曹沖振，梁世友，王鳳芹，徐 杰，李 赫

（1.山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

1 引言

近年來(lái)，隨著人民物質(zhì)生活水平的日益提高，啤酒這種快消品的產(chǎn)量和需求量越來(lái)越大。在二十一世紀(jì)初，我國(guó)啤酒產(chǎn)量已超越美國(guó)成為世界第一[1]。為了搶占市場(chǎng)，獲得較高的利潤(rùn)，各啤酒生產(chǎn)企業(yè)除了在技術(shù)領(lǐng)域不斷創(chuàng)新以外，還可以從其他方面提高周轉(zhuǎn)效率，在激烈的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中取得先機(jī)，如：啤酒儲(chǔ)存、出庫(kù)、運(yùn)輸?shù)确矫?，尤其是出?kù)問(wèn)題。對(duì)于啤酒生產(chǎn)企業(yè)來(lái)講，成品啤酒出庫(kù)速度的快慢，直接影響企業(yè)的效益。因此，快速裝車系統(tǒng)對(duì)啤酒生產(chǎn)企業(yè)提升自動(dòng)化水平、降低勞動(dòng)力成本、提高裝車速度和質(zhì)量具有極為深遠(yuǎn)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

Flexsim軟件是一款主要應(yīng)用于物流或制造業(yè)中生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)、配送等相關(guān)領(lǐng)的離散化仿真軟件。該軟件提供了模型搭建、初始數(shù)據(jù)處理、虛擬演示、運(yùn)行仿真等功能，可以有效優(yōu)化作業(yè)流程、提高設(shè)備和人員的利用率、優(yōu)化人員分配、降低機(jī)器故障率從而降低生產(chǎn)成本，提高效益[2]。根據(jù)某企業(yè)提供的相關(guān)參數(shù)和要求，來(lái)設(shè)定相關(guān)實(shí)體參數(shù)，對(duì)快速裝車系統(tǒng)的裝車效率進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果證實(shí)了本系統(tǒng)的高效性，對(duì)啤酒生產(chǎn)企業(yè)裝車方式的選擇與改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。

2 整托啤酒快速裝車系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該啤酒生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有倉(cāng)庫(kù)主要分為倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)、待裝車區(qū)兩個(gè)部分，裝車區(qū)在倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)的外側(cè)，如圖1所示。生產(chǎn)線下線的啤酒通過(guò)叉車運(yùn)送至倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)，倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)內(nèi)放置整托啤酒，使用叉車將整托啤酒從倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)輸送至待裝車月臺(tái)，隨后人工從待裝車月臺(tái)將托盤(pán)上的啤酒依次搬運(yùn)至車廂內(nèi)并碼垛。

圖1 倉(cāng)庫(kù)布局圖

根據(jù)倉(cāng)庫(kù)布局及功能需求，設(shè)計(jì)的快速裝車系統(tǒng)方案如圖2所示。該系統(tǒng)主要由連續(xù)輸送裝置、托盤(pán)位姿調(diào)整裝置、伸縮裝車機(jī)和貨車位姿調(diào)整裝置等部分組成，通過(guò)協(xié)調(diào)各分項(xiàng)任務(wù)，完成整托啤酒的裝車工作。

圖2 快速裝車系統(tǒng)圖

該方案中，連續(xù)輸送裝置負(fù)責(zé)連接生產(chǎn)線和倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)，將整托啤酒直接運(yùn)輸?shù)絺}(cāng)庫(kù)中；連續(xù)輸送裝置的末端與伸縮裝車機(jī)相連，可以實(shí)現(xiàn)快速出庫(kù)的功能；托盤(pán)位姿調(diào)整裝置布置在連續(xù)輸送裝置和裝車設(shè)備之間，作用是調(diào)整連續(xù)輸送線上的整托啤酒的位姿，使其在一個(gè)合理的范圍內(nèi)；伸縮裝車機(jī)的工作是將連續(xù)輸送裝置輸送來(lái)并通過(guò)托盤(pán)位姿調(diào)整裝置修正過(guò)位姿的整托啤酒裝車；貨車位姿調(diào)整裝置的作用是將停靠待裝車的貨車進(jìn)行位姿調(diào)整，使裝車動(dòng)作能順利進(jìn)行。

綜上所述，本課題設(shè)計(jì)的快速裝車系統(tǒng)流程如下：

生產(chǎn)線下線碼垛好的整托啤酒通過(guò)連續(xù)輸送裝置輸送進(jìn)入倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)；在銷售旺季，整托啤酒可通過(guò)輸送裝置直接到達(dá)裝車位置等待出庫(kù)裝車；在銷售淡季部分產(chǎn)品可直接出庫(kù)，另一部分產(chǎn)品由叉車進(jìn)行貨物的入庫(kù)存儲(chǔ)。當(dāng)待裝貨車停穩(wěn)后，貨車位姿調(diào)整裝置根據(jù)裝車要求調(diào)整貨車的位姿，隨后伸縮裝車機(jī)伸出，開(kāi)始進(jìn)行整托啤酒的裝車。

3 快速裝車系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)

3.1 整托啤酒的相關(guān)參數(shù)

本文研究的輸送主體是啤酒生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)線下線并碼垛好的整托啤酒，根據(jù)調(diào)研，該企業(yè)使用聚乙烯啤酒筐作為瓶裝啤酒的中轉(zhuǎn)容器，如圖3（a）所示，共可裝12 瓶啤酒，啤酒筐的外尺寸為L(zhǎng)k×Wk×Hk=360×275×316mm，一筐啤酒總重約13kg。碼垛使用的托盤(pán)是標(biāo)準(zhǔn)川字塑料托盤(pán)，如圖3（b）所示，尺寸為：Lt×Wt×Ht=1 100×1 100×145mm。

圖3 啤酒框與托盤(pán)尺寸

在碼垛要求方面，啤酒在托盤(pán)上碼垛五層，每層12箱，如圖4所示。碼垛完成后的整托啤酒尺寸為：Lz×Wz×Hz=1 100×1 080×1 725mm，整托啤酒重量為786kg。

圖4 整托啤酒圖

3.2 貨車的相關(guān)參數(shù)

該企業(yè)使用12.5m廂式貨車運(yùn)輸啤酒，三維模型如圖5 所示。該貨車車廂內(nèi)尺寸為：Lc×Wc×Hc=12 500×2 400×2 200mm，整車除去車頭重4t。按照企業(yè)的要求，車廂內(nèi)碼放兩列托盤(pán)，每列放置10 托，共計(jì)20托貨物。故仿真模型的裝車總數(shù)量設(shè)定為20托。

圖5 貨車尺寸圖

3.3 伸縮裝車機(jī)的相關(guān)參數(shù)

伸縮裝車機(jī)的相關(guān)尺寸如圖6 所示。伸縮裝車機(jī)的固定部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)G=7 000mm，因該企業(yè)使用的貨車車廂內(nèi)的長(zhǎng)度為12 500mm，初取伸縮裝車機(jī)伸出后伸縮部分設(shè)計(jì)長(zhǎng)度LZ=12 500mm。伸縮裝車機(jī)的寬度取決于車廂寬度以及裝車形式，車廂內(nèi)寬度2 400mm，需要在車廂內(nèi)碼放兩列托盤(pán)貨物。為了保證輸送穩(wěn)定，應(yīng)在不影響裝車機(jī)正常裝車工作的前提下盡可能增加伸縮裝車機(jī)的寬度[3]。因此，取伸縮裝車機(jī)設(shè)計(jì)寬度BZ=1 150mm。托盤(pán)下放裝置的長(zhǎng)度為L(zhǎng)T=1 550mm。

圖6 伸縮裝車機(jī)整體尺寸示意圖

此外，連續(xù)輸送裝置中滾筒輸送線的速度vG=0.5m/s，伸縮裝車機(jī)的其它技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 伸縮裝車機(jī)技術(shù)參數(shù)

4 快速裝車系統(tǒng)建模及仿真

4.1 建模及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)上文所述的快速裝車系統(tǒng)圖，建立仿真模型，如圖7所示。該模型中主要由輸送線和伸縮裝車機(jī)輸送貨物。在滾筒輸送線上，每條巷道對(duì)應(yīng)一個(gè)裝載點(diǎn)，叉車從貨架上取貨后可以就近放到輸送線上。模型中除了叉車、滾筒輸送線、處理器、貨架、貨車等實(shí)體，模型還包括叉車行走路線、叉車搬運(yùn)節(jié)點(diǎn)、任務(wù)分配器等[4]。

圖7 快速裝車系統(tǒng)建模

參數(shù)設(shè)置主要包括滾筒輸送線，處理器和叉車三項(xiàng)：

（1）滾筒輸送線。由上文知，滾筒輸送線的速度vG=0.5m/s。滾筒輸送線參數(shù)設(shè)置如圖8所示。

圖8 滾筒輸送線參數(shù)設(shè)置

（2）處理器。在模型中，由處理器實(shí)體代替伸縮裝車機(jī)在模型。根據(jù)計(jì)算，第一托貨物經(jīng)由伸縮裝車機(jī)完成裝車共耗時(shí)約46s，第一至第十托貨物的裝車耗時(shí)是一個(gè)公差為3的等差數(shù)列。裝完第十托后，留出60s 用于貨車位置的調(diào)整，調(diào)整完成后，進(jìn)行下一列貨物的裝車。根據(jù)工作要求編制的處理器程序如下：

treenode current=ownerobject(c);

treenode item=param(1);

int process_time;

inc(label(current,"input_num"),1);

int input_num=getlabel(current,"input_num");

if( input_num==11)

{

process_time=60+46;

setlabel(current,"input_num",1);

}

else

{

process_time=49- input_num*3;

}

return process_time;

處理器的其他參數(shù)設(shè)定如圖9所示。

圖9 處理器參數(shù)設(shè)置

（3）叉車。倉(cāng)庫(kù)內(nèi)共有1 臺(tái)叉車，速度等參數(shù)按照系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。根據(jù)實(shí)際調(diào)研，裝載時(shí)間設(shè)置為5s，卸載時(shí)間定為5s，如圖10所示。

圖10 叉車參數(shù)設(shè)置

4.2 模型運(yùn)行及仿真結(jié)果輸出

參數(shù)設(shè)定完畢后，設(shè)定裝車總數(shù)為20托，運(yùn)行仿真并獲取運(yùn)行時(shí)間。最終結(jié)果顯示，裝車完成共需要3 445s，如圖11所示。

圖11 仿真結(jié)果輸出

5 仿真結(jié)果分析

從裝車過(guò)程來(lái)看，啤酒生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有裝車系統(tǒng)在裝車過(guò)程中，由于人工裝車速度較慢，裝車月臺(tái)上會(huì)有一定的貨物積壓，不利于快速出庫(kù)的實(shí)現(xiàn)；且在此過(guò)程中，叉車的閑置率過(guò)高，容易造成資源浪費(fèi)。而快速裝車系統(tǒng)不需過(guò)多的人為干預(yù)，只需用叉車將整托啤酒放到滾筒輸送線上即可，可以有效解決人工裝車過(guò)程中存在的問(wèn)題，大幅提高裝車效率。

從仿真結(jié)果來(lái)看，快速裝車系統(tǒng)的裝車時(shí)間為3 445s。已知該啤酒生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有人工裝車時(shí)間為13 278s，而且，在此過(guò)程中，兩名裝車員的閑置率極低，工作強(qiáng)度很大。經(jīng)過(guò)對(duì)比，快速裝車系統(tǒng)裝車速率約為現(xiàn)有裝車方式速率的3.8倍。就數(shù)據(jù)來(lái)看，快速裝車系統(tǒng)能夠解決在銷售旺季啤酒生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有裝車模式裝車速度慢、勞動(dòng)力強(qiáng)度大等問(wèn)題，有效提高出庫(kù)速度。