一体化车身自动化立体库的应用和设计原则

王静雯 /文

一体化车身自动化立体库的应用和设计原则

王静雯 /文

在汽车制造企业中，为提高整体产能，会在焊装、涂装和总装之间设置一个车身自动化立体库，用来存储上游车间的“半成品”，并由自动化输送线与三个生产车间刚性连接，实现立体库与车间的整体化。文中将车身立体库和车间之间的输送线连廊统称为“一体化车身自动化立体库”，并分别阐明了一体化立体库实现缓冲功能和再排序功能的设计原则，简要介绍了一体化立体库的实操工艺流程和设备，并预测了一体化立体库在生产管理中的应用。

一体化立体库、 缓冲库存量、库容量、再排序库存

一、关于一体化车身自动化立体库

在汽车制造企业，有三个主要生产车间：焊装车间、涂装车间和总装车间。在有条件的工厂，为了提高全厂的整体产能，在三大生产车间之间可以设置一个车身自动化立体库，用来存储上游车间的“半成品”，并与三个生产车间由自动化输送线刚性连接在一起，实现立体库与车间的整体化。本文将车身立体库和车间之间的输送线连廊统称为一体化车身自动化立体库（简称“一体化立体库”），如图1。

1.应用一体化立体库理念的车身生产流程

应用了一体化立体库理念，车身的生产流程，如图2。

车身在焊装车间焊接完成后，未喷涂的白车身（简称“白车身”）可以先通过输送线连廊进入库区暂时存储。为满足批量涂装的带来的经济性，白车身可以按颜色等重新编排出库，然后通过输送线连廊进入到涂装车间完成喷涂；同样，车身在涂装车间喷涂之后，喷涂后的车身（简称“漆后车身”）也可以通过与涂装车间之间的连廊返回库区暂时存储；最后，漆后车身按照总装车间的订单顺序再次排序出库，进入总装车间组装。

2.一体化立体库的功能

如果把一体化立体库比作一个蓄水池，上下游的生产车间比作入水管和出水管，则可以形象地看出一体化立体库主要承担两个功能：

（1）缓冲存储量，满足上下游生产车间的生产节奏差异。

（2）进出的再排序，可满足下游车间的需求变化。

库容量的大小，既要满足上下游生产车间不同生产节奏的差异，也要满足订单临时变化，使库容量具备缓冲变换功能，保证生产正常进行；但是又不能过大，要避免前期投资的浪费。因此，估算合理的一体化立体库的库容量，一直是设计中的一大难题。

二、一体化立体库缓冲库存量的设计原则

在生产物流中，造成在制品暂时存储的成因主要有两点：一是上游生产车间与下游生产车间的作息时间不同；二是上游、下游生产车间的输入产出速度不同。在设计方案中，也要考量这两种原因分别计算相应的缓冲库存量。

1.上游生产车间与下游生产车间的作息时间不同

图1 ：一体化立体库

假设某汽车制造厂，生产依次经过焊装车间、涂装车间、总装车间，车间与立体库用输送线一体化连接。如图3，焊装车间和总装车间执行生产时间是白班9点至17点，和夜班21点到次日早5点。涂装车间执行的是早班6点至14点，和中班14点至22点。

图2 ：车身在生产车间和一体化立体库之间的流程

图3 ：不同生产车间的作息时间表

图4 ：白车身和漆后车身缓冲库存量变化趋势

图5 ：上下游车间不同吞吐量

在这样不同的作息时间下，当下游生产车间停线时，上游生产车间完成的产品就需要暂时进入一体化立体库存储。例如，焊装车间晚22点到次日早5点的产品就需要先进入一体化立体库暂时存储，等待涂装车间开线后才能消耗掉库存。假设工厂的产能为每小时生产40个车身，如图4，在早晨5点时，白车身的缓冲库存量达到7×40=280。同样，涂装车间晚17点到21点的产品也需要进入一体化立体库存储，等待下一步工艺消耗。从17点到21点的这段时间内，漆后车身的缓冲库存量应增加4×40=160，库存量从120增加到280个，多占用了280-120=160个库位。

2.上游、下游生产车间的产出速度不同

假设还是上文提到的某汽车制造厂，生产工艺流程同上。如图5，如果上游生产车间每小时生产8个产品，而下游生产车间每小时只能完成5个产品，这样，平均每小时会有共计3个产品在途滞留，在上游车间工作期间，每小时需要至少3个暂时存储位。

如上游车间每天有2个班次生产，每个班次工作7小时（9am/pm～4am/ pm），下游车间每天有3个班次生产，每个班次8小时，共计工作24小时。则上游车间每个班次，都会导致累计增加7×(8-5)=21个缓冲库存。如图6，库存水平从早9点的0个，到下午4点时库存蹿升至21个，共计增加了21个库位。

三、一体化立体库再排序库存量的设计原则

为平衡JIS供应商生产灵活性和总装车间订单顺序变化之间的矛盾，库区里可以维持一定量的库存水平，以便适时提供符合订单要求的车身。这个库存水平就是再排序库存。与缓冲库存量一样，如果再排序库存过高，会造成设备投资和日常运营成本的浪费。不同的是，当再排序库存过低时，会在总装订单顺序与原始顺序矛盾时，出现明明有库存却因为订单匹配失败而无车可出的局面。目前较常见的再排序库存量的设计原则是：通过创建数据模型和车身流程仿真，从而估算出合理的再排序库存。

1.工具

可以用模拟软件Plant Simulation（Siemens公司出品）创建随机订单，模拟出不同再排序库存下订单匹配的试验成功概率。

2.外部参数

创建数据模型，还需要输入以下外部参数：

（1）喷涂颜色共有多少种、白车身车型有多少种（如有无天窗、长短轴距等）、及每种颜色和车型的分布概率；

（2）涂装车间的颜色批次、订单平均提前完成的时间。比如，可以假设某工厂总装车间计划上线的车身，平均4小时就已经在涂装车间喷涂完成。

（3）工厂的产能，即每小时生产多少辆车。

（4）每天的生产班次，每个生产班次具体的工作时间、就餐时间和休息时间。

（5）立体库与焊装车间之间、与涂装车间之间及与总装车间之间的输送线长度各为多少个库位。

3.车身准时制（JIS, Just in Sequence）生产流程

仿真试验模拟的是车身JIS生产流程：首先，车身在涂装车间完成喷涂，系统记录下完成时间和完成的车身颜色、车型品种；然后，模拟车身通过涂装车间到库区的输送线连廊入库存储，记录下车身入库时间；最后，车身在总装车间按计划时间生产，系统在库区里检索符合订单要求的车身——匹配到，记录为试验成功，检索不到，则记录为试验失败。扩充或缩减库容量，再开始新的一轮试验。

通过这种仿真估算法，可以估算出较为精确的用于再排序功能的库容量。再排序库存是一个新兴课题，其计算方法较为复杂，此处不赘述。

四、一体化立体库操作流程

如图7，车身自动化立体库可以通过输送线与焊装车间、涂装车间和总装车间相连接。其中，车身立体库可以分为预处理区、操作层和高架区。预处理区主要用于暂时存放滑撬和兼容连廊的功能。操作层一般至少分为两层，即入库层和出库层，白车身的出（入）库和漆后车身的出（入）库操作层也可以分离开，即共有四层。图7所示的车身立体库即分为四层。而高架区则是指存放车身的高位货架，也称库区。系统按照控制范围可以分为两个级别：由公司级网络控制立体库与车间之间的调度，而立体库则由单独的控制模块来操控选取入库存储和检索出库，并将出入库时间记录和库位信息传输给公司级网络。

相比单独的车身立体库，一体化立体库的操作流程也略有不同，可以分解为：

1. 白车身由焊装车间输送到立体库：车身在焊装车间焊接完成，通过焊装车间与立体库之间的连廊，由输送线运送到立体库的操作层，公司级网络记录下车身出焊装车间的时间。

图6 ：上下游车间吞吐量不同导致的库存量变化

图7 ：一体化立体库实操流程

2.白车身入库：在操作层，由堆垛机叉取白车身，存储在高架区任意空位，完成白车身入库，立体库控制模块反馈库位信息给公司级网络。

3.白车身出库：按照涂装车间的颜色批次，立体库控制模块在高架区自动检索暂时存储的白车身，由堆垛机叉取，从高架区取出白车身放置在相应操作层的出口点。

4.白车身由立体库输送到涂装车间：分拣出的白车身通过涂装车间与立体库之间的连廊，由输送线运送到涂装车间，公司级网络记录下车身进入涂装车间的时间。

5.漆后车身由涂装车间输送到立体库：在涂装车间完成喷涂后，漆后车身再次进入涂装车间与立体库之间的连廊，输送回立体库的漆后车身入库层，公司级网络记录下车身喷涂完成的时间。

6.漆后车身入库：和白车身入库的步骤一样，由堆垛机叉取漆后车身，存储在高架区任意空位，完成漆后车身入库。立体库控制模块再次反馈库位信息给公司级网络。

7.漆后车身出库：公司级网络按照总装车间的订单要求发送指令，立体库控制模块依照指令再次在高架区自动检索漆后车身，由堆垛机叉取，从高架区取出漆后车身放置在相应的操作层。

8.漆后车身由立体库输送到总装车间：分拣出的漆后车身再通过总装车间与立体库之间的连廊，由输送线运送到总装车间。从立体库出库后，公司级网络获取最终的订单顺序，从立体库到总装车间第一工位之间不再有分叉路口。即按照先进先出原则，从立体库出库的顺序与到总装上线的顺序严格一致。

为节省连廊建筑费用，在工厂整体规划布局时，可以考虑总装车间和焊装车间就近，合并焊装车间和立体库、总装车间和立体库之间的连廊，设计为一个单向双层，或是双向单层的连廊。由于立体库的操作层中有两个操作层与涂装车间相关，所以车身自动化立体库应尽量靠近涂装车间，以缩短涂装车间与立体库之间的连廊，或者直接把立体库贴建于涂装车间，把两者之间的连廊兼并到立体库的预处理区，从而节约成本。

五、一体化立体库的应用优势

对比独立的立体库，一体化立体库优势表现为：

一方面，提高整个工厂的生产节拍。如果立体库不是与其他车间刚性连接，则在设计立体库出入库时，就需要规划手动操作流程。当车身等货物出库后，衔接叉车或拖车等手动操作流程，而不是通过刚性输送线。配合立体库的堆垛机，输送线完成一次出库+入库工作循环只需90秒，也就是说每小时可以配送车身80个左右。而这个过程如果是工人操作，则需要完成“立体库出库→在操作道口转挂托架→拖车在道口装载→拖车厂内转运→下一辆拖车在道口准备”这一循环，整个操作循环最优化也至少需要6分钟，每个小时最快只能配送10个车身。可见，人工操作流程严重制约工厂的生产规模。一体化立体库的应用，减少了人工操作环节，可以大幅提高产能。

另一方面，规模经济，节约成本。假设工厂每天工作两个班次，每个班次工作8小时，全年260个工作日，则共计工时为2×8×260=4160小时。按照一体化立体库存储白车身和漆后车身两种车身计，则一个一体化立体库可满足的产能为80/2=40辆/小时，年产4160×40=166400辆。而同样的工时，人工完成车间之间的转运，年产只有4160×10=41600辆。假设每辆车售价20万元，则一体化立体库每年可以多创造产值(166400- 41600)×20=2496000万元=249.6亿元。相比较而言，一体化立体库1～2亿元左右的造价在较短周期即可收回成本。

但是，由于一体化立体库造价较高，在管理层决策时，就需要综合考虑多种因素：产品的销售价格、产能的需求、各种暂时性需求所带来的经济效益能否弥补成本、各种暂时性需求的优先级别、技术改造的难度和工期等。

作者单位为北京奔驰汽车有限公司