和廣度逐步提升,并已初步建成以自動化生產(chǎn)線、智能控制系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人為代表的智能制造裝備工業(yè)體系。該體系在制造行業(yè)內(nèi)的需求日益旺盛,可以預(yù)見我國智能制造裝備體系在軍工制造行業(yè)的潛力巨大,仍具備廣闊的市場發(fā)展空間。
本項目于2022年12月底全面進(jìn)入試運(yùn)行階段,目前系統(tǒng)運(yùn)行良好,各工藝段銜接順暢,作業(yè)效率等均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。該項目的順利實(shí)施應(yīng)用,也標(biāo)志著航空軍工行業(yè)企業(yè)智能制造中心內(nèi)線邊庫的無人化、自動化存儲和搬運(yùn)等難題迎刃而解,可為各軍工制造行業(yè)智能制造的發(fā)展提供借鑒和參考依據(jù)。
本文作者:林原 虞有海 盧會超 李成友 王化麟 王健 閆寒 | 昆船智能技術(shù)股份有限公司
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