一體化車身自動化立體庫的應用和設計原則

在汽車制造企業(yè)中，為提高整體產(chǎn)能，會在焊裝、涂裝和總裝之間設置一個車身自動化立體庫，用來存儲上游車間的“半成品”，并由自動化輸送線與三個生產(chǎn)車間剛性連接，實現(xiàn)立體庫與車間的整體化。文中將車身立體庫和車間之間的輸送線連廊統(tǒng)稱為“一體化車身自動化立體庫”，并分別闡明了一體化立體庫實現(xiàn)緩沖功能和再排序功能的設計原則，簡要介紹了一體化立體庫的實操工藝流程和設備，并預測了一體化立體庫在生產(chǎn)管理中的應用。

一、關于一體化車身自動化立體庫

在汽車制造企業(yè)，有三個主要生產(chǎn)車間：焊裝車間、涂裝車間和總裝車間。在有條件的工廠，為了提高全廠的整體產(chǎn)能，在三大生產(chǎn)車間之間可以設置一個車身自動化立體庫，用來存儲上游車間的“半成品”，并與三個生產(chǎn)車間由自動化輸送線剛性連接在一起，實現(xiàn)立體庫與車間的整體化。本文將車身立體庫和車間之間的輸送線連廊統(tǒng)稱為一體化車身自動化立體庫（簡稱“一體化立體庫”），如圖1。

圖1：一體化立體庫

1.應用一體化立體庫理念的車身生產(chǎn)流程

應用了一體化立體庫理念，車身的生產(chǎn)流程，如圖2。

圖2：車身在生產(chǎn)車間和一體化立體庫之間的流程

車身在焊裝車間焊接完成后，未噴涂的白車身（簡稱“白車身”）可以先通過輸送線連廊進入庫區(qū)暫時存儲。為滿足批量涂裝的帶來的經(jīng)濟性，白車身可以按顏色等重新編排出庫，然后通過輸送線連廊進入到涂裝車間完成噴涂；同樣，車身在涂裝車間噴涂之后，噴涂后的車身（簡稱“漆后車身”）也可以通過與涂裝車間之間的連廊返回庫區(qū)暫時存儲；最后，漆后車身按照總裝車間的訂單順序再次排序出庫，進入總裝車間組裝。

2.一體化立體庫的功能

如果把一體化立體庫比作一個蓄水池，上下游的生產(chǎn)車間比作入水管和出水管，則可以形象地看出一體化立體庫主要承擔兩個功能：

（1）緩沖存儲量，滿足上下游生產(chǎn)車間的生產(chǎn)節(jié)奏差異。

（2）進出的再排序，可滿足下游車間的需求變化。

庫容量的大小，既要滿足上下游生產(chǎn)車間不同生產(chǎn)節(jié)奏的差異，也要滿足訂單臨時變化，使庫容量具備緩沖變換功能，保證生產(chǎn)正常進行；但是又不能過大，要避免前期投資的浪費。因此，估算合理的一體化立體庫的庫容量，一直是設計中的一大難題。

二、一體化立體庫緩沖庫存量的設計原則

在生產(chǎn)物流中，造成在制品暫時存儲的成因主要有兩點：一是上游生產(chǎn)車間與下游生產(chǎn)車間的作息時間不同；二是上游、下游生產(chǎn)車間的輸入產(chǎn)出速度不同。在設計方案中，也要考量這兩種原因分別計算相應的緩沖庫存量。

1.上游生產(chǎn)車間與下游生產(chǎn)車間的作息時間不同

假設某汽車制造廠，生產(chǎn)依次經(jīng)過焊裝車間、涂裝車間、總裝車間，車間與立體庫用輸送線一體化連接。

圖3：不同生產(chǎn)車間的作息時間表

如圖3，焊裝車間和總裝車間執(zhí)行生產(chǎn)時間是白班9點至17點，和夜班21點到次日早5點。涂裝車間執(zhí)行的是早班6點至14點，和中班14點至22點。

在這樣不同的作息時間下，當下游生產(chǎn)車間停線時，上游生產(chǎn)車間完成的產(chǎn)品就需要暫時進入一體化立體庫存儲。例如，焊裝車間晚22點到次日早5點的產(chǎn)品就需要先進入一體化立體庫暫時存儲，等待涂裝車間開線后才能消耗掉庫存。假設工廠的產(chǎn)能為每小時生產(chǎn)40個車身，如圖4，在早晨5點時，白車身的緩沖庫存量達到7×40=280。

圖4：白車身和漆后車身緩沖庫存量變化趨勢

同樣，涂裝車間晚17點到21點的產(chǎn)品也需要進入一體化立體庫存儲，等待下一步工藝消耗。從17點到21點的這段時間內，漆后車身的緩沖庫存量應增加4×40=160，庫存量從120增加到280個，多占用了280-120=160個庫位。

2.上游、下游生產(chǎn)車間的產(chǎn)出速度不同

假設還是上文提到的某汽車制造廠，生產(chǎn)工藝流程同上。

圖5：上下游車間不同吞吐量

如圖5，如果上游生產(chǎn)車間每小時生產(chǎn)8個產(chǎn)品，而下游生產(chǎn)車間每小時只能完成5個產(chǎn)品，這樣，平均每小時會有共計3個產(chǎn)品在途滯留，在上游車間工作期間，每小時需要至少3個暫時存儲位。

如上游車間每天有2個班次生產(chǎn)，每個班次工作7小時（9am/pm～4am/pm），下游車間每天有3個班次生產(chǎn)，每個班次8小時，共計工作24小時。則上游車間每個班次，都會導致累計增加7×(8-5)=21個緩沖庫存。

圖6：上下游車間吞吐量不同導致的庫存量變化

如圖6，庫存水平從早9點的0個，到下午4點時庫存躥升至21個，共計增加了21個庫位。

三、一體化立體庫再排序庫存量的設計原則

為平衡JIS供應商生產(chǎn)靈活性和總裝車間訂單順序變化之間的矛盾，庫區(qū)里可以維持一定量的庫存水平，以便適時提供符合訂單要求的車身。這個庫存水平就是再排序庫存。與緩沖庫存量一樣，如果再排序庫存過高，會造成設備投資和日常運營成本的浪費。不同的是，當再排序庫存過低時，會在總裝訂單順序與原始順序矛盾時，出現(xiàn)明明有庫存卻因為訂單匹配失敗而無車可出的局面。目前較常見的再排序庫存量的設計原則是：通過創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型和車身流程仿真，從而估算出合理的再排序庫存。

1.工具

可以用模擬軟件Plant Simulation（Siemens公司出品）創(chuàng)建隨機訂單，模擬出不同再排序庫存下訂單匹配的試驗成功概率。

2.外部參數(shù)

創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型，還需要輸入以下外部參數(shù)：

（1）噴涂顏色共有多少種、白車身車型有多少種（如有無天窗、長短軸距等）、及每種顏色和車型的分布概率；

（2）涂裝車間的顏色批次、訂單平均提前完成的時間。比如，可以假設某工廠總裝車間計劃上線的車身，平均4小時就已經(jīng)在涂裝車間噴涂完成。

（3）工廠的產(chǎn)能，即每小時生產(chǎn)多少輛車。

（4）每天的生產(chǎn)班次，每個生產(chǎn)班次具體的工作時間、就餐時間和休息時間。

（5）立體庫與焊裝車間之間、與涂裝車間之間及與總裝車間之間的輸送線長度各為多少個庫位。

3.車身準時制（JIS, Just in Sequence）生產(chǎn)流程

仿真試驗模擬的是車身JIS生產(chǎn)流程：首先，車身在涂裝車間完成噴涂，系統(tǒng)記錄下完成時間和完成的車身顏色、車型品種；然后，模擬車身通過涂裝車間到庫區(qū)的輸送線連廊入庫存儲，記錄下車身入庫時間；最后，車身在總裝車間按計劃時間生產(chǎn)，系統(tǒng)在庫區(qū)里檢索符合訂單要求的車身——匹配到，記錄為試驗成功，檢索不到，則記錄為試驗失敗。擴充或縮減庫容量，再開始新的一輪試驗。

通過這種仿真估算法，可以估算出較為精確的用于再排序功能的庫容量。再排序庫存是一個新興課題，其計算方法較為復雜，此處不贅述。

四、一體化立體庫操作流程

如圖7，車身自動化立體庫可以通過輸送線與焊裝車間、涂裝車間和總裝車間相連接。

圖7：一體化立體庫實操流程

其中，車身立體庫可以分為預處理區(qū)、操作層和高架區(qū)。預處理區(qū)主要用于暫時存放滑撬和兼容連廊的功能。操作層一般至少分為兩層，即入庫層和出庫層，白車身的出（入）庫和漆后車身的出（入）庫操作層也可以分離開，即共有四層。圖7所示的車身立體庫即分為四層。而高架區(qū)則是指存放車身的高位貨架，也稱庫區(qū)。系統(tǒng)按照控制范圍可以分為兩個級別：由公司級網(wǎng)絡控制立體庫與車間之間的調度，而立體庫則由單獨的控制模塊來操控選取入庫存儲和檢索出庫，并將出入庫時間記錄和庫位信息傳輸給公司級網(wǎng)絡。

相比單獨的車身立體庫，一體化立體庫的操作流程也略有不同，可以分解為：

1.白車身由焊裝車間輸送到立體庫：車身在焊裝車間焊接完成，通過焊裝車間與立體庫之間的連廊，由輸送線運送到立體庫的操作層，公司級網(wǎng)絡記錄下車身出焊裝車間的時間。

2.白車身入庫：在操作層，由堆垛機叉取白車身，存儲在高架區(qū)任意空位，完成白車身入庫，立體庫控制模塊反饋庫位信息給公司級網(wǎng)絡。

3.白車身出庫：按照涂裝車間的顏色批次，立體庫控制模塊在高架區(qū)自動檢索暫時存儲的白車身，由堆垛機叉取，從高架區(qū)取出白車身放置在相應操作層的出口點。

4.白車身由立體庫輸送到涂裝車間：分揀出的白車身通過涂裝車間與立體庫之間的連廊，由輸送線運送到涂裝車間，公司級網(wǎng)絡記錄下車身進入涂裝車間的時間。

5.漆后車身由涂裝車間輸送到立體庫：在涂裝車間完成噴涂后，漆后車身再次進入涂裝車間與立體庫之間的連廊，輸送回立體庫的漆后車身入庫層，公司級網(wǎng)絡記錄下車身噴涂完成的時間。

6.漆后車身入庫：和白車身入庫的步驟一樣，由堆垛機叉取漆后車身，存儲在高架區(qū)任意空位，完成漆后車身入庫。立體庫控制模塊再次反饋庫位信息給公司級網(wǎng)絡。

7.漆后車身出庫：公司級網(wǎng)絡按照總裝車間的訂單要求發(fā)送指令，立體庫控制模塊依照指令再次在高架區(qū)自動檢索漆后車身，由堆垛機叉取，從高架區(qū)取出漆后車身放置在相應的操作層。

8.漆后車身由立體庫輸送到總裝車間：分揀出的漆后車身再通過總裝車間與立體庫之間的連廊，由輸送線運送到總裝車間。從立體庫出庫后，公司級網(wǎng)絡獲取最終的訂單順序，從立體庫到總裝車間第一工位之間不再有分叉路口。即按照先進先出原則，從立體庫出庫的順序與到總裝上線的順序嚴格一致。

為節(jié)省連廊建筑費用，在工廠整體規(guī)劃布局時，可以考慮總裝車間和焊裝車間就近，合并焊裝車間和立體庫、總裝車間和立體庫之間的連廊，設計為一個單向雙層，或是雙向單層的連廊。由于立體庫的操作層中有兩個操作層與涂裝車間相關，所以車身自動化立體庫應盡量靠近涂裝車間，以縮短涂裝車間與立體庫之間的連廊，或者直接把立體庫貼建于涂裝車間，把兩者之間的連廊兼并到立體庫的預處理區(qū)，從而節(jié)約成本。

五、一體化立體庫的應用優(yōu)勢

對比獨立的立體庫，一體化立體庫優(yōu)勢表現(xiàn)為：

一方面，提高整個工廠的生產(chǎn)節(jié)拍。如果立體庫不是與其他車間剛性連接，則在設計立體庫出入庫時，就需要規(guī)劃手動操作流程。當車身等貨物出庫后，銜接叉車或拖車等手動操作流程，而不是通過剛性輸送線。配合立體庫的堆垛機，輸送線完成一次出庫+入庫工作循環(huán)只需90秒，也就是說每小時可以配送車身80個左右。而這個過程如果是工人操作，則需要完成“立體庫出庫→在操作道口轉掛托架→拖車在道口裝載→拖車廠內轉運→下一輛拖車在道口準備”這一循環(huán)，整個操作循環(huán)最優(yōu)化也至少需要6分鐘，每個小時最快只能配送10個車身?？梢?，人工操作流程嚴重制約工廠的生產(chǎn)規(guī)模。一體化立體庫的應用，減少了人工操作環(huán)節(jié)，可以大幅提高產(chǎn)能。

另一方面，規(guī)模經(jīng)濟，節(jié)約成本。假設工廠每天工作兩個班次，每個班次工作8小時，全年260個工作日，則共計工時為2×8×260=4160小時。按照一體化立體庫存儲白車身和漆后車身兩種車身計，則一個一體化立體庫可滿足的產(chǎn)能為80/2=40輛/小時，年產(chǎn)4160×40=166400輛。而同樣的工時，人工完成車間之間的轉運，年產(chǎn)只有4160×10=41600輛。假設每輛車售價20萬元，則一體化立體庫每年可以多創(chuàng)造產(chǎn)值(166400- 41600)×20=2496000萬元=249.6億元。相比較而言，一體化立體庫1～2億元左右的造價在較短周期即可收回成本。

但是，由于一體化立體庫造價較高，在管理層決策時，就需要綜合考慮多種因素：產(chǎn)品的銷售價格、產(chǎn)能的需求、各種暫時性需求所帶來的經(jīng)濟效益能否彌補成本、各種暫時性需求的優(yōu)先級別、技術改造的難度和工期等。