立體庫在航天數字化裝配中的應用

摘要：為了應對航空航天型號產品智能生產線建設過程中對物料存儲多樣性、出入庫及時性與準確性的高要求，某航天部段數字化裝配生產線配備項目建設了一套自動化立體庫。本自動化立體庫采用了條碼識別和自動分類技術，確保了物料的多樣性存儲需求，出庫流程則通過智能調度和精準揀選機制，大幅提升了出入庫的及時性與準確性。該立體庫有效解決了傳統人工倉儲模式搬運效率低下、存儲自動化程度不足、信息傳遞不暢，無法適應航天數字化裝配的問題。

關鍵詞：自動化立體庫；航天；智能倉儲；WMS；WCS

一、引言

隨著商業航天的蓬勃發展和數字化裝配技術的升級，建立自動化立體庫已成為航天制造轉型的剛性需求。傳統倉儲模式主要依靠人工揀選，導致錯誤率高、響應滯后，且主要采用平面堆放方式，垂直空間利用率低。自動化立體庫充分利用倉庫垂直空間，貨物存儲實現自動化，大幅提升了存儲效率。通過二維碼使信息可追溯，符合航天的精準管理需求。倉儲管理系統（WMS）與產線管控系統無縫對接，實現物料需求與生產節拍動態匹配，避免產線停工，為批量化生產提供了堅實的物料保障基礎。

為此，本文以某航天部段數字化裝配生產線項目為例，系統性地探討自動化立體庫的具體實施方案與應用效果。研究內容主要包括自動化概況分析、自動化立體庫的總體設計流程、主要設備選型方案、計算機控制系統的集成優化以及實際應用成效評估。通過深入剖析物料入庫方式、出庫流程優化、WMS與控制系統的協同機制，為航天制造領域提供一套可推廣的智能倉儲解決方案，助力提升裝配效率與精準度。

二、自動化立體庫概況

傳統模式下裝配生產所需的物料在廠房內大都就地裝箱存放，人工搬運費事費力，同時由于儀器零部件種類較多，裝配時需要專門進行查找，降低裝配效率。為滿足航天數字化裝配生產線自動化、數字化、智能化的需求，擬建設一套智能倉儲系統。

智能倉儲系統主要是為了實現不同類型的部段殼體、儀器零件、標準件、成品部段的入庫、出庫、倉儲及其過程的數字化管理。本文擬針對Φ750mm、Φ1200mm等不同規格產品的數字化倉儲管理，滿足產品包絡尺寸、重量等要求，研究如何實現不同規格物料的身份識別與管理、物料信息管理與入庫、地址分配與存儲、自動化出庫、虛擬齊套、與上層業務系統的數據互通等。擬研制1個立體庫，實現Φ750mm和Φ1200mm產品（殼體、儀器零件、標準件）的入庫、存儲與出庫；研制1套智能倉儲管理系統，實現物料的數字化管理。

三、自動化立體庫總體設計

立體庫用于儀器、標準件和殼段的入庫、存儲以及出庫管理，設置了入庫區域、出庫齊套區域及立體庫存儲區域。入庫區域負責分配二維碼，并掃碼入庫。立體庫存儲區域負責貨物的存儲。出庫齊套區域負責按系統指令進行出庫并進行物料齊套，配置托盤暫存和交接工位。

該自動化立體庫用于實現實現儀器零件、殼體的入庫、倉儲和出庫管理，成“一字型”、左進右出的布局模式。立體庫（如圖1）長66米、寬9.05米、高8.4米，庫內有2個巷道，由1臺單深位堆垛機，1臺雙深位堆垛機，4臺輸送機，2套外形檢測裝置貨架、托盤、堆垛機、倉庫管理系統、控制系統等組成。物流系統設備通過現場總線控制方式進行聯網，堆垛機采用紅外通訊方式。

圖1 自動化立體庫

1.物料入庫方式

物料來料分四個部分：產品殼體、儀器線纜、標準件。入庫方式分別采用：產品殼體單件入庫（一個殼體產品對應一個獨立托盤）；儀器線纜按需入庫（大型線纜可單獨入庫，小型零件按照組合批次入庫），分配相應的托盤；標準件按批入庫(可一個小盒或者一個標準件袋裝一批，放在物料盒中，幾個盒子放在一個托盤中)。

2.入庫流程

入庫流程如圖2所示。貨物經由卡車或平板拖車運抵廠房入口處，由廠區叉車將帶包裝箱的殼體自運輸車輛卸下，并定位至指定卸貨區域。隨后在來料質檢區執行開箱質量檢驗，合格品經叉車轉運至入庫暫存區，不合格品則移送至不合格品隔離區。采用懸臂吊裝設備將分段殼體自包裝箱中吊離后，放置于標準化托盤上。

圖2 入庫流程圖

自動導引車（AGV）將承載物料的托盤精準輸送至立體倉庫前端輸送機入料口。物料在出入庫緩沖暫存區完成理貨作業：操作人員將物料規范碼放至托盤，讀取物料條形碼信息（或手動輸入物料數據）并關聯托盤編碼，實現物料信息與托盤載具的系統化綁定。

入庫口配置外形檢測裝置及條碼讀碼器，上線后自動外形檢測及自動讀碼。外形檢測、讀碼通過的托盤往下輸送，檢測不合格或條碼未讀出的物品由輸送機退回并報警提示，人工處理、再上線，直至通過。通過后， WMS根據庫內實際情況自動分配貨位（或人工指定貨位）。堆垛機接受到入庫指令后，自動叉取托盤并搬運至指定的貨位存儲[1]。WMS庫存數據自動更新，入庫完畢。

3.出庫流程

出庫流程如圖3所示。

圖3 出庫流程圖

（1）殼體出庫

基于工位需求，產線數字化管控系統下達裝配任務指令， WMS執行響應。自動化出庫設備隨即執行對應殼體出庫操作：堆垛機將帶托盤殼體運送至出庫傳送裝置指定位置待命；工作人員完成出庫信息確認操作后，物流調度管理系統同步向AGV下達指令，AGV執行帶托盤殼體產品向指定工位的轉運任務。

（2）儀器線纜出庫

出庫模式主要分為兩類：其一為基于裝配工位的齊套出庫，其二為基于工序需求的逐項出庫。在齊套出庫模式下， WMS接收來自產線數字化管控系統的任務指令，依據工位物料齊套要求執行出庫操作（托盤抵達出庫傳送裝置指定位置時，需按系統指引進行揀選，托盤內剩余物料將自動返回對應庫位），最終由AGV配送至指定工位。

（3）標準件出庫

按照齊套出庫，其出庫方式為：WMS接收產線數字化管控系統任務指令，按照工位齊套進行出庫（托盤到出庫傳送裝置停放處需要按照系統提示進行揀選，托盤內剩余的標準件自動返回到對應庫位），AGV配送到指定工位。

四、立體庫主要設備方案

1.立體貨架

立體貨架采用獨立的鋼結構系統，貨架嚴格按照設計標準進行設計制造。貨架主要由以下幾部分組成（如圖4）：立柱、橫梁、水平撐、端部網架、背剪平撐、背斜拉桿、吊梁、端部吊梁、雙排單面連接件、雙排雙面連接件、安全圍網、天軌等。

圖4 貨架結構圖

2.輸送系統

自動化立體庫輸送系統由鏈式輸送機（如圖5）、操作終端、稱重裝置、外形檢測裝置及自動讀碼器組成。輸送機兩端應設置止擋裝置，兩側應布置導向架保證托盤貨物輸送過程中的穩定性。入庫區應設置固定的外形檢測裝置、稱重裝置，防止異型和超重貨物入庫。

圖5 輸送設備示意圖

3.堆垛機

堆垛機用于存儲單元出入貨架的搬運作業，具有速度快、效率高、安全可靠等優點[2]。堆垛機接收到作業指令后，可在巷道內進行水平行走、垂直升降、貨叉左右伸縮和微升降等動作，完成指定貨位的貨物單元的存取作業，并與分設在巷道端部的輸送設備或固定交接貨臺進行貨物單元的交接。堆垛機通過倉庫電氣控制系統與上位監控管理系統聯機組態后，與地面輸送系統、高層貨架和托盤等一并組成了完整的自動化倉儲物流系統，從而實現貨物存取、傳輸和分揀等。堆垛機（如圖6）主要由龍門架、底梁（含行走機構）、載貨臺、貨叉、提升機構、天/地軌、安全機構、檢測機構、控制系統、供電滑觸線等組成。

圖6 堆垛機示意圖

4.立體庫設備控制

控制系統主要完成整個物流系統設備的控制任務，向上聯接上位計算機系統，接受物料的搬送指令；向下聯接搬送設備實現底層設備的驅動、物料的檢測與識別，完成物料搬送的過程控制及信息的傳遞[6]。橫向完成其他單機系統的控制集成。此外還提供內容安全保護措施和多種操作模式，輔助工作人員進行設備操作和維護[5]。

五、計算機控制系統

計算機控制系統作為整個自動化倉庫系統的“智能中樞”，通過主干網絡，結合倉儲管理系統（WMS）和倉儲控制系統（WCS），構建高可靠、高性能的數據中心，形成安全可靠的網絡通信系統。各系統之間存在明確的邏輯關系和數據交互。整個架構通過各系統之間的緊密協作和數據交互，實現了自動化倉儲物流系統從任務下達、設備調度到任務執行的全流程智能化管理，保障倉儲物流作業的高效、準確、穩定運行[4]。

1.倉儲管理系統（WMS）

WMS（如圖7）通過標準化管理物料基礎信息與倉庫拓撲結構，對接上游產線管理系統獲取生產計劃數據后，基于智能算法對生產工序任務進行分解，精準生成并向WCS傳輸作業指令[3]。該系統集成堆垛起重機、自動化輸送線等智能裝備，實現立體倉庫全流程的智能化入庫分揀、精準化出庫配送及動態儲位優化策略。通過建立雙級閾值預警機制，系統對近效期物料實施三級梯度提醒制度，并運用動態安全庫存模型進行實時監控。基于可視化報表看板系統，可實時展示庫存周轉率統計、在庫物料實時分布圖譜及庫存閾值預警分析等關鍵指標（如圖8），有效降低物料倉儲成本，為企業生產調度決策提供高精度、低時延的數據支撐體系。

圖7 WMS功能架構圖

圖8 WMS軟件界面

2.倉儲控制系統（WCS）

WCS作為物流自動化體系的核心調度與監控中樞，承擔著銜接上層管理軟件與底層硬件設備的關鍵職能[7]。該系統通過控制接口向執行層設備下達操作指令并采集其狀態信息，實現對設備層的全面管理。其核心功能（如圖9）主要涵蓋以下方面：

圖9 WCS軟件界面

（1）任務調度：根據上層任務需求，將入庫、出庫等作業指令合理分配至相應執行層設備；

（2）運行監控：實時監測設備運行狀態；

（3）異常維護：處理設備故障及其他異常工況；

（4）搬運段協調：對物流過程中不同搬運階段進行動態協同管理[4]；

（5）指令下達：向執行層設備發送具體操作指令；

（6）狀態反饋：接收并處理設備返回的實時狀態數據；

（7）日志管理：系統記錄所有操作指令及設備運行日志。

該系統通過工業控制網絡與可編程邏輯控制器（PLC）等設備建立雙向通信機制，其運行機制可分為兩個維度：在縱向集成層面，WCS既接收WMS下發的作業指令并實時反饋執行狀態，又通過主動任務請求機制實現動態任務調度；在橫向控制層面，系統運用任務分解算法將宏觀作業指令轉化為設備級可執行工序，基于設備狀態監測數據進行動態任務分配，從而實現多設備協同作業的統一調度。在任務執行階段，WCS建立全流程監控機制，持續采集各執行單元的任務進度、實時工況及故障報警數據，依據上層管理系統的任務指令，協調調度執行層設備，確保物流作業的高效有序執行。通過模塊化架構實現物流裝備的全生命周期管理，確保復雜物流場景下任務的可靠執行與設備高效協同。

六、應用成效

與傳統倉儲模式相比，本文描述的自動化立體庫在航天數字化裝配中實現了顯著的成效提升。具體對比分析如下：

在空間利用效率方面，經計算，自動化立體倉庫的貨位利用率α為0.82（計算依據：總庫位數量1008個，空間總體積3801.5m3，結合平均托盤占用體積估算）。相較之下，傳統人工倉儲模式的貨位利用率通常僅為0.55，空間利用效率提升幅度達49.1%。在入庫作業效率方面，立體庫單循環處理能力達到46.35PL/h（如圖10）；而依賴人工搬運的傳統模式，其平均處理能力僅為25PL/h，效率提升幅度高達85.4%。同時，立體庫的單循環入庫作業時間由傳統模式的平均120秒顯著縮短至71.17秒，時間效率提升40.7%。此外，在操作準確性方面，立體庫系統通過自動化控制將錯誤率嚴格控制在0.1%以下，傳統模式操作錯誤率則高達2.5%，錯誤率改善幅度達96%。數據管理成效突出，WMS與WCS集成實現了實時庫存可視性。

圖10 立體庫效率計算

整體上，該系統通過數字化集成，為航天裝配提供了高可靠、低延時的物流支持，驗證了智能倉儲在高端制造業的推廣價值。

七、結語

通過建設自動化立體庫并應用于航天部段數字化裝配生產線，物料管理的智能化水平和操作效率得到了顯著提升。該立體庫不僅有效解決了傳統倉儲模式下的空間利用率低、人工錯誤率高、信息傳遞不暢等問題，還通過WMS與WCS的無縫集成，實現了物料需求與生產節拍的動態匹配，避免了產線停工現象，為航天產品的批量化生產提供了堅實保障。具體而言，自動化立體庫通過垂直空間優化、二維碼信息追溯及智能算法調度，大幅提高了存儲密度、出入庫準確性和響應速度，滿足了航天領域對精準管理和高效物流的嚴格要求。此外，系統的模塊化設計和雙級預警機制確保了倉儲過程的可控性與可靠性，同時通過可視化報表看板，為生產決策提供了實時數據支撐。未來，可進一步探索人工智能技術在倉儲優化中的應用，例如引入機器學習算法預測物料需求，或擴展系統兼容性以支持更多類型物料的自動化管理，從而持續提升裝配線的整體效能和適應性。

參考文獻:

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