AGV 智能运输小车在制笔行业智能化改造中的探索

2024-01-08朱炼

中国制笔 2023年4期

文/朱炼

特约作者简介：朱炼，男，上海心诚工具有限公司总经理，对刀具设计制造以及工业自动化的发展颇有心得，特别是在铅笔制造这一行业有着丰富的应用经验。为全球27个国家300多家企业，设计制造过各种非标杆形的铅笔，深度参与了AI质检、铅笔制造设备的自动化连线、设备智能化升级改造等项目，为整个行业的未来发展作出了非常重要的贡献。

一、什么是AGV 智能运输小车？

AGV 是Automated Guided Vehicle的缩写，意思就是“自动引导的运输车”。一般是指在自动领航的条件下或者沿着预定路线自动行驶，可以将货物或者生产物料自起始点运输到指定目的地的智能运输小车。

二、AGV 小车的发展历程

（一）在欧美的起源

最早AGV的出现要追溯到1913年的美国福特公司，当时的福特汽车公司开发出了世界上第一条组装生产线，用于批量生产整车。福特的创新把制造生产一辆汽车所需要的时间从12个多小时直接缩短至1小时33分钟。在当时，福特先生被尊称为“为世界装上轮子”的人。组装车间里工人把生产需要的零部件搬运到一辆辆有轨道引导的运输车辆上，也就是AGV的最初原型，只不过当时还不能达到自动引导，需要在车间的A到B点铺上对应的传输轨道。但正是这一创举，为今后AGV的发展奠定了坚实的基础。

直到1953年的英国，第一辆真正意义上的AGV诞生了。它由一辆牵引式拖拉机改造而成，采用的是电磁导引的方式，真正地符合了自动引导运输。不过，当时的AGV相对还是比较昂贵的，每生产一台AGV小车就需要牺牲一台牵引式拖拉机，且因局限于当时的技术，AGV并不能得到广泛的应用，只是停留在实验室阶段。一直到20世纪60年代末，随着欧洲计算机技术的广泛应用，AGV的控制和管理提升了一个大台阶，这才让它得以进入很多工业生产场景。

（二）AGV 在我国的发展

AGV在我国的发展相对比较晚一些，1979年，北京起重机械研究所研制出了我国的第一台AGV智能运输车，当时还是为了作为起重机中滚珠加工的演示，并未真正地应用在实际的工业生产中。经过了20多年的研发，在1997年1月，我国昆明船舶设备集团有限公司根据国家“三线”调整搬迁政策，出山进城，整体搬迁到昆明国家经济技术开发区，建成了国家重点物流实验室，并且研制出了第一套AGV验证系统，以及中国第一台由激光导引的AGV小车。自此之后，国内的AGV发展开始步入一个平稳的发展阶段。在这期间，AGV的运用已经进入国民生产的各个领域，如制造业、食品、轻工业、物流（快递）等。

AGV在我国的发展爆发期要从2012年亚马逊收购KIVA开始说起。在这之前，很多民营企业主对此还是懵懵懂懂，很多人只是有个大致的概念。当亚马逊的宣传视频第一次进入人们的视线中时，大多数人的第一反应都是“什么！运输还能这么玩？”这种新型的仓储分拣方式带动了一大批创业公司，市场活力不断增强。众多龙头企业非常看好这块新业务，开始对工业机器人、仓储机器人、运输机器人投注巨资，带动了一大批做AGV本体的公司。据统计，我国在2012年的时候，做AGV本体的公司有20多家；而到了2017年，这个数据基本上增长了10倍。其中的监控行业龙头海康威视在2016年正式成立杭州海康机器人技术有限公司，仅用了短短5年时间，就做到了AGV行业的 "行业领跑者"。

根据2022年中国工业移动机器人市场统计，产值过亿的企业数量达到了42家，其中有4家企业都已经突破了10亿元大关，海康机器人更是以超20亿元的销售额稳居榜首，远超其他国际品牌。从AGV智能小车的发展史来看，我国属于起步晚、发展迅速，在瞬息万变的市场中站稳了脚步。

三、AGV 在制笔行业智能化改造中起到的作用

AGV是如何解决制笔行业痛点的呢？

制笔行业包括了铅笔、钢笔、圆珠笔、马克笔等。虽然在制造的过程中有很多工艺是不一样的，但是相似的地方也有很多，其集中的主要痛点如下：

痛点1：工艺路线复杂。从原材料至成品需经过几十道工序，部分产品生产工序存在二次加工。就拿铅笔的生产来举例，一支标准的铅笔生产过程从原材料到成品至少要经过30多道工序。先是原材料木板的处理，原木加工要经过切段、蒸煮、刨分、规面、规边、码垛晾晒、筛选分级等；然后到了制杆车间，分级后的板片再通过刨槽、胶芯、夹板、烘干、拆夹、刨杆、选笔、抛光等多道工艺后，把做好的半成品铅笔输送到成品车间；又会根据不同的客户定制化要求经过油漆、打字、上皮头、沾顶等数十道不同的步骤；最终经过包装才能成为一支合格的铅笔。其中成品的工艺最为复杂，工序也最为繁琐。

痛点2：生产设备种类多样，工艺工序较多，产线上下料对接方式较多。依然以铅笔的生产来举例，在铅笔生产的过程中，每一道生产的工序都有相对应的设备，因局限于技术以及板材品质等各种因素，目前还不能把整条生产线完整地链接起来，只有极少数的企业做到了链接部分的工艺，把多道生产设备的上下料进行对接，实现了部分生产工艺的局部自动化。即使如此，设备与设备之间的物料流转还得依靠人工搬运为主。

痛点3：用工成本持续走高。国内人口老龄化加剧，新一代人工作意识转变、最低工资提高等因素都增加了制笔行业的用工成本。另一个原因是制笔行业的产能快速扩张，人工作业强度大，造成了招工难，笔厂只能被迫提高劳动薪酬来解决这一难题。

那么如何才能彻底地一次性解决以上三个痛点呢？个人认为在智能化改造过程中，仅仅依靠AGV是不够的，必须要多方面相互结合，AGV智能运输只能作为辅助，当然这个辅助在使用上还是很方便、很灵活的。

如果公司现在已经有了自己的ERP系统（图1），那么一切就变得水到渠成起来。

图1 ERP分支树

AGV智能运输小车打通了各个系统之间的链接，并非只是物料之间的流转，对于制笔行业最大的提升应该是源于管理中的数字化生产。在智能化生产改造前，我们制笔行业信息化管理相对薄弱，主要体现在生产工艺的流程复杂、工序间物料转运易出错、信息流无法追溯等一系列问题。而AGV智能运输小车可以在日常生产过程中，让各个生产环节的数据得以以最直观的数字化呈现。每日的产量、订单的进度、生产过程中的异常，都可以以数据的形式呈现给企业管理员，从而提高部门之间的协同性，信息互联互通。

在这样强有力的帮手下，企业的智能化、数字化转型才能更加易于推动。

简单来说，工厂的生产智能化管理分为三个层级。第一个层级我们称之为“业务层”，其中会涉及库存的管理，包括运输管理、生产订单、采购订单以及销售订单的管理。第二个层级是“调度层”，调度层级一般是整个管理体系的核心部分，主要作用便是把业务层的信息消化掉，更加细化。在传统的企业管理中，这一部分往往是由人工通过经验以及惯性思维去完成。而随着时代的变迁，我们更加应该利用软件去辅助我们完成。比如A公司收到一张订单，那么MES系统会根据订单内容再结合本公司的库存管理系统，生成原材料采购订单，然后根据录入的采购品的不同交货期，配置任务策略，通过算法提高效率，编排不同工位、物料的生产流程等。而这一切，管理员只需要通过软件看板，动动手指就能轻松排产，随时根据最新的信息来调整生产的整个进度，整体效率相较于传统的管理模式会有极大的提升。第三个层级我们称之为“执行层”，说得通俗一点就是，谁来干？谁负责？怎么干？传统模式中，找货难、找货时间长、货物盘点复杂，甚至很多一线的操作工都需要自己去找物料相关负责人领料，领完后还可能存在上报不及时、数据无法互通、无法及时反馈等问题。而数据化、智能化的管理核心便是数据，如何达到数据的互通、及时性，才是智能化改造的目的，AGV智能运输小车在这一层级就能发挥很大的作用：缩短配料时间，将传统“人到货”改为“货到人”，数据及时且准确。执行层亦是衔接层，不光光是物料的流转，更重要的是数据化的衔接。AGV智能运输小车在原材料仓库自动存储、拣配、转运，在生产车间和成品车间进行物料配送的同时更是把最及时的数据信息直接传送到了工厂管理系统中。管理员在任务看板上可以及时了解到每一张订单的生产进度，满足了工厂智能化物料搬运与精益化生产管理的需求。

四、实际案例分享

（一）得力集团中央仓物流仓储项目案例(宁海仓)

提起得力，人们第一个联想到的就是文具。很多人说得力是中国文具品牌的代表，精工制作的典范。但是很少有人知道：就是这么一支小小的笔，也同样需要集顶尖的研发技术、设计创新，才能为消费者提供最美好的书写体验。接下来就和大家分享一下得力集团如何在智慧物流创新的案例。

那么得力为什么要建立中央仓储物流？得力集团的业务覆盖面很广，有自主品牌经营OBM、代加工生产OEM、独立设计生产ODM。产品品类包含数码打印、收银支付、安防监控、办公用品、益智早教、体育用品、会议设备等24大门类，每年的新品上市数量超过5000种。这几年，得力的产品在国内外市场的流通加快，在以往的租库模式下，得力物流仓库由第三方提供，每年消耗大量人力与场地租金成本，管理成本巨大。有些一、二线城市物流仓位紧张，经常存在到期了无法续租的情况，所以得力集团投资建立了中央物流仓储项目，一并解决了成本以及租不到仓库的问题。该项目位于宁海，目前是得力集团最大的一个物流仓库，所有工厂生产的产品都需要在中央仓库周转分拣后，再发往各地的中转仓、经销商或门店等。该项目现阶段共计投入使用潜伏式AGV智能小车108台，叉取式AGV 5台，可以满足每日12万箱不同货物的发货量。该项目在未使用AGV之前，问题点很多：其一，仓库内出库流程较为复杂，有立库出来的整托直接出库，有经过流水分拣线后的人工码垛出库，也有部分其他区域仓库调拨的大型物料出库。运输的工具大小不一，有电动叉车、人工液压车，而且尺寸品牌都不一致。其二，就是仓库现场是早晚两班制，劳动强度大，人员招工困难，特别是仓库内的搬运工，流动量极大，对于企业管理来说增加了很多难度以及成本。其三，整个中央仓库除去立库部分外，占地面积达到1.4万m2，并且有一半以上的集货区作为发货前的暂存，操作工单次作业搬运距离非常长，最长的单次运输达到了280 m。集货区没有上层系统的指引，人工需要到仓库内找货，浪费较多时间，并且货物摆放较杂乱，人工理货也非常不便，对于仓库管理造成了很大难度。

而随着AGV的引入，第一个需要解决的就是用单一的运输车型号适配不同的货架以及托盘规格。这样的好处就是整个工厂的运输车标准化，出库和入库业务的车型完全一致，那么AGV小车就可以不分区跑，全厂均可混用。把原先的运输工具多、乱、杂等问题一下子解决了。用AGV代替人工搬运，大大减少了人员劳动强度，帮助企业减少了70%的叉车作业人员，增加效率的同时节省了成本。此外，作业准确性大幅提高，跳过无效的找货环节，帮助仓库更好地实现了无人化出入库，夜班已经可以实现集货区完全黑灯作业。

（二）AGV 小车在铅笔行业应用实例

纵观整个铅笔行业，目前大部分的运输还是依靠人工来进行。先说制杆车间，其中需要运输的物料种类有很多。包括预处理的毛坯板片、胶芯后的三明治板片、刨杆完以后的半成品笔，以及加工所需要的工装、刀具、胶水、铅芯等。而运输这些原材料的载具国内工厂和国外工厂有很大的区别：国外基本都是用统一制式的塑料周转箱；国内工厂会用到不同的载具，胶水一般都是生产厂商附带的塑料桶，铅芯则是纸箱包装，如果量大的话会在下面增加一个木制托盘。胶芯后的三明治板片和半成品铅笔的运输一般用自制的料架来运输，各家略有不同，但基本都是由角铁焊接，下方增加四个轮子方便人工推行。

个人认为最优方案还是料架统一化。也就是和国外铅笔企业一样，用统一化的塑料周转箱进行物料运输。这样一来后期不管自动化程度到达哪一步，那么在运输流转、智能配送这一环节就不再需要进行更多的资金投入。但是，目前很多工厂在这一环节想要一下子转变思维还是比较困难的。其一，人们习惯了传统的工艺，一旦在生产过程中稍微有点改变，那么对一线工作员工的工作效率、节拍都是一种破坏。他们会在工作中有一种不舒服的感觉，从而影响了整个生产的进度。其二，目前很多工厂的厂房由于建造的时候没有考虑到后期的一个增容扩产，导致现在很多企业的内部布局都是非常紧凑的，把能利用的空间已经全都利用上了，就连改造所需的周转空间都没有，如此改变运输载具就变得非常困难，只能从现有的载具来改造，一台一台地逐步进行，才能在不影响生产的同时，达到智能化改造的目标。解决方案是把半成品铅笔运输的小车和束夹板小车增高25 cm，下部足够容纳一辆潜伏式AGV即可(见图2、图3、图4)。

图3 AGV小车工作实际场景

图4 束夹板常规载具

其余的刨杆车间的配件，如胶水、铅芯、刀具、工装日常配套部件只需要做一个配套托盘（见图5），尺寸约为 860 mm×840 mm×315 mm，底部高度空间尺寸为275 mm。这样几乎所有的刨杆车间日常物流运输都可以用AGV来解决。

图5 AGV叉车和潜伏车转换托盘

再说说物料仓库和成品仓库，这个是最容易解决同样也是AGV能带来收益最大的地方。先是物料仓库，其中最让铅笔工厂头疼的是油漆的管理，特别是每当工厂接到多色铅笔的订单，复杂的油漆编号、每次用不完剩下的油漆，管理起来繁琐。那么可以选用专门针对油漆桶类的料箱AGV（见图6）。

图6 用于油漆桶的多工位AGV

每次从货架上抓取4～6桶，再由潜伏式AGV运送到产线上，关键的是每当有没用完的油漆桶，可以由线边人员用PDA扫码枪录入到缓存库。这样AGV小车又会自动到线边拾取半桶的油漆桶存放在指定缓存库。整个运输出库入库以及管理过程没有人工犯错的机会，线边人员PDA扫码器和MCS系统指派任务的数据可以交互防错，这样就算是最复杂的500色彩笔，又有何难。

再聊一下成品仓，目前由于得力公司的宁海中央仓的完美运行，得力在下单给其下供货商的同时，会把包装外箱上的识别二维码同步发送给客户。这样得力在收到客户交货的时候，可以直接经过RFID通道门直接读取来料从而辨别物料的生产商、批次、货号等数据，然后直接由AGV运送到指定的货架。全程收货无需人工干预，只需要提前布置好周转的货架即可。这样一来，得力就大大缩小了自己仓库的容量，转而让供应商来承担这部分置物成本。

现在有很多的企业也开始了这个模式。比如大名鼎鼎的特斯拉上海工厂，在车间或者说厂区内并没有建设仓库，而是由卡车直接运载到车间，卡车直接将集装箱卸货到外部的DOCK上，再继续去运送下一趟物料。而在卡车去拉下一趟货物的这个过程中，车间内的AGV小车必须将刚刚卸下来的物料运送到车间每一个需要它的角落，特斯拉整个过程用流动仓库来代替固定仓库，而特斯拉的供应商则必须要在指定时间交货到特斯拉工厂的物流区，不能早更不能晚。

说回咱们铅笔制造工厂，最为上游的我们如何才能在这样的机制下最少地浪费储物空间呢？答案是用魔法打败魔法。举个例子，在收到XX客户二维码的同时，我们自身生产排产系统启动，直接把最终成品仓库的库位划分预留设置好。例：9月10—12日这三天，库位号A1-3、A1-5、A1-7这三个区域预留给客户XX。那么，每当包装完毕外箱贴好二维码的同时，PDA扫码会告知系统这单已经完成，那么整张订单的实时进度就可以同步给客户。

数字化管理也可以辅助生产达到交货期临近的时候入仓，这样能最大限度利用产能的同时节省储物周转区。铅笔行业的成品仓库平地仓和高位仓都有，不管存储的方式如何，基本上都是托盘+纸箱的包装方式为主，只需要叉取式AGV就能解决问题，简单而高效。仓库和车间不同，仓库的AGV运输可以采用24小时制，只要提前安排好任务机器人，预先利用夜晚时间来提前准备第二天所需要的物料就能不停地进行一个搬运工作，或者将发货的托盘运输到指定的周转区域。

这样，第二天工作人员一上班就可以把夜间AGV运送到周转区的货物，该拆分的拆分，该拼托的拼托。处理完后PDA扫码通知AGV把处理完的托盘再次返还货架，解决以往成品仓库工作人员上午比较空闲，下午发货却非常忙碌的一个状态。如此可以在降低人员工作强度的同时又提高了工作效率。人员只需要在周转区域工作，整个仓库内部都可以采取熄灯作业(一般只要用AGV进行搬运的工厂，仓库大多是熄灯作业)。所以说，仓库是最容易实现工业4.0的地方，智能仓储同样也是工业4.0的必备要素—被称为企业的“第三利润源”。

其实，当企业做到了物料仓、车间、成品仓的智能运输后就会发现，整个工厂的物流已经完全打通，数据的互通也形成了，自然而然就变成了智能化工厂。总的来说，ERP、MAS是一个企业的核心大脑，而AGV智能运输就是听从大脑指挥的手和脚，两者相辅相成，缺一不可。