物流自动化技术在汽车总装车间的应用

李林 杨耀勇 王成明

（机械工业第九设计研究院有限公司，长春130011）

1 前言

目前，随着汽车行业智能制造的快速推进，特别是中国大力推进物联网、大数据、云计算、智能设备的大背景下，企业在智能制造过程之中使用自动化物流系统已经成为了公司提升综合实力的重要举措，对于生产管理过程智能化建设发挥着重要作用，如何有效加强自动化物流系统的应用效果已经成为了企业智能制造重点关注的问题之一[1]。物流自动化是充分利用各种机械和运输设备、计算机系统和综合作业协调等技术手段，通过对物流系统的整体规划及技术应用，使物流的相关作业和内容省力化、效率化、合理化，快速、精准、可靠地完成物流的过程。物流自动化是有机的将自动化思想和方法应用于物流过程中，使物流过程各环节合理结合以提高效率满足用户需求[2]。物流自动化如何体现在总装车间的物流实际生产中，本文以某总装车间物流配送系统为例，对物流自动化设备的应用进行研究。为打造先进的智能化总装车间，克服车间物流配送面积紧张、线侧面积不足、多车型混线生产的问题，项目团队将多种先进物流配送技术应用至本项目中，最终形成行业首个大批量生产车间物流无人化配送系统。该系统以LES（物流执行系统）系统作为大脑，RFID（射频识别）技术作为信息传递，AGV（自动导引车）系统作为执行单元，实现物料高效、精准、可靠投放。随着项目的成功运行，对于物流自动化设备推广应用更加有利，希望通过本文介绍可以给汽车总装车间物流配送快速发展提供参考。

2 某总装车间物流方案简述

某总装车间生产节拍2.16 min，生产车型为4款非平台化产品，产品涵盖轿车、SUV、纯电等多品种类型。总装车间工艺输送采用多种输送方式混合使用：内饰线输送方式前段采用滑板、中段采用AGV输送、后段采用滑板输送；底盘线采用EHB输送；二次内饰采用AGV输送；静检线采用塑料板输送；车门线采用AGV输送；底盘分装线采用AGV输送；仪表线采用AGV+摩擦线输送；前端线采用AGV输送。由于车间面积狭小，预留给物流的使用面积总共13500 m2，面积缺口达到10000 m2左右，因此在布置物流方案时综合考虑车间配送面积、线边物料摆放面积、车间间倒运便利性、生产均衡性等因素，考虑将一次内饰、车门、前端物料从物流车间通过通廊采用AGV 1拖2的方式运送至总装车间。为减少器具种类，降低配送指示系统难度，3条生产线物料上线方式均采用SPS（组件系统）配送；底盘分装发动机、变速箱等大物、铺装线物料布置在总装车间南侧区域，大物采用批量配送，铺装线物料采用SPS配送，发动机分装、动力总成分装、后悬分装线物料均存储在物流车间，采用SPS配送方式进行物料配送；底盘线大物如保险杠、排气管采用JIS（准时化）配送方式，批量配送至线侧，底盘线其他小物布置在H总装车间北侧物流区，采用SPS配货方式进行配送；二次内饰由于线侧厂房柱子密集，并且均为大物，最终考虑将物料区布置在总装车间北侧物流区，上线方式采用JIS配送方式，直送工位；车间所有物料从物流区至生产线侧均采用AGV输送方式进行配送，所有物料输送均由LES系统进行指示，满足车间先进、智能、自动化、信息化的要求。总装车间物流路线图如图1所示。

图1 总装车间物流路线

3 自动化技术简述

随着科技进步，越来越多先进技术应用在汽车总装车间，下边就目前广泛应用在汽车总装车间的物流自动化技术进行一些梳理。

3.1 货物自动验收设备

目前对于汽车工厂，总装车间内零部件种类众多，数量巨大，零部件供应商送货到厂后，采用人工验收需要耗费很多人工，验收效率低下，为解决此问题，现在行业内流行采用自动验收+抽检方式进行零部件入厂验收；自动验收主要有2种方式：基于RFID的自动验收门、基于二维码的自动验收门。

3.1.1 基于RFID的自动验收门

基于RFID的自动验收门是1种高性能的UHF电子标签通道，支持WHF、EPC格式电子标签的快速防冲突解析和读写处理，用于仓储管理，实现无人自动收发货业务。主要工作原理是采用超高频RFID读写器放置在物流门处，货物上粘贴RFID标签，RFID标签中写入零部件信息，验收门通过读写器读取RFID标签中内工业内容与LES系统信息比对，确认是否为需求零部件。自动验收门如图2所示。

图2 自动验收门

3.1.2 基于二维码的自动验收门

二维码自动验收其工作原理是采用视觉相机识别物料上的二维码，读取二维码信息，进行自动验收。

3.2 物流仓储技术

3.2.1 自动化立体仓库

自动化立体仓库是物流仓储中出现的新概念。利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化、存取自动化、操作简便化；自动化立体仓库是当前技术水平较高的形式。自动化立体仓库的主体由货架、巷道式堆垛起重机、入（出）库工作台和自动运进（出）及操作控制系统组成。货架是钢结构或钢筋混凝土结构的建筑物或结构体，货架内是标准尺寸的货位空间，巷道堆垛起重机穿行于货架之间的巷道中，完成存、取货的工作。管理上采用计算机及条形码技术。自动化立体仓库如图3所示。

图3 自动化立体仓库

3.2.2 高位存储货架

根据仓储设备行业的习惯定义，高度＞5 m的货架称为高位货架。它包括横梁托盘货架、贯通式货架、后推式货架、双深度式货架、窄通道货架、自动化立体仓库等。高位货架是仓库使用率最普遍的一种货架，货架本身有很好的拣取效率，可实现货物的快捷存取。一般需配合高位叉车共同使用。

3.3 AGV自动配送技术

自动导引车(Automated Guided Vehicle，AGV)通常也称为AGV小车，指装备有电磁或光学等自动导航装置，能够沿规定的导航路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。AGV小车如图4所示。下面对汽车总装车间内广泛应用的AGV进行介绍。

图4 AGV小车

3.3.1 叉车式AGV、牵引式AGV、背负式AGV

a.叉车式AVG：AGV叉车包含托盘叉车式AGV、宽脚堆高式叉车AGV、无脚堆高式叉车AGV，用于堆栈托盘类货物的物流周转，由液压升降系统、差速驱动系统、PLC控制系统、导引系统、通信系统、警示系统、操作系统和动力电源组成，是集液压升降和PLC控制的可编程无线调度的自动导引小车；

b.牵引式AGV：分为潜伏牵引式、后牵引式2种，是AGV牵引带轮器具对物料进行搬运，AGV仅提供牵引力，货物自重靠带轮料车承受；

c.背负式AGV：在AGV车体上放置托盘、料架、料箱等货物进行搬运，AGV承受物料重力。

3.3.2 磁导航AGV、视觉导航AGV、激光导航AGV

a.磁导航AGV：采用了在路面贴磁带，通过磁带感应信号实现导引。一般使用磁条或者磁线作为导航方式，定位一般采用磁钉、RFID卡、磁圈等进行交叉路口选择及定位；目前行业内此种方式导航精度可达到±10 mm，定位精度可达到±10 mm；优点是便于路线的快速变更，路线铺设方便，投资成本低；缺点是运行地面不能有可磁化金属，定位精度不高，地面贴磁条观感略差。地面铺设磁条如图5所示。

图5 地面铺设磁条

b.视觉导航AGV：一般使用色带、二维码等作为导航方式，定位一般采用二维码进行定位，目前总装车间内运用的主要有二维码导航AGV、色带导航AGV。

二维码导航AGV是车载相机扫描地面二维码信息，根据二维码信息以及方向定位和判定改位置的属性，诸如货架站点、取货站点、充电站点、高/低速路径等，控制系统根据任务以及其他车辆在系统中的位置进行路径安排和导航；导航方式是基于惯性导航+视觉识别的方式，其二维码主要起到路线修正、路线调整及定位作用，二维码一般铺设间距为1～1.5 m，定位精度一般为±10 mm；此种导航方式一般应用在环境清洁、对于定位精度要求不高的环境中。优点是地面铺设二维码少，地面较为整洁，硬件成本较低，安装时间短，二维码方便维护；缺点是路线更改较磁条麻烦，定位精度不高。

色带导航AGV是利用视觉导航是在AGV的行驶路径上涂刷与地面颜色反差大的油漆或粘贴颜色反差大的色带，在AGV上安装有摄图传感器将不断拍摄的图片与存储图片进行对比，偏移量信号输出给驱动控制系统，控制系统经过计算纠正AGV的行走方向，实现AGV的导航；导航采用色带进行导航、定位采用二维码进行定位，其定位精度可达到±5 mm；此种导航AGV基本与磁导航AGV应用环境一致，只是对于地面材质没有特殊要求。优点是便于路线的快速变更，路线铺设方便，定位精度高；缺点是地面贴色带或刷漆，观感略差，投资较磁条导航方式高。地面铺设色带如图6所示。

图6 地面铺设色带

c.激光导航AVG：其工作原理为激光导航是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的反射板，AGV通过发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束来确定其当前的位置和方向；其定位精度较其他几种导航方式差，主要应用在环境简单，遮挡物少的环境中，同时其激光头需无遮挡，相较于其他几种导航方式来说，不太适用于向总装车间线侧搬运物料。优点是地面无需其它定位设施，行驶路径可灵活改变，可在无光环境下运行；缺点是激光反射器成本较高，反射片与AGV激光传感器之间不能有障碍物，不适合空中有物流影响的场合，定位精度差。

3.4 SPS配送技术

成套零部件供应(Set Parts Supply，SPS)是向生产线单辆份配货的1种物料配送方式，就汽车装配流水线来讲，就是将汽车装配线某一条或部分装配线上一台车份所需的部分零部件按装配工艺要求安排到一台或多台小车或专用周转器具上，通过运输工具拉动到指定的工位，小车或专用器具随对应的车辆同步运行。SPS的原理是在车辆排序点采集车辆配置信息，通过生产管理系统发送至相应的物料配送区，利用排序相对于生产的提前期配出单车成组物料，采用自动化输送系统送至线边，最终实现整车的装配。SPS方式的最大特点就是不受车型、零件和工位的限制；其适合多车型混线生产，生产线缩短，工位器具品种明显降低；人机工程得到优化，减少物料的包装内衬并简化线旁工位器具设计；由于工艺、工位变化可明显减少工位器具的更改设计和制作成本；线旁成套物料可实现JIT[3]。

3.5 自动随行技术

自动随行技术一般与SPS配送方式配合使用，在采用SPS配送方式时，物料需要跟随待装车辆运转，因此针对不同工况下，随行方式也不同。下边就常用的随行技术进行总结介绍。

3.5.1 SPS箱随车身运转

此种方式是将SPS箱投递到车辆内部，SPS箱跟随车辆运转。主要用与小件的配送。

3.5.2 工艺输送设备作为动力源的随行方式

主要是将SPS器具搭载在工艺输送线体上，工艺线体运转时带动SPS器具运转。常用的有SPS器具整体放置在滑板上的方式、SPS器具2个轮子搭载在滑板线的方式、SPS器具采用挂钩挂在底盘器具上的方式。

3.5.3 单独设置动力源与线体随行方式

此种方式主要是在生产线边设置输送线，输送线与工艺线体同步运行，输送线为器具提供动力。常用的方式有摩擦线输送、推杆输送方式、链条输送方式等。

a.摩擦线输送：在器具两侧设置摩擦轮及导向条，摩擦轮挤压器具侧面，生产线随摩擦轮依靠电机旋转，靠摩擦力将器具按照生产线速度前行。优点是对器具要求不高，仅对宽度一致性有要求，与生产线同步性好，运行平稳；缺点是占据线侧空间较大，投资成本较高。

b.推杆输送方式：在器具一侧设置推杆机构，另一侧设置导向条，推杆推动器具前行，推杆一般采用链条输送。优点是对器具要求不高，仅对宽度一致性有要求，与生产线同步性较好，投资成本较低；缺点是噪音较摩擦线大，链条需要定时润滑，占据线侧空间较大，运行平稳性较差。推杆随行线如图7所示。

图7 推杆随行线

c.链条输送方式：在器具上设置连接杆，连接杆与链条上设置的固定件连接，链条随生产线运转带动器具运转。优点是占据线侧面积较小，与生产线同步性较好，投资成本较低；缺点是噪音较摩擦线大，链条需要定时润滑，运行平稳性较差，每个器具需要增加连接件。链条随行线如图8所示。

图8 链条随行线

d.AGV随行：采用AGV运送器具与生产线随行。优点是运行平稳，随行路线调整方便，线侧占据面积少，与生产线同步性好，可随生产线柔性生产（生产线可出现空位）；缺点是投资成本高，对器具一致性要求较高。AGV随行线如图9所示。

图9 AGV随行线

3.6 物流仿真技术

物流配送环节多，路线复杂，传统规划手段很难保证规划结果的准确性，因此仿真技术越来越多应用在项目中。

目前应用较多的物流仿真软件主要有Auto⁃Mod、ShowFlow、Siemens Plant Simulation等。

3.6.1 AutoMod软件

主要包括3大模：AutoMod模块提供给用户一系列的物流系统模块来仿真现实世界中的物流自动化系统，主要包括输送机模块（辊道、链式）、自动化存取系统（立体仓库、堆垛机）、基于路径的移动设备（AGV等）、起重机模块等。AutoStat模块为仿真项目提供增强的统计分析工具，由用户定义测量和的标准，自动在AutoMod的模型上执行统计分析。AutoView模块可以允许用户通过AutoMod模型定义场景和摄像机的移动，产生高质量的AVI格式的动画。用户可以缩放或者平移试图或使摄像机跟踪一个物体的移动，如叉车或与托盘的运动。AutoView可以提供动态的场景描述和灵活的显示方式。

3.6.2 ShowFlow

可为制造业和物流业提供建模、仿真、动画和统计分析工具，包含建模、仿真、统计、分析、动画和文档输出等模块，可以提供生产系统的生产量，确定瓶颈位置，提前估测分析资源利用率，还可校验制造系统设计的合理性，通过对不同的制造策略进行仿真试验来找出最优解。

3.6.3 Siemens Plant Simulation

为一款工厂、生产线及物流仿真软件，能够对车间布局、生产物流设计、产能等生产系统的其他方面进行定量的验证并根据仿真结果找出优化的方向。从而能够在方案实施前对方案实施后的效果进行验证。常用的应用模块包括布局规划及仿真、生产线产能仿真及优化、车间物流仿真、装配线平衡。

4 自动化技术在某总装车间应用方案

4.1 AGV自动配送

某总装AGV配送路线共计40条，总装车间内直送工位应用物流AGV有227台，下边就AGV的选型、配置、调度等进行介绍。

4.1.1 AGV选型

整个车间受制于车间面积狭小、厂房柱密集的影响，38条配送路线要求AGV可带器具横移，2条配送路线要求AGV后牵引；针对此种需求，结合维修便利性，车间内主要应用双舵轮潜伏牵引式AGV和后牵引式AGV。对于导航方式，考虑到预算成本低、技术成熟度高、定位精度不高，采用磁条导航方式。AGV配置表如表1所示。

表1 AGV配置表

4.1.2 调度系统

车间内AGV众多，线路交叉严重，产品分属多家公司，为保证AGV运行的高效性，避免运行碰撞、死锁等情况，设置综合调度系统。

综合调度系统实现多品牌AGV兼容，统一调度所有物流AGV，提供统一的人机交互界面；通过设定不同路线AGV运行的优先级及AGV请求的先后顺序解决碰撞、死锁问题；具备随机调度AGV进行优先任务的处理功能；与现有MOM、LES系统直连，实现搬运物料的实时追踪；提供AGV状态收集及物理定位，实时将AGV状态信息反馈到生产管理系统中。调度系统画面如图10所示。

图10 调度系统画面

4.2 RFID技术应用

总装车间大多数物料的发车道重叠，并且发车道无人化运转，AGV若要将物料送至制定工位，需要自动将物料信息传递给AGV调度系统进行路线的选择。为满足以上需求，所有AGV搬运器具上设置RFID卡，在每道物料口设置读卡器，将读取到的信息发送给调度系统，调度系统将物料配送路线通过无线路由发送给AGV小车，AGV搬运物料小车到达指定位置。部分路线RFID定义表如表2所示。

表2 部分路线RFID定义表

4.3 SPS配送

受制于总装车间面积狭小，为降低车间间物料转运难度及料车种类、降低总装车间物流卸货区面积，考虑一次内饰、底盘线、车门分装线、仪表分装线、前端分装线、发动机分装线、动力总成分装线、后悬分装线、铺装线等均采用SPS配货方式。

4.4 自动随行技术

对于内饰线工艺前、后段采用滑板输送方式，中段采用AGV输送方式。滑板线柔性差，线侧面积较为宽松，为降低成本，考虑采用摩擦线配随行，AGV柔性好，为匹配工艺柔性，物流中段也采用AGV随行方式；底盘线工艺采用EHB输送方式，其柔性差，线侧面积紧张，为降低成本，考虑采用推杆随行方式；车门工艺采用AGV输送，为匹配工艺柔性，物流也采用AGV随行方式；动力总成、前悬分装、后悬分装工艺采用AGV输送，考虑线边面积紧张，物流SPS料车挂在工艺AGV后进行随行。

4.5 物流仿真技术

本项目中应用AGV线路多、AGV数量大，传统规划手段很难定量分析瓶颈点及各条路线的合理AGV数量，通过Siemens Plant Simulation软件的仿真，共优化AGV数量11台，解决路线瓶颈点4处，优化输送线路12条，使方案在可行的前提下实现最优化。瓶颈点分析如图11所示。

图11 瓶颈点分析

5 结论

某总装车间物流通过自动化技术的应用，使得在约13000 m2车间物流面积下满足10万辆大批量生产，减少约70个物流工人，上线零部件合格率有了较大提升。本文通过介绍汽车总装车间常用的物流自动化技术，并通过实例介绍如何选用最为合理的自动化技术，给同行业及相关物流行业规划提供参考。