物流自動化技術(shù)在機械加工中的應用

王莉 楊京兆 孟清 臧曉偉

（1上海市計量測試技術(shù)研究院，上海 201203；2活字科技（杭州）有限公司，杭州 310052）

0 引言

目前國內(nèi)的機械加工，很多仍是通過人工作業(yè)進行物流搬運的，這不僅存在物流搬運誤操作的風險，且效率低下。本研究利用無人搬運車（Automated Guided Vehicle,AGV)、關(guān)節(jié)機器人技術(shù)以及信息物理系統(tǒng)來實現(xiàn)機械加工中更為理想的智能自動化物流來替代人工。

1 原理介紹

1.1 AGV

AGV是指備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規(guī)定的導引路徑行駛，并具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。其特點是：無需駕駛員；將可充電的蓄電池作為動力來源。

通常，可使用電腦控制AGV的行進路線及行為，或?qū)㈦姶跑壍溃╡lectromagnetic path-following system)黏貼在地板上，AGV則依循電磁軌道所帶來的訊息進行移動和動作。

AGV的特征是輪式移動，較步行、爬行或其他非輪式的移動機器人具有行動快捷、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可控性強、安全性好等優(yōu)勢。

1.2 關(guān)節(jié)機器人

關(guān)節(jié)機器人（Robot joints)又稱關(guān)節(jié)手臂機器人或關(guān)節(jié)機械手臂，是當今工業(yè)領(lǐng)域中最常見的工業(yè)機器人的形態(tài)之一。自動化物流中，通過關(guān)節(jié)機器人搬運來連接加工中心與AGV，其優(yōu)點是運動速度可控，距離、時間可預設(shè)，搬運精準；結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大而安裝占地面積小；無需導軌，易密封，摩擦小，慣性小，可靠性高；所需關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩小，能量消耗較??；替代人力無法完成、有害身體健康的工作。

1.3 信息物理系統(tǒng)

信息物理系統(tǒng)（CPS)是一個綜合計算、網(wǎng)絡和物理環(huán)境的多維復雜系統(tǒng)；是計算進程和物理進程的統(tǒng)一體；是集成計算、通信與控制于一體的智能系統(tǒng)。通過3C(Computing,Communication,Control)技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務。CPS可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實時協(xié)同，具有更廣泛的應用前景。

2 零件運送規(guī)劃

以鏈輪生產(chǎn)加工為例，每一臺車床需要設(shè)置三處工位以供AGV運送車使用。第一處為車床零件料倉，第二處為尺寸檢測臺，第三處為空料倉存儲點。AGV小車沿著設(shè)定好的路徑（在車間地面用白色油漆標識）前往車床零件料倉處，裝載盛放待檢測零件的料倉，然后將其運送至尺寸檢測臺處，卸載料倉?？蛰d的AGV小車會繼續(xù)行駛到空料倉存儲點，裝載空的料倉，然后將其運送至車床零件料倉處。在車床零件料倉處，通過自動裝置，空料倉接入車床的零件出口，原來盛放零件的料倉則被AGV小車裝載，運往尺寸檢測臺，從而完成一個循環(huán)動作。檢測臺不斷檢測零件，并將其分類。料倉被清空后，可以集中運送至空料倉處，亦可以由另一輛AGV依次將其運送至空倉處。AGV從檢測臺運送檢測合格零件到打包處的流程，以及將檢驗不合格零件運送到次品處理處的流程與上述流程相似。

應用雙向AGV快速導入可以替代人工重復往返生產(chǎn)線，極大地提高了運送效率，縮短了運送時間。在具體實施上可以由人工負責物料準備或者由工業(yè)機器人完成裝料、卸料的動作，AGV負責物料上線、空料車回庫工作。AGV能有效降低通道占有，節(jié)約空間，同時具備操作方便、控制簡單、運行可靠等優(yōu)勢。

3 上下料規(guī)劃

關(guān)節(jié)機器人控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度、加減速度等。控制系統(tǒng)可根據(jù)上下料等動作要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。首先要編制程序加以存儲，然后根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手臂進行工作。通過嵌入在機械手臂中的微型計算機，可以實現(xiàn)程序的快速改變和適應，并能讓關(guān)節(jié)機器人完成復雜而又精確的動作。

將機械手臂的末端加裝工業(yè)相機，在抓取零件時自動識別工件類型，并根據(jù)類型不同選擇不同的上下料程序。同時將工件信息數(shù)據(jù)傳遞給測量工位，使之接下來可以調(diào)整識別模板與零件測量位置。機械手臂末端的工業(yè)相機具有零件定位的作用，可通過機器視覺校正位置誤差，實現(xiàn)上下料與初始檢測工位放置等操作。

4 信息物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集傳輸

鏈輪生產(chǎn)中信息物理系統(tǒng)的構(gòu)成是將生產(chǎn)車間中的車床、鏈輪全檢工位、AGV小車、無人貨架等關(guān)鍵位置以及核心控制系統(tǒng)中部署或者嵌入各類傳感器如電流電壓傳感器、溫濕度傳感器、光電計數(shù)傳感器、壓力傳感器、紅外感應傳感器等，實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)、生產(chǎn)速度、產(chǎn)品良品率等數(shù)據(jù)進行實時采集，并通過RTU、DTU、網(wǎng)關(guān)主機、工業(yè)路由器等上傳至企業(yè)中央服務器中。同時，HMI人機交互界面、SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、操作記錄、使用情況等信息也會通過網(wǎng)線連接至工業(yè)路由器，上傳至企業(yè)中央服務器中。在企業(yè)的中央服務器中，會部署云平臺應用，提供豐富的數(shù)據(jù)分析、調(diào)用接口，進而開發(fā)應用級軟件，例如Web端應用、微信小程序、PC客戶端等。

傳感器工廠生產(chǎn)現(xiàn)場需要安裝大量的傳感器來感知每個工序的生產(chǎn)參數(shù)，PLC采集傳感器并進行判斷給出反饋輸出PLC，再和其他儀表、電表、HMI一同接入SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地匯總。

PLC采集傳感器并進行判斷給出反饋輸出；HMI實現(xiàn)人機交互、邏輯計算、報警、控制；SCADA實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地監(jiān)控、匯總、計算、分析，及時響應設(shè)備數(shù)據(jù)請求和控制設(shè)備行為；有效解決工業(yè)數(shù)據(jù)調(diào)度的一致性與完整性問題。

5 結(jié)語

綜上所述，利用AGV、關(guān)節(jié)機器人技術(shù)以及信息物理系統(tǒng)在機械加工中進行更為理想的自動化物流的優(yōu)點是：1）活動區(qū)域無需鋪設(shè)軌道、支座架等固定裝置，不受場地、道路和空間的限制，在自動化物流系統(tǒng)中，能充分地體現(xiàn)自動性和柔性，實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、靈活的無人化生產(chǎn)；2）結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大而安裝占地面積?。?）可以優(yōu)化設(shè)備的使用頻率，并替代人工；4）更安全、可靠、高效、實時地檢測或者控制一個物理實體。