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智能移动机器人系统助力工厂物流智能化升级
企业: 日期:2020-07-30
领域:运动控制 点击数:391

杭州海康机器人技术有限公司(以下简称:“海康机器人”),是面向全球的移动机器人、机器视觉产品提供商。公司依托近千人的高水平研发团队,布局移动机器人、机器视觉等业务领域,通过对软硬件产品及平台的研发创新,致力于持续推动行业智能化,引领智能制造进程,帮助制造企业实现仓储物流环节与生产环节智能化升级改造。海康机器人为杭州海康威视数字技术股份有限公司(以下简称:海康威视)引入了自主研发的智能移动机器人系统,并将其率先应用在桐庐生产基地智能工厂项目建设中,为海康威视实现了智能化的内物流运作。

1、项目背景

海康威视是以视频为核心的物联网解决方案和数据运营服务提供商,面向全球提供安防系统、可视化管理与大数据服务。截至2019年,海康威视已连续4年稳居全球安防50强首位。在网络摄像机、模拟和高清监控摄像机、DVR/NVR、视频编码器等多个细分市场均排名第一。

2014年,为应对国内外市场对安防视频监控产品的强劲增长,海康威视决定在杭州桐庐经济开发区新建安防产业基地,用于建设生产工厂、仓储物流中心,以及其他配套区域,以满足主要产品的生产、仓储和物流配送需求,支撑未来业务的持续稳定发展。2015年,海康威视桐庐安防产业基地(简称“桐庐基地”)项目全面启动,总投资超30亿元,其中一期、二期用地面积约854亩。2016年初,项目一期正式建成投产,建筑面积达26万平方米。2019年,项目二期建成,建筑面积达28万平方米。为实现建设智能工厂的设想,从2015年起引进并实施了智能移动机器人系统,由机器人代替人工来完成收货、分拣、搬运、入库、出库等物流作业,大大提高了仓储管理效率。为整个制造行业实现仓储物流的自动化、信息化、智能化做出表率。

2、系统构成

桐庐基地所使用的这套智能移动机器人系统由海康机器人提供,该系统主要包括智能移动机器人、机器人调度系统(RCS)、智能仓储管理系统(iWMS)三大核心模块。以“货到人”的理念为核心,将仓库分为“无人区”和“工作区”两大区域,员工只需要在工作台操作端就可以实现物料的准确入库与出库,便捷有效。

2.1 智能移动机器人

智能移动机器人采用视觉或激光SLAM+惯性等混合导航,定位精度达到毫米级,支持差速、全向、舵轮等多种驱动底盘,运行顺畅智能避障,最大负重能达到1000公斤(也可定制更大负载额的机器人)。另外,其还采用激光、红外、超声、碰撞条等多种防护方式,具备自主避让功能;在动力方面,机器人配备大容量磷酸铁锂电池,循环寿命长。

2.2 机器人调度系统(RCS)

该系统负责控制范围内的全部机器人的任务分配、调度及运行维护。其功能包括:(1)采用多种先进算法,将仓储地图转换成机器人能够识别的模型数据,从而实现任务的最优分配、路径的最优规划、自主充电、规避障碍物等;(2)在保证不出现拥堵的前提下,提供最短路径、避让控制、路径重新规划控制等多种处理机制;(3)监控机器人的运行状态,当机器内部出现故障,系统将会自动生成信息发送预警通知至运维人员,并给出相应的处理意见,真正做到智能运维,实时反馈。

2.3 智能仓储管理系统(iWMS)

该系统支持包括采购入库、生产入库、生产领料、成品出库等各项仓储业务需求。作为最终的执行系统,集成了多种仓储优化技术,可实现如下功能:(1)仓库储位的冷热度分析,实时调整货架位置,减少货架搬运距离;(2)通过对海量订单信息的大数据分析,挖掘物料之间的细微联系,并制定相应的入库策略,满足订单快速齐套发货需求;(3)实现对物料包规、尺寸等信息的精细化管理,合理选择最优货架存储,充分利用库容空间;(4)实现动态波次与静态波次相结合,提高出库效率;(5)与视频监控系统互联互通,可实时查看现场工作动态;(6)与企业ERP、MES、SRM等系统全功能对接,实现业务信息实时交互。

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图1 智能仓储系统架构示意图

3、关键流程

目前桐庐基地的布局主要由原材料库、半成品库、备件库、成品库和生产车间等功能区域构成,智能移动机器人系统结合其他配套子系统,应用范围涵盖从原料进厂到成品发货的所有仓储内物流环节,其中包括原材料采购收货、质检、上架储存、外协发货、生产订单发货、内部调拨转储、产线物料配送、在制品存储及转运、外协收货、成品下线入库、成品发货、备件管理以及各类逆向物流等业务流程。

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图2 智能仓储解决方案示意图

3.1 原材料管理

作为典型的3C电子制造企业,海康威视的原材料仓库业务具有物料种类繁杂、品质管控要求高、收货业务峰值明显、发货业务频次高等业务特点,传统的管理模式下,对作业人员熟练程度要求高,收发货效率低且出错率较高。在导入智能仓储解决方案的同时,除引入移动机器人设备外,海康机器人团队与海康威视IT团队、供应链仓储部门协同工作,在功能区规划、业务流程设计、IT系统整合等方面对未来业务方案做了全新设计。

3.2 采购入库流程

(1)流程简述

供应商提前在SRM供应商管理平台维护送货单据,原材料码头收货人员根据送货单号拉取明细核对清点物料。清点完的物料通过PDA进行收货过账。在入库上架之前物料需要经过IQC专人检验,检验合格后的物料经由工作台呼叫移动机器人搬运入库,库存状态变更为可用状态。

(2)流程设计亮点

针对到货时间集中这一特点(收货业务峰值明显),规划团队充分利用月台空间大的优势,规划较大的暂收区域,从而可以快速卸货,缩短司机的等待时间。

打通iWMS系统与SRM及ERP系统的接口,仓库人员扫描送货单据,即可获取货物及单据信息,快速完成货物接收,账务实时同步。

开发了托盘指示器,通过与货物信息的绑定,一是代替托盘标识,二是指示器本身具有声光功能,系统根据货物状态(是否需要检验、上哪种类型的货架等)自动控制指示器亮灯颜色,方便现场目视化管理,三是品质人员可使用手持设备输入需要查找的物料,系统控制对应的指示器蜂鸣和闪烁,从而便于快速查找需要检验的货物。

开发了货物重量尺寸测量装置,可自动采集货物的重量尺寸等信息并上传系统,在推荐货架时根据实际尺寸选择最优货架,充分利用库存空间。

从扫描送货单收货、托盘绑定至上架扫描,物料、数量信息多环节校验,确保库存信息的准确性;全程条码扫描,无需手工输入,员工作业难度低;通过机器人实现“货架到人”,员工只需将物料搬运至上架工位,按界面提示上架扫描,系统选择最优储位,机器人自动搬运货架入库;根据物料出库频次及发货预测计算货架热度,机器人将货架摆放在最合理的储位,即热度高的货架靠近发货工作台,方便快速出库。

3.3 生产发料流程

(1)流程简述

计划下达生产订单后,MES根据产线产能进行排产。MES排单的呼叫备料排程信息推送至iWMS。仓库人员通过排程信息提前完成备料,并将对应的工单物料绑定笼车。原材料需要上线时,产线人员呼叫指定工单的笼车,并由移动机器人运送至工厂。

(2)流程设计亮点

打通iWMS与MES的接口,实时从MES接收订单排程信息。

JIT方式备料:工作台根据订单需求时间、优先级等条件自动启动出库任务,结合备料前置时间设定,确保备料的及时性,同时线边物料不至于大量积压。

通过机器人实现“货到人”分拣,员工无需走动,仅在工作台根据界面提示取货并扫描条码校核,减轻劳动强度、降低熟练度要求、提高发货准确性。

上线物料采用标准笼车装载,RCS系统自动控制提升机/货梯,机器人搬运笼车实现物料的跨楼层转运,直送工厂线边。

通过信息化和自动化实现流程再造,将原材料仓库备料作业配置成车间生产的前置工序,将仓储、分拣、配送、上线、生产等环节整合为一个完整的业务流。

3.4 成品入库流程

(1)流程简述

成品组装线完成,线尾工作人员扫描货物集成码进行绑定托盘。绑定过程会对托盘货物总重量进行校验,防止货物超重。绑定完进行线尾呼叫移动机器人的动作,机器人背负成品完成成品的跨楼层直接入库。

(2)流程设计亮点

iWMS系统集成工业相机、码垛机器人、输送线、提升机、移载机器人(滚筒类)、潜伏机器人等硬件设备,实现全自动调度及信息交互。

产品在线尾包装完成后,经由滚筒输送、滚筒AGV转运、码垛、扫描、潜伏机器人跨楼层搬运、入库存储等环节,全程无人参与。

作业时效(包括实物入库和账务处理)由人工模式的2小时缩短为全自动模式下的10分钟;与传统作业相比,全自动模式省去了单据打印、人工码垛、人工搬运、复核交接、单据录入等作业环节。

3.5 售后备件库出库流程

(1)流程简述

售后备件库根据各个分公司的调拨需求,生成出库订单。通过ERP推送至iWMS系统,iWMS根据出库单据的属性,按照一定的策略汇总成波次。经由移动机器人搬运出库,工作台先拣后播完成订单的拣选。

(2)流程设计亮点

售后备件仓库物料SKU多,多为散件,无标签,人工作业极易混淆。iWMS设置指定的上架策略,保证物料不混放,极大减少了出错率。

iWMS将订单池的订单按照一定的波次策略合并成一个波次,汇总拣货,大大减少机器人的搬运频次。

出库工作台与分播墙结合应用,根据订单明细分拣至对应货格,作业流程明确清晰,出库效率得到很大的提升。

4、多设备对接场景

(1)移载机器人(滚筒类)对接码垛机械臂

成品组装线完成装箱之后,成品箱由员工放置在滚筒线上。MES监测滚筒线PLC下位机状态,发现满箱时立即通知RCS调度机器人完成成品箱的接驳。移载机器人(滚筒类)背负成品箱至封箱机前输送线,自动封箱机完成封箱。封箱完的成品在输送线缓存位置排队,机械臂依次抓取进行成品码垛。每一个托盘最后1箱完成码垛后,MES通知RCS完成成品的整托入库搬运。

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图3 成品箱接驳

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图4 机械臂抓取成品码垛

(2)叉取式机器人对接立体库入库

成品存储由立体库和机器人智能仓组成,采用存拣分离的策略。立体库完成高密度存储,机器人智能仓完成快速高频的拣选。机器人智能仓设置安全库存高低水位,当库存低于低水位时,触发请求立体库进行库存补货,补货至安全库存为止。当出现紧急需求时,触发紧急补货策略,请求立体库完成紧急补货。立体库出库口,RCS与立体库对接,当成品出库至立体库出库口时,叉取式机器人进行成品的转移,将整托成品从立体库出口转移至潜伏机器人的货架上,完成补货。

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图5 叉取式机器人进行成品的转移

(3)跨楼层对接提升机电梯

原材料配送以及成品入库等场景中,产线与仓库分属不同楼层时,通过WCS与提升机和电梯的对接,完成跨楼层配送的业务。解决了跨楼层配送时效性低的痛点。并且通过综合监控管理平台,实时检测所有提升机的状态,保证后期运维的高效和直观程度。电梯的移动机器人模式与人工模式也支持任意切换,保证了物流动线规划的灵活性。

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图6 移动机器人系统与提升机对接

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图7 移动机器人系统与电梯对接

(4)货箱到人机器人(CTU)对接播种墙拣选

针对小订单,标准周转箱的业务场景。创新性地将传统“人找货”、“货架到人”的仓储作业模式升级为“货到人”,无论是高位密集存储或是窄巷道作业场景,货物均能轻松就位,目标作业更精准,拣选效率更高。首次在机器人方案中实现了仓库多层立体空间利用,让柔性、高效的物流机器人系统拥有了能与多层穿梭车匹敌的密集存储能力。

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图8 CTU对接播种墙拣选

5、项目亮点及成效

与传统作业流程相比,以“货到人”模式为核心的智能移动机器人系统自动化、信息化、智能化程度高。一方面,通过使用移动机器人,可大幅降低工人劳动强度,提升生产效率和质量;另一方面,配套的机器人调度系统和智能仓储管理系统采用人工智能、大数据分析技术对仓储进行布局,能大幅提升仓储的作业效率和跨产线生产的安全性。

此外,该系统的扩展性强,可接入移载、叉取式等多系列内物流机器人,实现全工厂整体自动化物流。它打破了“物流孤岛”,打通原材料与产线、产线之间、线尾到成品仓库等关键的物流节点,使得整个生产过程变得高效、智能、安全。

其中的技术亮点包括:

(1)混合导航:视觉/Slam+惯性导航,室内高精度导航技术;

(2)柔性布局:布局可灵活规划,方便项目实施;

(3)实时通信:近千台设备的实时无线通信;

(4)优化调度:近千台设备的调度管理,任务分配,涉及多个算法的配合使用;

(5)混行协同:不同系列、不同型号的移动机器人在项目中根据不同业务需求支持协同配合,极大提升作业效率;

(6)大数据分析:仓库冷热区货架调整,最优出库效率;

(7)系统集成:上层财务系统、生产管理系统、下层电梯控制系统、产线自动化设备控制系统集成。

为生产带来了以下变革:

(1)搬运无人化:大大降低工人的工作强度;

(2)全程无纸化:打通各个环节的物料交接信息流,省去了大量人工交接时的纸质单据;

(3)生产节能:仓库实现无灯作业,节能减排;

(4)提高生产管理:解决仓储人员管理痛点,做到仓库人员培训半小时上岗;

在桐庐智能移动机器人系统实践过程中,产品提供方海康机器人,巧妙利用工业相机、传感器和智能化决策系统等多种关键技术优势,使得机器人具有更多智能范围的能力。这一创新应用也有望帮助更多制造企业实现“智造”升级。

截止目前,桐庐基地共建成3个原材料库(面积:30000㎡)、6个半成品库(面积:36000㎡)、2个成品库(面积:40000㎡)、1个备件库和12个工厂车间,共投入使用近1300台移动机器人,累计管理库存SKU数量60万余条。构建从原材料、半成品仓库、成品生产、成品仓库、全流程物流自动化系统,借助智能移动机器人系统,实现物料、半成品、成品的智能化搬运,仓储物流人员节省35%,效率提升40%,是满足1.5亿元日出货需求的强大仓储物流支持。

在超过20万平方米的生产区域配置了超过250台移动机器人,实现每天3000多笔订单、超过7500搬运频次的原材料、半成品、成品搬运需求。与之前人工搬运相比,使用移动机器人系统后,生产搬运节约人力约58%,作业效率提升约84%。

在超过1万平方米的原材料仓储区域(网络工厂原材料仓)配置了超过90台移动机器人,实现每天900多笔订单、超过6000行原材料配送需求。与之前人工搬运相比,使用移动机器人系统后,原材料管理人员节约人力约60%,作业效率提升约60%。

6、应用前景

仓储物流是智能制造中一个非常细分且发展空间巨大的领域,具有整合流程、协调上下游、优化库存、降低成本等重要作用。桐庐基地目前已经借助移动机器人系统实现了原材料、半成品、成品的一体化管理运作,未来海康威视会不断尝试增加机器人的应用环节,在智能仓储与智能制造上更进一步。

在桐庐项目基础上,海康机器人得以为其他制造企业输出行之有效的智能产品和解决方案。2018年,华域视觉武汉通畅生产基地在大规模采用移动机器人后,物流人员减少30%,发货效率提高35%以上,物料配送及时率提升95%以上。截至2019年底,基于移动机器人的智能仓储系统已为3C、电子半导体、汽车制造、电商快递、第三方物流、零售、食品饮料、光伏、医药、烟草、鞋服等行业打造了众多标杆案例。

摘自《自动化博览》2020年7月刊

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