智能倉儲在傳動制造業(yè)中的應用

周世軍 宋 瑋 閆文猛

河南省特種設備安全檢測研究院 北京起重運輸機械設計研究院有限公司

1 傳動制造業(yè)的需求及特點

1.1 傳動企業(yè)的需求

現(xiàn)如今，傳動企業(yè)的生產(chǎn)模式已經(jīng)由傳統(tǒng)的連續(xù)型生產(chǎn)企業(yè)向離散型生產(chǎn)做轉(zhuǎn)變，越來越多的客戶提出了定制化需求，面對大批量、時間緊、多樣化的生產(chǎn)需求，越來越多的企業(yè)向離散型制造轉(zhuǎn)型。離散型制造業(yè)擺脫傳統(tǒng)單一產(chǎn)線的束縛，可以細分生產(chǎn)工藝，按照模塊化生產(chǎn)，可承接多批次小批量的訂單，總體生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)效率得到提高。

1.2 傳動企業(yè)的特點

傳動企業(yè)生產(chǎn)加工各個環(huán)節(jié)需要按照生產(chǎn)工藝緊密連接，且大部分已具備標準化、模塊化，具有原材料種類多、多SKU的外購標準件、零部件尺寸及質(zhì)量各異、生產(chǎn)半成品可由工藝不同組合成不同的產(chǎn)品、中間環(huán)節(jié)管理困難等特點。面對多樣性、更高效的訂單，原材料的收/發(fā)/存同樣面臨多樣性、響應及時性等問題，如何高效地周轉(zhuǎn)，按照用戶訂單統(tǒng)一管理，同樣成為電機減速器制造行業(yè)的核心問題。從銷售訂單、原材料、半成品、成品的信息流、物料流、人力資源配備、財務信息等面臨挑戰(zhàn)。

2 整廠物流規(guī)劃

2.1 存儲單元設計

如圖1所示，存儲單元具體參數(shù)：托盤單元尺寸為1 200 mm×1 000 mm×160 m，料箱單元尺寸為600 mm×400 mm×220 mm，貨物尺寸為1 200 mm×1 100 mm×1 000 mm/600mm（含托盤高度），存儲單元每個托盤質(zhì)量為1 200 kg。

圖1 托盤單元外形尺寸示意圖

2.2 各個庫區(qū)能力規(guī)劃

從用戶實際需求出發(fā)，根據(jù)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，設有物流天橋庫、半成品庫、料箱庫，對各個庫區(qū)進行合理規(guī)劃，以便順利完成生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)。各個功能分區(qū)基本參數(shù)需求規(guī)劃如表1所示。

表1 各功能分區(qū)基本參數(shù)需要

2.3 物流工藝流程規(guī)劃

1）入庫流程規(guī)劃

如圖2所示，入庫流程包括人工作業(yè)、ERP系統(tǒng)掃描生成數(shù)據(jù)條碼、WMS系統(tǒng)掃描獲取條碼數(shù)據(jù)生成入庫單、WCS系統(tǒng)掃描取得對應數(shù)據(jù)并發(fā)出物流指令。

圖2 入庫流程圖

2）出庫流程規(guī)劃

如圖3所示，出庫流程同樣包括人工作業(yè)、ERP系統(tǒng)掃描發(fā)出叫料等指令、WMS系統(tǒng)掃描獲取叫料信息并生成出庫單、WCS系統(tǒng)掃描取得對應數(shù)據(jù)并向堆垛機發(fā)出輸送指令，完成出庫流程。

圖3 出庫流程圖

通過上述規(guī)劃設計，實現(xiàn)全流程信息化、智能化，結合三維模型技術實現(xiàn)設備的部件可視化、設備拆裝可視化、設備維護文件可視化管理等。在設備三維可視化模型上對立設備故障信息實現(xiàn)可視化展示，可通過故障碼的查詢和檢索獲取維修維保步驟和處置方式，同時兼具視覺真實、信息真實、數(shù)據(jù)真實等要素。

3 核心設備選型

智能倉儲囊括眾多自動化物流裝備與信息系統(tǒng)，其中有軌巷道堆垛機、環(huán)形車系統(tǒng)、AGV搬運系統(tǒng)、智能倉儲集成管理控制系統(tǒng)（WMS）、核心設備仿真驗證等核心裝備發(fā)揮著重要的作用。

3.1 有軌巷道堆垛機

有軌巷道堆垛機通過在巷道內(nèi)進行水平往復直線、垂直升降、貨叉左右伸縮叉取等一系列協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)存儲單元貨物從巷道端口輸送機到指定貨位的入庫作業(yè)，或從指定貨位到巷道端口輸送機的出庫作業(yè)，從而與巷道端口入出庫輸送機系統(tǒng)一起實現(xiàn)貨物的自動入出庫。巷道堆垛機是用于高架庫中負荷單元的存取搬運設備，本項目共規(guī)劃有11個單深巷道堆垛機和2臺Minload料箱式堆垛機。

如圖4所示，堆垛機由上橫梁、立柱、下橫梁、載貨臺、提升機構、運行機構等組成。其技術參數(shù)有：運行速度為160 m/min，閉環(huán)變頻調(diào)速；起升速度為40.0 m/min，閉環(huán)變頻調(diào)速；單伸縮叉速度（帶載）為20.0 m/min，變頻調(diào)速；單伸縮叉速度（空載）為40.0 m/min，變頻調(diào)速；運行加速度為0.4 m/s2；起升加速度為0.4 m/s2；單伸縮叉加速度（帶載）為0.4 m/s2；單伸縮叉加速度（空載）為0.8 m/s2。

圖4 堆垛機示意圖

3.2 環(huán)形車系統(tǒng)

環(huán)形車靈活性很強，根據(jù)能力前期可設置少量小車，后期系統(tǒng)能力拓展可通過增加小車數(shù)量解決。其車體與RGV車體類似，通過對客戶需求的了解，可由其控制系統(tǒng)（見圖5）進行合理調(diào)度，實現(xiàn)高效、可靠地貨物搬運。

圖5 環(huán)形車控制系統(tǒng)圖

3.3 AGV系統(tǒng)

AGV作為智能制造領域里最靈活的自動化搬運裝備，在實現(xiàn)自動化無人化的同時，可以大大增加系統(tǒng)的柔性，是智能制造領域里應用最多的物流裝備。AGV一般由車體、導引系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)等組成。按其搬運形式可分為潛入式、接駁式和叉取式；按照導引方式可分為激光導引、磁導引、二維碼導引、SLAM等形式。

3.4 智能倉儲集成管理控制系統(tǒng)WMS

智能倉儲集成管理控制系統(tǒng)（Warehouse Management System，WMS）是整座自動化立體倉庫的核心軟件。將智能工廠比作人，物流裝備是骨架和手腳，WMS系統(tǒng)就是人的大腦，負責指揮調(diào)度所有設備的協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)智能制造的集約化管理。

3.5 核心設備仿真驗證

結合方案規(guī)劃，通過采用FlexSim仿真軟件針對核心設備在單機及系統(tǒng)上進行效率仿真測算。

1）堆垛機效率仿真

圖6所示為堆垛機效率仿真結果。從圖6中可知，單臺堆垛機效率平均可達48托盤/h，在本方案中實際應用堆垛機的繁忙程度平均在55%，具有一定的冗余。

圖6 堆垛機仿真圖

2）環(huán)形車效率仿真

圖7所示為環(huán)形車仿真結果圖，由圖中仿真結果可知，配置6臺環(huán)形車時即可滿足客戶需求的110托盤/h的流量要求。

圖7 環(huán)形車隨數(shù)量增加的效率仿真圖

3）AGV效率仿真

圖8所示為AGV效率仿真結果圖，由圖中仿真結果可知，在5臺AGV的情況下可滿足客戶所需110托盤/h的流量要求。結合AGV充電所影響的效率損失，在此基礎上應額外增加20%的冗余，配置7臺可滿足實際使用。

圖8 AGV效率仿真

4 智能倉儲賦能電機減速機行業(yè)發(fā)展

電動機減速器企業(yè)所需的原材料物料有軸料、棒料、鍛件、鑄件等，由WMS系統(tǒng)進行管理，可通過自動化立體倉庫、智能行車、AGV等手段實現(xiàn)物料的信息管理，按需供應。

針對生產(chǎn)的半成品及零部件，通過箱式輸送線（軸、軸承等）、托盤輸送線（齒輪、箱體、端蓋等）、AGV（定子、轉(zhuǎn)子等）、線邊物料超市（螺栓螺母等標準件）、垂直回轉(zhuǎn)貨柜（工具、零部件等）等自動化設備，根據(jù)MES系統(tǒng)的拉動，由WMS系統(tǒng)下發(fā)指令實現(xiàn)物料按照訂單需求的精準供應。

針對裝配好的成品，按照發(fā)貨頻次由輸送線、AGV等自動搬運至立體庫暫存，進行統(tǒng)一入庫存儲，其質(zhì)量狀態(tài)為待檢品。由WMS系統(tǒng)向QA部門下發(fā)抽檢任務，成品抽檢合格后該批次統(tǒng)一調(diào)整為合格待發(fā)品。

不同的訂單會有多樣性的包裝要求，在發(fā)貨前由智能倉儲系統(tǒng)下發(fā)出庫任務，根據(jù)訂單信息配送至制定的包裝工位，由人工包裝完發(fā)運。實現(xiàn)電動機減速器生產(chǎn)全流程可追溯，每個信息節(jié)點可進行復核確認，確保產(chǎn)品按時、按需、保質(zhì)保量的交付給客戶。

借助智能倉儲的數(shù)字孿生技術，可以實現(xiàn)生產(chǎn)前模擬和生產(chǎn)后管理。在打造電動機減速器智能工廠前可借由數(shù)字孿生中的虛擬調(diào)式技術，對生產(chǎn)工藝、物流供應鏈等進行模擬，對生產(chǎn)訂單進行虛擬排程，從而反饋給銷售端，為客戶準確地提供工期。生產(chǎn)后通過數(shù)字孿生的可視化管理和大數(shù)據(jù)分析，能夠反饋產(chǎn)線能力、儲備能力，可對物料、設備進行數(shù)據(jù)分析，從而反饋給采購端精準的信息，指導其進行原材料的采購等。

該項目建設完成后可節(jié)省人工13%，提高產(chǎn)能25%。實現(xiàn)全價值鏈精益生產(chǎn)包括產(chǎn)品策劃、設計驗證、加工檢測、裝配試驗、倉儲物流、信息系統(tǒng)、銷售服務、人力資源、 經(jīng)營計劃、戰(zhàn)略規(guī)劃等全價值鏈最優(yōu)方案。集物流、信息流、人流、資金流、價值流等五流合一，可實現(xiàn)智能工廠以訂單為源頭的信息系統(tǒng)、以產(chǎn)品為中心的精益生產(chǎn)、以裝配為平臺的精準交貨。從智能倉儲出發(fā)，涵蓋整廠工藝流程，多個庫區(qū)集成管理，多托盤多尺寸精益化管理，物料信息實時跟蹤的信息化管理，實現(xiàn)倉儲信息系統(tǒng)與企業(yè)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)對接，以及可視化管理。