鋰電制造中AGV 在極片立庫取放物料的 交互研究

自動化立體倉庫的出入口是實現(xiàn)其物料存儲、提取和搬運過程高效和準確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文旨在研究鋰電制造中極片立庫口場景下物與物，系統(tǒng)與系統(tǒng)間交互的設(shè)計原則，從而保障自動化立體倉庫物料出入庫的高效性和可靠性。通過分析AGV從立庫口取走生產(chǎn)物料（托盤不離庫），取走整個托盤（托盤離庫），人機混用三個使用場景，從復(fù)雜現(xiàn)象中抽象出行為與信息的普遍屬性，構(gòu)建立庫口、載料托盤、AGV小車、工人之間物與物、系統(tǒng)與系統(tǒng)和諧交互的關(guān)系。得出極片立庫口交互設(shè)計原則：無阻塞、高效率、低耦合和高自動化。1、引言隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，信息與通信技術(shù)的目標(biāo)已經(jīng)從滿足人與人之間的溝通，發(fā)展到實現(xiàn)人與物、物與物之間的連接。在自動化程度逐步提升的今天，從某種意義上來說，高度自動化的設(shè)備之間也構(gòu)成一種服務(wù)與被服務(wù)的關(guān)系，物與物之間構(gòu)建起了交互設(shè)計的新模式，通信與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)構(gòu)成了物體與物體之間的通信橋梁。物與物之間構(gòu)建起基于物理邏輯的產(chǎn)品交互模式，而物與信息系統(tǒng)之間構(gòu)建起基于行為決策邏輯的交互模式，二者共同構(gòu)成高度自動化系統(tǒng)物與物交互的新模式。自動化立體倉庫是基于自動化技術(shù)和機器人技術(shù)高度自動化的物流系統(tǒng)。立體倉庫交互系統(tǒng)的決策與外部系統(tǒng)有著千絲萬縷的關(guān)系，尤其是生產(chǎn)過程中的半成品庫，必然會與生產(chǎn)系統(tǒng)、搬運系統(tǒng)有直接關(guān)系。立體倉庫庫口作為保證倉庫存儲數(shù)據(jù)準確性和物料運輸高效性的關(guān)鍵交互節(jié)點，場景中主要涉及自動導(dǎo)引小車(AutomatedGuidedVehicle，AGV)、空中懸掛起重小車（OverheadHoistTransport，OHT）、立體倉庫出入口、載料托盤等物料運輸有關(guān)的物件，信息管理層面主要由負責(zé)生產(chǎn)管理的制造執(zhí)行系統(tǒng)（ManufacturingExecutionSystem，MES）、對AGV進行任務(wù)分配的調(diào)度系統(tǒng)、負責(zé)立庫設(shè)備調(diào)度的倉庫控制系統(tǒng)（WarehouseControllSystem，WCS）組成。業(yè)務(wù)模式為JIS(JustInSequence)模式。由于立庫口涉及多個物與物、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的信息交互，因此理清他們之間的關(guān)系，得出一個具有普適性且科學(xué)的交互原則，對鋰電精益生產(chǎn)、JIT物料運送模式至關(guān)重要。2、研究與方法2.1鋰電制造中極片立庫口基本物件及流程簡述自動化立體倉庫是自動儲存和輸出物料的自動化立體倉庫，是由多層貨架、運輸系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成的，集信息自動化技術(shù)、機器人技術(shù)和自動倉儲技術(shù)于一體的集成化系統(tǒng)[4]。立庫口是實現(xiàn)搬運高度自動化，物料高效存儲、提取和搬運的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，庫口的交互設(shè)計應(yīng)與物料運輸系統(tǒng)緊密配合。極片立庫口交互場景通常包括具備識別校對技術(shù)的立庫出入口、載料托盤以及自主引導(dǎo)小車等自動化輸送工具。在現(xiàn)實生產(chǎn)車間中，因場地空間限制，滿料入庫和出空托盤出庫共口，滿料出庫與空托盤入庫共口；滿料入口、空托出庫、滿料出庫和空托入庫不單獨設(shè)置口。在鋰電生產(chǎn)過程中主要分為原材料庫、極片庫、電芯庫，分別用于存儲箔材、粉料、結(jié)構(gòu)件，極片極卷，成品電芯等物料。其中極片庫是生產(chǎn)過程中半成品緩存庫，其物料出入庫過程中與原材料、成品出入庫有如下區(qū)別：1）極片庫物料出入庫需要滿足JIT精益生成模式。2）極片庫物料與模切、卷繞生產(chǎn)機臺進行直接交互，無需二次拆包、組盤、換托等復(fù)雜操作。3）極片庫托盤為內(nèi)部托盤，始終在模切工序、極片庫內(nèi)、卷繞工序之間流轉(zhuǎn)。4）在全自動化生產(chǎn)過程中，要求單懸臂AGV直接從立庫口取極卷送到卷繞生產(chǎn)機臺上；AGV把立庫口的極卷都取完時，需要通知立庫把空托盤回庫；單懸臂AGV直接從模切下料機臺取極卷送到立庫入口空托上；托盤放滿時通知立庫入滿托出空托，如圖2所示。5）在半自動化生產(chǎn)過程中，要求潛伏AGV從立庫口取極卷托送到卷繞生產(chǎn)機臺緩存位，由人工操作OHT設(shè)備把極卷安裝到機臺上，當(dāng)極卷用完后呼叫AGV把空托盤送回立庫；潛伏AGV從模切下料緩存架搬滿托到立庫入口，然后從立庫口搬空托到模切下料緩存架上，如圖3所示。由于配送模式的不同，AGV與立庫口的交互也將會存在巨大的差異，本文以托盤是否在立庫內(nèi)，物料種類與立庫口數(shù)量的大小關(guān)系為分類依據(jù)，列舉分析六種立庫口場景中的交互關(guān)系。2.2托盤不離開立庫的場景在卷繞、模切工序要求全自動化生產(chǎn)的情況下，需要單懸臂AGV從立庫口托盤上取一卷極卷直接送到卷繞機臺上料軸上，對接完成后生產(chǎn)機臺將會自動讓物料投入生產(chǎn)中。當(dāng)模切機臺的極片收卷達到上限時，通過光電傳感器獲取信號然后通知AGV自動對接模切機下料軸進行極卷下料，然后送往立庫入口，對接完成后通知滿托盤入庫。在這種情況下AGV搬運的是生產(chǎn)物料不是托盤。（1）滿料出庫（物料類型數(shù)多于立庫出口數(shù)）使用產(chǎn)能比較大的工廠，正常情況會同時生產(chǎn)5~6個型號的鋰電池。而立庫口的數(shù)量受場地限制，并不可以任意設(shè)置，此時必然會造成物料種類多于立庫出口數(shù)量。為了滿足JIS生產(chǎn)要求，如提前出滿料則立庫口會被占用，而下一個種類的物料只有等待前一個物料被搬走才能夠通行，由于立庫口當(dāng)前物料何時被拉走不可控，這將造成下一個所需物料不能被及時出庫從而影響生產(chǎn)效率，因此只能在有用料需求時才發(fā)起立庫出滿是更為合理的交互流程。如圖4所示，產(chǎn)線工位發(fā)起叫料需求，AGV系統(tǒng)生成叫料工單，判斷立庫口是否有對應(yīng)滿料。如果立庫口有對應(yīng)物料，則命中該庫位，并將其狀態(tài)改為鎖定狀態(tài)（若不鎖定則庫位將可能被多個工單執(zhí)行，造成紊亂局面）。如果立庫口沒有對應(yīng)物料則工單掛起，此時通知立庫系統(tǒng)出對應(yīng)物料的滿托。當(dāng)AGV系統(tǒng)給立庫系統(tǒng)創(chuàng)建了多個出滿任務(wù)，則由立庫WCS自行控制任務(wù)隊列，讓物料出庫有序進行。物料到達立庫口時，立庫系統(tǒng)回調(diào)AGV系統(tǒng)，AGV系統(tǒng)收到消息變更立庫口庫位狀態(tài)，相同物料需求的多個工單，按照最先發(fā)布優(yōu)先執(zhí)行的順序鎖定立庫口對應(yīng)庫位。AGV系統(tǒng)將工位叫料工單置為執(zhí)行中狀態(tài)，并把搬運任務(wù)下發(fā)給AGV。當(dāng)AGV到達命中的立庫口時，需要與立庫口進行握手交互二次確認（防呆校驗），如果二次校驗失敗AGV會上報任務(wù)異常，工單會提示異常。如果二次校驗成功，AGV系統(tǒng)收到取貨完成，通知AGV前往工單發(fā)起工位放料，放料完成后，產(chǎn)線工位叫料工單完成。AGV系統(tǒng)收到取貨完成時，會同時把立庫口變?yōu)榭胀袪顟B(tài)，然后通知空托回庫。立庫系統(tǒng)空托回庫成功后回調(diào)AGV系統(tǒng)，AGV系統(tǒng)把立庫口變?yōu)榭臻e狀態(tài)。托盤不離庫，庫內(nèi)物料型號多于立庫出口時，只有當(dāng)立庫出口為空閑狀態(tài)情況下要求立庫出滿料才能保證機臺所需的物料被正常送出并被及時送往生產(chǎn)工位，也能避免空托回庫與滿料出庫相互阻塞。（2）滿料出庫（物料類型數(shù)少于等于立庫出口數(shù)）若物料種類等于少于立庫出口數(shù)量，不存在當(dāng)前物料擋住下一個類型物料出庫問題，此時每個立庫口可以固定出一個類型的物料，當(dāng)立庫口上的物料被搬走時，就立馬發(fā)起補料，這樣可以保證產(chǎn)線工位需要物料時，立庫口都有滿料可供應(yīng)。如圖5所示，產(chǎn)線工位發(fā)起叫料需求，AGV系統(tǒng)生成叫料工單，判斷立庫口是否有對應(yīng)滿料。如果立庫口有對應(yīng)物料，則命中該庫位，并將其狀態(tài)改為鎖定狀態(tài)。如果立庫口沒有對應(yīng)物料則工單掛起，繼續(xù)等待滿料到達。當(dāng)物料到達立庫口，立庫系統(tǒng)回調(diào)AGV系統(tǒng)，AGV系統(tǒng)收到消息變更立庫口庫位狀態(tài)，相同物料需求的多個工單，按照最先發(fā)布優(yōu)先執(zhí)行的順序鎖定立庫口對應(yīng)庫位。AGV系統(tǒng)將工位叫料工單置為執(zhí)行中狀態(tài)，并把搬運任務(wù)下發(fā)給AGV。當(dāng)AGV到達命中的立庫口時，需要與立庫口進行握手交互二次確認（防呆校驗），如果二次校驗失敗AGV會上報任務(wù)異常，工單會提示異常。如果二次校驗成功，AGV系統(tǒng)收到取貨完成，通知AGV前往工單發(fā)起工位放料，放料完成后，產(chǎn)線工位叫料工單完成。AGV系統(tǒng)收到取貨完成時，會同時把立庫口變?yōu)榭胀袪顟B(tài)，然后通知空托回庫。1s后觸發(fā)立庫出滿任務(wù)（取立庫口所綁定的固定物料），立庫系統(tǒng)滿托出庫成功后回調(diào)AGV系統(tǒng)（因為滿托會在空托離開立馬出來，因此不需要回調(diào)空托回庫成功狀態(tài)），AGV系統(tǒng)把立庫口變?yōu)闈M托狀態(tài)。托盤不離庫，庫內(nèi)物料型號少于立庫出口時，只要當(dāng)立庫出口為空閑狀態(tài)，就立馬要求立庫出一個該出口所綁定的固定物料，這樣能保證立庫出口始終都有滿料，能滿足生產(chǎn)機臺需要物料時，立庫出口都有對應(yīng)的物料。（3）滿料入庫（不同物料使用的托盤一致）如圖6所示，產(chǎn)線工位發(fā)起下料需求，AGV系統(tǒng)生成下料工單，判斷立庫口是否有空托盤。如立庫口有空托盤，則命中該庫位，并將其狀態(tài)改為鎖定狀態(tài)。如果立庫口沒有空托則工單掛起，繼續(xù)等待空托到達。當(dāng)產(chǎn)線工位發(fā)起了多個下料工單時?？胀械竭_立庫口，立庫系統(tǒng)回調(diào)AGV系統(tǒng)，AGV系統(tǒng)收到消息變更立庫口庫位狀態(tài)，工單按照最先發(fā)布優(yōu)先執(zhí)行的順序鎖定立庫口對應(yīng)庫位。AGV系統(tǒng)將工位下料工單置為執(zhí)行中狀態(tài)，并把搬運任務(wù)下發(fā)給AGV。當(dāng)AGV到達命中的立庫口時，需要與立庫口進行握手交互二次確認（防止撞料），如果二次校驗失敗AGV會上報任務(wù)異常，工單會提示異常。如果二次校驗成功，AGV系統(tǒng)收到放貨完成，產(chǎn)線工位下料工單完成。AGV系統(tǒng)收到放貨完成時，會同時把立庫口變?yōu)闈M托狀態(tài)，然后通知滿托回庫（傳參為物料編碼、立庫口、SN物料條形碼）。滿料入庫完成后立庫自行觸發(fā)空托出庫，立庫系統(tǒng)空托出庫成功后回調(diào)AGV系統(tǒng)，AGV系統(tǒng)把立庫口變?yōu)榭胀袪顟B(tài)，從而保證立庫口隨時有空托讓生產(chǎn)機臺下滿料。托盤不離庫，只要當(dāng)立庫入口有空托，就可以讓模切下料機臺的極卷送到該托盤上，滿托入庫后立馬自動出空托，這樣能隨時保證立庫入口都有空托可用。2.3托盤離開立庫的場景在卷繞、模切工序要求半自動化生產(chǎn)的情況下，則由潛伏AGV從立庫口搬運整個托盤到卷繞上料機臺旁的緩存位，然后由人工操作OHT設(shè)備對極卷進行上料操作，當(dāng)物料用完時自動發(fā)起AGV搬空到立庫，以及立庫出滿任務(wù)。當(dāng)模切機臺的極片收卷達到上限時，人工操作OHT把極卷放到托盤上，自動發(fā)起AGV搬運滿托到立庫，以及從立庫口搬運空托到緩存架上。在這種情況下AGV搬運的是托盤不是單個極卷。（1）滿料出庫（空托回庫共用立庫口）滿料出庫需要先回空托然后再叫滿托。如果滿料提前出來占用立庫出口，則立庫口將沒有辦法回空托，空托不回庫，滿料將沒有地方放置，此時整個系統(tǒng)將會堵塞，空滿托無法流轉(zhuǎn)。如圖7所示，產(chǎn)線工位叫料，先要對空托回庫然后再叫滿。因此AGV系統(tǒng)需要先生成下空托工單，判斷立庫口是否有空閑位，1s后生成叫滿托工單，判斷立庫口是否有對應(yīng)滿料。防止被其他工單搶走，如果立庫口有空閑位，則命中該庫位，并將其狀態(tài)改為鎖定狀態(tài)。如果立庫口沒有空閑位則工單掛起，繼續(xù)等待空閑位。當(dāng)多個產(chǎn)線工位發(fā)起了下空托工單時。立庫口一旦空托回庫，立庫系統(tǒng)回調(diào)AGV系統(tǒng)，AGV系統(tǒng)收到消息變更立庫口庫位狀態(tài)，工單按照最先發(fā)布優(yōu)先執(zhí)行的順序鎖定立庫口對應(yīng)庫位。AGV系統(tǒng)將工位下空托工單置為執(zhí)行中狀態(tài)，并把搬運任務(wù)下發(fā)給AGV。當(dāng)AGV到達命中的立庫口時，為防止碰料，需要與立庫口進行握手交互二次確認，如果二次校驗失敗AGV會上報任務(wù)異常，工單會提示異常。如果二次校驗成功，AGV系統(tǒng)收到放貨完成，產(chǎn)線工位下料工單完成。AGV系統(tǒng)收到放貨完成時，會同時把立庫口變?yōu)榭胀袪顟B(tài)，然后通知空托回庫（傳參為托盤碼、立庫口）。1s后觸發(fā)滿托出庫任務(wù)（傳參為物料編碼—產(chǎn)線工位所綁定物料，出庫口—當(dāng)前空托所在立庫口），為防止AGV送空托過來，堵塞滿托出庫，系統(tǒng)鎖定指定出滿立庫口?？胀谢貛炫c滿托出庫任務(wù)由立庫系統(tǒng)自行調(diào)度。當(dāng)滿料到達指定立庫出口時，回調(diào)AGV系統(tǒng)，立庫口庫位變?yōu)闈M托狀態(tài)并解鎖。立庫口庫位變?yōu)闈M托狀態(tài)時，按照叫滿托工單最先發(fā)布優(yōu)先執(zhí)行的順序鎖定立庫口對應(yīng)庫位。AGV系統(tǒng)將工位上滿托工單置為執(zhí)行中狀態(tài)，并把搬運任務(wù)下發(fā)給AGV。當(dāng)AGV到達命中的立庫口時，需要與立庫口進行握手信號交互進行二次確認，如果二次校驗失敗AGV會上報任務(wù)異常，工單會提示異常。如果二次校驗成功，AGV系統(tǒng)收到取貨完成，送達產(chǎn)線叫料工位后叫滿料工單完成。庫位狀態(tài)變?yōu)榭臻e并解鎖狀態(tài)，然后進入到觸發(fā)下空托工單的循環(huán)中。托盤離庫場景下，需要先把空托順暢回庫，騰出緩存位與立庫出口，不能出現(xiàn)滿托出庫沒有地方存放，這樣將會造成所有庫位都死鎖，滿托空托都無法流轉(zhuǎn)。（2）滿料入庫（滿料入庫單獨口，空托出庫單獨口）如圖8所示，產(chǎn)線工位下料，先要對滿托回庫然后再搬空托。因此AGV系統(tǒng)需要先生成下滿托工單，判斷立庫口是否有空閑位，當(dāng)產(chǎn)線工位變空時生成叫空托工單，判斷立庫口是否有空托。如果立庫口有空閑位，則命中該庫位，為防止被其他工單搶走，并將其狀態(tài)改為鎖定。如果立庫口沒有空閑位則工單掛起，繼續(xù)等待空閑位。當(dāng)多個產(chǎn)線工位發(fā)起了下滿托工單時。立庫口一旦滿托回庫，立庫系統(tǒng)回調(diào)AGV系統(tǒng)，AGV系統(tǒng)收到消息變更立庫口庫位狀態(tài)，工單按照最先發(fā)布優(yōu)先執(zhí)行的順序鎖定立庫口對應(yīng)庫位。AGV系統(tǒng)將工位下滿托工單置為執(zhí)行中狀態(tài)，并把搬運任務(wù)下發(fā)給AGV。當(dāng)AGV到達命中的立庫口時，需要與立庫口進行握手信號交互進行二次確認（防止撞料），如果二次校驗失敗AGV會上報任務(wù)異常，工單會提示異常。如果二次校驗成功，AGV系統(tǒng)收到放貨完成，產(chǎn)線工位下料工單完成，產(chǎn)線下料工位變空閑狀態(tài)，同時生成叫空托工單。AGV系統(tǒng)收到放貨完成時，會同時把立庫口變?yōu)闈M托狀態(tài)，然后通知滿托回庫（傳參為物料編碼、批次號、立庫口）。滿料回庫時，回調(diào)AGV系統(tǒng)，立庫口庫位變?yōu)榭臻e狀態(tài)。接下來執(zhí)行叫空托工單，判斷立庫空托口是否有空托。如果有空托，則命中該庫位，并將其狀態(tài)改為鎖定（防止被其他工單搶走）。如果立庫口沒有空空托則工單掛起，繼續(xù)等待空托。當(dāng)多個產(chǎn)線工位發(fā)起了叫空托工單時。立庫口一旦空托出庫，立庫系統(tǒng)回調(diào)AGV系統(tǒng)，AGV系統(tǒng)收到消息變更立庫口庫位狀態(tài)，工單按照最先發(fā)布優(yōu)先執(zhí)行的順序鎖定立庫口對應(yīng)庫位。AGV系統(tǒng)將工位叫空托工單置為執(zhí)行中狀態(tài)，并把搬運任務(wù)下發(fā)給AGV。當(dāng)AGV到達命中的立庫口時，需要與立庫口進行握手信號交互進行二次確認（防呆），如果二次校驗失敗AGV會上報任務(wù)異常，工單會提示異常。如果二次校驗成功，AGV系統(tǒng)收到取貨完成，產(chǎn)線工位叫空托工單完成。AGV系統(tǒng)收到取貨完成時，會同時把立庫口變?yōu)榭臻e狀態(tài)，然后通知空托出庫（由立庫系統(tǒng)自行決定送達口）?？胀械竭_時，回調(diào)AGV系統(tǒng)，立庫口庫位變?yōu)榭胀袪顟B(tài)。2.4人機混用場景當(dāng)AGV故障或AGV運力不足時，需要由人協(xié)助進行。不管是滿托還是空托，人工放置的物料在立庫入口時，需要人工操作PDA掃庫位上的物料信息以及庫位碼，手動觸發(fā)立庫WCS對物料進行入庫。人工從立庫口拿走物料后，需要人工操作PDA清空庫位。智能化設(shè)備在使用過程中必然會出現(xiàn)各種故障，我們在做交互流程設(shè)計時，系統(tǒng)之間的信息交互需要考慮低耦合性，一旦有異常人工可以隨時介入從而讓流程順暢走下去，如果耦合度過高一旦發(fā)生該狀況，整個系統(tǒng)將會被卡死，這將會對生產(chǎn)造成巨大的影響。3、結(jié)果與討論通過前面的交互場景分析，總結(jié)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的半成品立庫口交互邏輯應(yīng)該要遵循以下原則。3.1高效率通過自動化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)連接來實現(xiàn)的。這些技術(shù)和連接使得自動化立體倉庫能夠高效地存儲、提取和搬運貨物，從而提高了物流效率和準確性。有關(guān)立庫口的交互中，應(yīng)該考慮到產(chǎn)線需求，產(chǎn)線需要物料時，AGV能馬上取到對應(yīng)的滿料，不能有過長的出庫等待時間。庫口的交互設(shè)計應(yīng)該與貨物傳送系統(tǒng)緊密配合，對有限的立庫口驗證流通資源進行合理的決策和規(guī)劃。3.2無阻塞為保證立體倉庫出入口物料的精準管理，一個出入口同一時間只能保證單種物料通行，由于立庫口流通速度慢，在AGV到達立庫口前和離開立庫口后都極其容易造成擁堵。為避免立