汽车KD包装工厂全自动捆扎缠膜生产线的应用研究

在国内国际双循环相互促进的新格局下，中国汽车制造企业锚定高质量发展，加速“出海”。根据中国汽车工业协会发布的数据，2023年上半年中国汽车出口234万台，同比增长73%，有望在今年超越日本成为全球第一大汽车出口国。

KD（Knocked Down“散件装配”）作为汽车出口的一种重要模式，是指汽车厂商将整车以全散装件或者半散装件的状态，出口到属地国家，并在属地国家开设工厂，最终装配成整车在属地国家进行销售。

为进一步拓展海外业务，吉利汽车制定了国际化发展战略及智能制造战略，着力推进KD包装工厂智慧化，探索多样化的智慧物流场景。其中具有代表性的场景包括以AMR作为输送系统的全自动捆扎缠膜生产线，它能够使作业人员从单调的重体力劳动中解放出来，有效提高生产效率、优化包装质量、控制运营成本，在包装行业内尤其是汽车KD包装领域具有可复制性和借鉴性。

1.传统捆扎缠膜业务特点

为保证出海的汽车KD零件在长距离内陆运输或海运过程中的可靠性，KD包装工厂作业过程对包装技术要求较高，比如，总装配套件一般采用纸箱加木托盘的单元化包装，要求贮存搬运过程中不得出现包装物倒塌、散落、脏污、受潮等货物损失，而捆扎缠膜工序正是维护配套件托盘包装质量的基础保障。

捆扎是指把单个包装物或多个包装物连同托盘用捆扎带捆紧扎牢以便于储运和装卸的一种包装作业。常见的捆扎方法有平行双道、井字等多种形式，捆扎带材料普遍选用具有良好的拉紧保持能力和柔韧性的聚酯（PET）或轻便、价廉的聚丙烯（PP）。因需要从托盘底部环绕包装物穿带且保证捆扎带不歪斜，故在人工模式下通常要两人配合作业。传统捆扎作业通常使用手提式气动捆扎机进行自动拉紧和焊接，但不能完全达到取代人工的效果。

缠膜是指通过缠绕膜粘性将各种外形规则或不规则的物料紧凑地包裹成一个整体，实现防水、防尘、防散落的功能。传统缠膜作业是利用人力对货物进行缠绕包装，作业人员需要双手握持缠绕膜并围绕包装物绕圈走动缠膜，效率较低、人机工程较差。且人工缠绕拉伸比低，耗材使用量大，缠膜结果不规整和均匀，易浪费缠绕膜材料。目前自走式缠膜机已应用于缠膜作业以替代部分人工，这种灵活性强的可移动设备借助导向轮对货物感知从而自动行走完成货物缠绕，但缠膜前后仍存在由人工叉车或手动托盘车进行货物转运的环节，无法适应大批量流水线生产。

2.导入智能化设备的必要性

智能化设备是智能工厂的核心硬件设施。围绕降本增效，各汽车制造商持续探索工厂全流程的智能化解决方案。但由于发展阶段不同的原因，KD包装工厂相比传统整车制造工厂在智能化设备应用方面还处于滞后的状态，其中捆扎、缠膜工序通常还是传统的劳动力密集场景。在人力成本上升、人口红利消失的大背景下，采用高效安全的捆扎缠膜技术方案与成套设备，正逐步被相关企业所认同。

(1)满足订单需求。海外市场订单增长迅速，KD包装工厂产能需求增大，亟需提升作业效率。传统捆扎缠膜工序耗费时间长，人工包装效率有限。车间需要投入大量的人力满足产量需求，但往往人员流动频繁且较难招聘到合适人员。通过引入智能化手段提升工厂包装产能、匹配市场需求，是KD业务可持续发展的必然选择。

(2)节约公司成本。随着国内劳动力成本的快速上涨，依靠劳动力和使用传统的包装手段已不能满足KD包装工厂降本增效的需要。自动捆扎机、自动缠膜机能在无人操作和辅助情况下自动完成预定的全部动作，配合物料输送系统，实现无人化的自动生产线，改变“作坊式”的作业模式。此外，智能化设备可以避免人工作业时对辅材消耗存在随意性和浪费的问题，并且在缠膜前能够将膜按照一定比例进行预拉伸，节省辅材。 

(3)保证作业质量。捆扎缠膜工序劳动强度大，作业人员在劳累或着急出货时，可能出现包装不过关、包装效果差等问题。现场员工技能的参差不齐、人员的频繁更替更是会导致作业结果的一致性不可控，因而物流运输过程中可能发生包装失效及产品损坏，带来质量管理和客户索赔的风险，严重影响了海外业务发展。

总之，利用成套设备进行全自动捆扎缠膜，相较于依靠劳动力进行人工捆扎缠膜，其优势如表1所示。

表1 全自动捆扎缠膜vs人工捆扎缠膜

借鉴电子业、食品业等行业经验，了解到其自动捆扎缠膜环节多为辊道输送的自动化作业线，如将该模式复制到KD包装场景下，货物上下辊道线仍需要由叉车配合作业。经过对叉取式设备的调研，行业内分为人工叉车和无人叉车，人工叉车模式存在工时浪费及安全风险，无人叉车在目前技术条件下的作业效率无法满足KD包装场景的生产节拍。

综合以上调研结果，吉利汽车引入新型的全自动捆扎缠膜生产线。该生产线基于自动捆扎缠膜设备的协作，配备安全防护设施，并通过AMR输送系统，实现工序间的无人搬运。该捆扎缠膜生产线可有效适应包装物尺寸的变化，顺畅衔接上下游，填补了国内包装行业在该领域的空白。       

1.设备选型

(1)自动捆扎机

自动捆扎机是采用机械传动和电气控制相结合，可连续或单次自动完成捆扎作业的智能设备。

因KD包装工厂配套件采用托盘集装捆扎的形式，故捆扎机采用穿箭式，即通过穿箭轨道使捆扎带能穿过托盘下面空隙形成闭环，将包装物和托盘捆扎成一个整体，且穿箭轨道须带光电侦测功能以防止障碍物损伤穿箭机构。此外，KD包装工厂内不同的配套件组托后的高度差异达到1000mm以上，宽窄差异达到500mm以上，顶捆型捆扎机相比侧捆型捆扎机更加匹配场景需求，其具体优势特征如表2所示。

表2 顶捆型捆扎机vs侧捆型捆扎机

顶捆穿箭式捆扎机主要由捆扎机头、升降平台、导带系统和电控系统组成。四个系统协调配合、相互协作。其中，机头负责完成捆扎的绝大部分工作，如送带、拉紧、切带、熔接等，是捆扎机的核心部件。考虑到聚酯（PET）作为捆扎带材料的优势，捆扎机需要适配PET捆扎带，规格型号通常选用1608。为确保恒定的捆扎带接口质量，搭接方式为高频摩擦熔接。捆扎效率可用单根捆扎时间来进行衡量，比如目前自动捆扎机产品的单根带捆扎时间通常控制在15～25s。  

匹配辊道式或链条式输送系统的捆扎机通常选用整机可移动式的，即在龙门架底部配套移动滑轨，整机可以根据捆扎位置和根数要求做移动。考虑到AMR本身可根据需要对移动与停止点位进行灵活定制，若采用AMR输送方案，捆扎缠膜线适宜选用更具有经济性的固定式捆扎机。另外，为满足部分行业产品高效率捆扎的需求，市场上已开发了双机头同时捆扎的高速捆扎机。但因为该类设备两根带同时捆扎的位置相对固定，在处理不同规格包装物时缺乏灵活性，因此，双机头不适用于KD包装工厂这种多规格混线包装的业务场景。

(2)自动缠膜机

自动缠绕机分转盘式、单摇臂、双摇臂、环形等多种类型的拉伸膜缠绕包装设备。KD包装工厂的物料单元通常尺寸差异较大，且部分存在重量轻、高度高的特点，故选型摇臂式的缠绕机，即物料单元不动的基础上，利用上端的回转臂机构围绕物料单元做旋转缠绕运动，同时拉伸机构调节缠绕膜的张力，把物料包装成紧固的整体，在包装物表面形成螺旋式规则的膜状包装外形。该类设备成本较环形缠膜机低，能够配合流水线形式，可与配套输送系统对接信号，实现无人化操作。

自动摇臂式缠膜机主要由主体框架、摇臂机构、膜架机构、切膜机构、夹膜机构、电控系统组成。主要具备以下几个特点：

第一是预拉伸送膜，缠绕机通过预拉伸膜架机构，将缠绕膜按照预先设定好的拉伸比例（如200%）拉伸后裹绕到托盘货物上。其优点是预拉伸后膜的韧性增加，缠绕包裹后的货物更稳固，降低缠绕膜的用量。

第二是效率高，理论上单悬臂的包装效率可以达到30托/h，双悬臂的包装效率可以达到45托/h，相比人工包装更省时省力。

第三是缠膜具有柔性、规范统一，缠膜机通过光电开关自动侦测包装物高度，从托盘叉孔上部完整缠绕至包装物顶部；通过PLC设定缠绕的层数，同时配合膜架的升降速度，可以节省缠绕膜的用量。

第四是缠膜过程无人化，夹紧膜后自动裹膜、烫膜与切膜，整个作业流自动循环，保证生产连贯性。

此外，为避免重量较轻的包装物在缠膜过程中被拉拽而发生倾倒，自动缠膜机须在货物上方配置压顶装置，可通过程序校验对某些较轻的物料单元进行选择性压顶。

(3)AMR搬运系统 

AMR是一种具有轮式底盘、自主导航系统、传感器、执行机构等装置的自主移动机器人。为满足托盘物料柔性输送需求，需要选择适配的AMR搬运机器人。

潜伏式AMR车身较低，可在有限的巷道空间中自由穿梭，并通过升降模块直接将载具连同物料单元顶升，实现自主载货与输送，适用于KD包装工厂的智能化作业。导航方式采用现阶段兼具稳定性与经济性的二维码导航，该模式下AMR使用二维码作为导航标记，通过扫描车间地面上预先粘贴的二维码，获取自身的位置并按照最优路径搬运物料。

该模式优点是可根据需要进行定制化和灵活性地部署，且当需要进行生产工艺的变更时，只需简单地进行系统地图的更改以及地面二维码的调整。AMR搬运系统与自动捆扎机、缠膜机构成的全自动捆扎缠膜生产线如图1所示。

图1 全自动捆扎缠膜生产线硬件布局

2.底层要素

技术应用要建立在对工艺与场景深入了解的基础上。因此，在自动捆扎缠膜流水线方案策划前，要对物流作业的底层要素进行充分识别与分析。

(1)物料单元

在KD工厂业务场景中，需要被处理的物料单元是根据包装技术方案组托完成的纸包装配套件。结合物料尺寸与集装箱配载因素，同一项目中包装尺寸通常统一为几种形式，如长宽为1140x980mm、1480x1140mm、2280x1480mm，高度在550～1530mm不等。为满足举升式AMR的转运要求，需根据物料单元规格定制AMR载具。全自动捆扎缠膜生产线尺寸则需要根据物料单元的包装规格和载具规格进行量身定做，如设备弓架宽度不得小于最大载具尺寸，高度不能低于运行过程中AMR举升货物后的总高度等。此外，不同种类的单托物料的重量在50kg～1500kg不等，AMR载具的承重能力与AMR型号需要与上线物料重量匹配。

除了物理特性，还需要考虑物料的信息特征与数量。信息标定可以有效帮助识别与管理物料。如每箱物料都有独特的身份标识，即二维码标签、涵盖物料编号、组托编号、重量等信息。依托KD智能制造系统（GKDMS）与AMR调度系统（RCS）之间的联动，作业人员可以使用手持终端扫描物料箱体上的二维码标识，呼叫AMR按照既定的任务路径执行搬运，进而与自动捆扎机、缠膜机配合完成相应尺寸包装物的捆扎缠膜。此外，物料的流量为智能设备的选型与规划提供了量化的数据依据，设备产能设计要充分考虑每小时平均产出量与峰值产出量。

(2)物料的搬运方式

托盘自动化输送系统是自动捆扎缠膜线的重要组成部分，它能够将上下游各作业工序衔接起来，满足批量连续生产。托盘自动化输送系统类型主要包括输送机模式和AMR模式。在该场景中AMR模式较传统输送机模式更具优势，如表3所示。

表3 输送机vs AMR模式

(3)物流作业环境

传统人工作业对环境因素要求较低，若导入自动捆扎缠膜线则需要对基本的环境条件进行评估，必要时对不利因素进行改善或规避。比如，AMR通过自由移动的方式在不同位置之间进行物料的搬运以及交互作业，通讯方式需要采用便捷的无线通讯，若车间网络强度达不到要求则需要增补无线接入点AP；地面的台阶高度、沟宽幅度会影响AMR的运行轨迹和使用寿命，若不满足要求则需要对地面进行施工整改。此外，捆扎缠膜设备会用到光电传感器进行物体的检测和识别，如果设备区域存在强烈的光线（如太阳光直射），会引起光电传感器的误判断，设备运行过程以及包装质量将产生偏移，因此生产线场地需要规避太阳直射的因素。

3．信息交互模式

全自动捆扎缠膜线的功能运行有赖于一定的信息化软硬件基础。软件层面，吉利汽车自研KD智能制造系统（GKDMS）、设备可编程控制器（PLC）及AMR调度系统三种系统程序在产线运行中相互配合。GKDMS系统发挥着连接其他两方的桥梁作用，它基于通讯协议引导着捆扎缠膜设备以及AMR完成各自的作业步骤。一方面，上位机即GKDMS系统会向设备PLC询问状态并发送控制指令，设备PLC需要立即将设备实时状态做信息回复，即双方按照一定数据格式进行“一问一答”。另一方面，GKDMS系统能够通过报文传输的形式向AMR调度系统下发搬运任务。AMR调度系统作为执行方，根据起点与终点信息规划最优路径，指引AMR执行搬运作业，并在任务完成后或任务进行过程中回传执行结果。GKDMS系统将根据回传结果信息即时更新数据，实现对包装工厂内物料单元运动的整体把握。而硬件层面，服务器、无线AP、手持终端PDA是实现系统功能运行与交互的重要物理条件。

随着物流作业智能化水平的提高，智能设备的安全性及效率水平日益成为衡量其优劣的重要标准。在导入自动捆扎缠膜生产线时，应充分考虑这两个因素。 

1.设备安全管理

自动捆扎缠膜线的设计需要考虑运行过程中的安全性，不能有对产品、设备、人身等方面造成危害的风险。首先，自动捆扎缠膜线区域必须配备足够的安全防护和安全保护装置，如安全防护围栏、安全光栅、安全门、安全锁等。在生产过程中机械设备的运转可能会产生危险，比如，自动捆扎机在送带及焊接前有机头下压动作，自动缠膜机在裹膜过程中悬臂会高速旋转。因此，使用安全防护围栏对设备区域进行有效分离，防止人员误入危险区域；使用安全光栅、安全门装置确保人员一旦进入设备区域时所有设备联锁报警停机；实施安全锁管理，避免安全门不慎闭合后设备开动的风险，同时限制非授权人员进入设备区域内。

2.设备效率管理

设备效率是指捆扎缠膜设备在单位时间内产出包装成品的能力，是设备的一项基本性能指标。自动捆扎缠膜线的高效运行需要多方面条件满足。

(1)机用辅材使用

使用合适的包装耗材是设备稳定运行的重要条件。比如，自动捆扎机的工作要以机用捆扎带作为耗材，而机用捆扎带在四项特性上区别于传统手工捆扎带：第一，捆扎带内侧必须配有不变形的纸芯管，否则影响带盘车正常送带，且建议采用20kg/卷的大小以适应人工换带操作；第二，捆扎带宽度和厚度不得超出指定公差，否则影响捆扎机头送退带以及焊接动作；第三，偏斜度不得超出指定范围，否则弯曲的捆扎带会较多地与带槽两侧的挡板或金属翅片相碰，最终卡滞在带槽内无法完成闭环动作；第四，抗撕裂性需要符合受力测试要求，否则捆扎带会在设备运行过程中发生开裂，进而影响送带成功率与捆扎质量。

因此，导入自动捆扎缠膜线后必须保证使用符合设备基本要求的机用捆扎带和机用缠绕膜。

(2)作业过程优化

自动捆扎机、缠膜机的常规工作时长（设备启动到作业结束且恢复到初始位置的总用时）并不完全是自动捆扎缠膜生产线效率的评判标准，而应该将物料单元申请进入捆扎缠膜设备，直到此物料单元离开设备且下一托可以进入的这段整体时间作为关注焦点。为优化生产节拍时间从而最大化设备效率，需要对捆扎、缠膜、搬运、系统交互等作业过程做颗粒度分析，找出可改善点。比如，在保证安全稳定的前提下，捆扎机机头在捆扎过程中可根据货物高度进行适度回升而非复位到顶，减少机头上升、下降的距离，进而减少单次捆扎时间；AMR方面则可以对设备作业区的“进货申请位”和“出货完成位”的位置进行优化，并对设备作业区以及外部区域的车速进行差异化设置，缩短节拍时间内花费在搬运过程的时长。此外，系统交互的单次时长通常以毫秒为单位，如果作业过程中存在明显的交互滞后时，需要调取日志对此环节的交互过程进行根因排查。

(3)设备维护保养

设备运行稳定性直接影响生产效率，高故障率、长停机时长无法满足KD包装工厂高节奏的生产需求。首先，设备供应商需要给客户交付完整的产品使用手册、技术文件，提供专业的实操培训，使客户的日常操作以及维护保养都有明确的流程与标准。使用方应落实操作人员的培养与储备，做好人员变更的交接。其次，设备的定期维护保养有利于及时排除问题。比如开班前使用气枪吹净捆扎机头内部附着灰尘以及捆扎带屑；定期清洁缠膜机光电开关和接近开关以避免灰尘干扰使设备误动作等。此外，要对设备中的易损零件，如加热丝、切刀、摩擦组件等，根据零件的使用寿命，提前储备备件，规避因备件短缺导致的设备停机发生。

在中国汽车行业“价格战”日趋白热化的背景下，KD出口是自主品牌汽车制造商“走出去”寻求海外新市场的重要方式，而KD包装工厂已逐渐成为KD出口业务的“桥头堡”。包装自动化能够有效满足订单需求、节约运营成本、保证作业质量，日趋成为KD包装工厂转型发展的重要基石。针对传统捆扎缠膜业务，若创新性导入全自动捆扎缠膜生产线，需要对设备选型、底层要素、信息交互模式进行深入研究。此外，要注意到安全与效率是自动化生产线的永恒主题。