數(shù)字化總裝車間智能物流配送系統(tǒng)的應(yīng)用

盧揚揚，戴勇波，范秀斌

（北京星航機電裝備有限公司，北京 100074）

數(shù)字化總裝車間智能物流配送系統(tǒng)的應(yīng)用

盧揚揚，戴勇波，范秀斌

（北京星航機電裝備有限公司，北京 100074）

航天器的裝配技術(shù)是航天制造技術(shù)的重要組成部分，基于數(shù)字化制造模式下的柔性裝配技術(shù)，是實現(xiàn)航天產(chǎn)品快速高效研制的有效途徑。針對航天產(chǎn)品總裝過程中要實現(xiàn)自動化、數(shù)字化裝配的要求，設(shè)計了基于麥克納姆輪視覺導(dǎo)航技術(shù)的物料配送系統(tǒng)，在調(diào)度管理系統(tǒng)路徑規(guī)劃下完成部件、成件和產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運、自動對接等任務(wù)。

數(shù)字化；裝配；麥克納姆輪；自主導(dǎo)航；調(diào)度系統(tǒng)

0 引言

數(shù)字化裝配系統(tǒng)需要完成對部件、成件，標(biāo)準(zhǔn)件的安裝及轉(zhuǎn)運的任務(wù)。數(shù)字化裝配系統(tǒng)包含裝配工作站和全向智能轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，裝配工作站完成產(chǎn)品總裝過程的生產(chǎn)準(zhǔn)備及部件對接、分系統(tǒng)及成件安裝等工作內(nèi)容。智能物流配送系統(tǒng)完成部件、成件及產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運任務(wù)。

圖1 裝配系統(tǒng)安裝工序及物料轉(zhuǎn)運圖

數(shù)字化裝配系統(tǒng)從零部件出庫到產(chǎn)品入庫，實現(xiàn)了智能轉(zhuǎn)運、自動化裝配，具有以下功能：

1）數(shù)字化裝配工作臺能夠完成部件的自動對接，成件的自動裝配。

2）全向智能轉(zhuǎn)運車具有遙控和自主導(dǎo)航功能，庫房有三個區(qū)域即部件庫房，成件、標(biāo)準(zhǔn)件庫房和產(chǎn)品庫房，智能轉(zhuǎn)運車需要完成不同轉(zhuǎn)運導(dǎo)航功能。

3）全向智能轉(zhuǎn)運車導(dǎo)航到達(dá)工位處能夠完成與工位自動對接。

4）裝配工位產(chǎn)品實現(xiàn)360°自動清倉。

1 智能物流配送系統(tǒng)原理

智能物流配送系統(tǒng)包含全向智能轉(zhuǎn)運車平臺，主控調(diào)度系統(tǒng)，自主導(dǎo)航系統(tǒng)，安全防撞系統(tǒng)等，物流配送系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1）全向車智能轉(zhuǎn)運平臺包含車體及車架、控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和無線遙控系統(tǒng)。

2）主控調(diào)度系統(tǒng)完成多臺車轉(zhuǎn)運調(diào)度及在線監(jiān)控的功能。

3）自主導(dǎo)航系統(tǒng)通過視覺傳感器實時測量地面顏色帶的角度和偏移量，并反饋到車體控制器中。

4）自動對接系統(tǒng)完成車體與工位導(dǎo)軌的精確對接，部件及產(chǎn)品能夠順利渡過。

5）安全防撞系統(tǒng)能夠測量障礙物距離進行減速或停止。

2 全向智能轉(zhuǎn)運車平臺原理

全向智能轉(zhuǎn)運車采用麥克納姆輪設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)前后，左右和原地旋轉(zhuǎn)的運動，既能滿足空間狹窄車間艙段及成件的轉(zhuǎn)運，又能滿足物料自主導(dǎo)航配送。要實現(xiàn)車體全方位運動必須四個麥克納姆輪組合運動完成，動力系統(tǒng)是通過48V200AH電池組逆變成220V給伺服驅(qū)動輪供電，其運動分析[1]如圖3所示。

圖2 物流轉(zhuǎn)運車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 麥克納姆輪全向車結(jié)構(gòu)圖

通過以車體中心為原點建立xoy坐標(biāo)系，其中ω為小車以O(shè)點為中心的角速度且令順時針方向為正，v'ixv'iy為x'o'y'坐標(biāo)系下點O'點的廣義速度，ωi為輪子角速度，vig為輥子（小輪）的速度，α為輥子（小輪）軸中心線與輪子的軸中心線的夾角，r為輪子半徑，得到輪轉(zhuǎn)速到中心的逆運動學(xué)公式如下：

其中r=0.2m，lx=0.75m，ly=1.4m，可得：

通過設(shè)定車體vx，vy，ω可以推算出個輪子的角速度，從而可以實現(xiàn)全方向移動。

當(dāng)車體實現(xiàn)前進后退時，令vx=0，ω=0得出：ω1=ω2=ω3=ω4；

當(dāng)車體實現(xiàn)左右橫移時，令vy=0，ω=0得出：ω1=-ω2=-ω3=ω4；

當(dāng)車體實現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)時，令：

得出：-ω1=ω2=-ω3=ω4。

3 自主導(dǎo)航系統(tǒng)

全向智能轉(zhuǎn)運車搭載自主導(dǎo)航系統(tǒng)可以實現(xiàn)從庫房到工位間的自動轉(zhuǎn)運，導(dǎo)航系統(tǒng)采用視覺導(dǎo)航原理，通過實時上傳車體位置信息，車載控制器根據(jù)姿態(tài)實時調(diào)整車體位置，圖4為導(dǎo)航控制結(jié)構(gòu)原理圖。

圖4 導(dǎo)航控制結(jié)構(gòu)原理圖

視覺導(dǎo)航傳感器安裝在車體中心位置O2處，通過實時掃描地面顏色帶計算車體中心位置與顏色帶中心左右相對偏差值d和偏轉(zhuǎn)角度α，導(dǎo)航傳感器每40ms左右反饋偏差值和和角度到控制器里。

根據(jù)現(xiàn)場測試得出車體行走既要保證穩(wěn)定又要保證精度，控制精度越高，調(diào)節(jié)頻率越大，車體易出現(xiàn)抖動不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此在控制算法中加上帶死區(qū)的PID控制[2]：

1）當(dāng)d≤｜4∣，α=0時，不進行調(diào)節(jié)控制；

2）當(dāng)d≤∣4∣，α≠0時，只進行角度調(diào)節(jié)，左右不調(diào)節(jié)；

3）當(dāng)d≥∣4∣，α=0時，只進行左右調(diào)節(jié)，角度不調(diào)節(jié)；

4）當(dāng)d≥∣4∣，α≠0時，左右、角度同時進行調(diào)節(jié)；

5）當(dāng)d≥∣30∣，α≥∣6∣時，超出導(dǎo)航控制范圍，停止運動。

根據(jù)五種情況列出程序流程圖如圖5所示。

圖5 導(dǎo)航控制流程圖

4 自動對接系統(tǒng)

在轉(zhuǎn)運車導(dǎo)航控制站點中，部件上工位，產(chǎn)品下工位等需要轉(zhuǎn)運車導(dǎo)軌與工位到位自動對接，完成部件及產(chǎn)品通過導(dǎo)軌上工位，由于導(dǎo)軌對接精度需要保證在±0.5mm范圍內(nèi)，目前視覺導(dǎo)航系統(tǒng)在1mm左右，因此需要輔助對接傳感器系統(tǒng)完成末端自動對接功能。

在車架前端安裝三個激光位移型傳感器，其中測量范圍為100±35mm，測量精度為70μm，圖6為自動對接原理圖，其中D1為傳感器1測量車架前端面到工位的距離，D2為傳感器2測量車架前端面到工位的距離，D3為傳感器3測量車架到工位側(cè)面偏移的距離，可以得出：

其中D作為車頭角度偏移誤差值，D'作為車架與工位左右偏移誤差值，根據(jù)測量角度與左右偏移誤差值來進行調(diào)節(jié)車體自轉(zhuǎn)與橫移，完成自動對接。

圖6 自動對接原理圖

5 主控調(diào)度系統(tǒng)

主控調(diào)度不僅可以對每臺轉(zhuǎn)運車進行路徑設(shè)置，還可以實時監(jiān)測車達(dá)到位置，下一站點等信息。路徑設(shè)置界面中具有實際路線圖，紅色閃爍表示當(dāng)前站點，點擊站點號設(shè)置為終點，啟動導(dǎo)航按鈕全向車開始運動，界面路徑設(shè)置圖如圖7所示。

圖7 主控調(diào)度系統(tǒng)路徑設(shè)置界面圖

1）部件轉(zhuǎn)運起點為1號，目的站點為5、8、9、13、15號站點。

2）成件及標(biāo)準(zhǔn)件起點為7號，?？空军c為8、9號站點。

3）產(chǎn)品轉(zhuǎn)運起點為15號站點，?？空军c為18～27號站點。

4）起點為黃色，當(dāng)前站點顯示紅色閃爍，終點為綠色，車體移動到每個站點都可以實時監(jiān)測到。

6 安全防撞系統(tǒng)

全向智能轉(zhuǎn)運車在轉(zhuǎn)運過程中，需要前后安裝安全防撞系統(tǒng)，紅外光電掃描避障傳感器選用北陽PBS-03JN，掃描角度為180°，寬度為2m，長度為0.2～3m可調(diào)，傳感器具有三路檢測輸出，每路輸出都可以設(shè)定檢測區(qū)域。

1）避障傳感器設(shè)定兩個信號輸出范圍，1.5×2m范圍為警告減速區(qū)域，0.7×2m范圍為停止區(qū)域。

2）導(dǎo)航過程中如遇到前后端任一傳感器到達(dá)減速區(qū)時，車體開始減速，障礙物撤離后繼續(xù)按導(dǎo)航速度行走。

3）當(dāng)遇到障礙物在停止區(qū)域時，車體立即停止報警，直到障礙物撤離繼續(xù)導(dǎo)航。

7 結(jié)束語

基于麥克納姆輪的視覺導(dǎo)航物流配送系統(tǒng)經(jīng)過在現(xiàn)場測試，得到以下結(jié)論：

1）采用顏色條與二維碼組合方式實現(xiàn)導(dǎo)航行走及轉(zhuǎn)彎；

2）滿載2t產(chǎn)品導(dǎo)航精度達(dá)到±3mm，原地轉(zhuǎn)彎精度達(dá)到±6mm；

3）轉(zhuǎn)運車與裝配工位自動對接精度左右0.5mm，偏角0.5mm，部件產(chǎn)品托架能夠順暢平穩(wěn)度過對接區(qū)域；

4）安全防撞系統(tǒng)安全可靠，遇到障礙物能夠及時停止運動；

5）通過設(shè)定轉(zhuǎn)運速度，能夠滿足生產(chǎn)裝配節(jié)拍，調(diào)度系統(tǒng)路徑優(yōu)化合理。

圖8為全向智能轉(zhuǎn)運車攜3m托架與工位對接現(xiàn)場圖片，通過現(xiàn)場不斷測試得出總裝數(shù)字化裝配轉(zhuǎn)運系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無人自動化轉(zhuǎn)運，降低了勞動成本，提高了生產(chǎn)裝配效率，特別是對大尺寸部件產(chǎn)品來說具有一定的應(yīng)用價值。

圖8 全向智能轉(zhuǎn)運車現(xiàn)場圖片

[1] 楊文軍,毛玉良.Mecanum輪移動機器人循跡控制及調(diào)度研究[D].東南大學(xué),2014.

[2] 蔣慧略,周忠海,蔣慧.廉月仙.數(shù)字PID控制的改進算法[J].中國水運月刊,2008.06,08(6):117-118.

The intelligent logistics system research in digital fnal assembly workshop

LU Yang-yang, DAI Yong-bo, FAN Xiu-bin

TP242.2

：A

1009-0134(2017)06-0012-03

2017-01-09

盧揚揚（1986 -），男，山東棗莊人，碩士，主要從事非標(biāo)裝備設(shè)計的研究。