AGV在冷軋磨輥間的應(yīng)用

薛棟梁，徐杰穎，謝仕鴻

(中冶南方工程技術(shù)有限公司上海分公司，上海 201900)

0 前言

隨著我國(guó)人力成本的不斷上升，降低人工成本，提高工廠的自動(dòng)化程度越來(lái)越受各企業(yè)的重視[1]。AGV作為一種自動(dòng)化的智能移栽設(shè)備，可以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，提高員工作業(yè)安全性，其使用效果已經(jīng)得到了普遍認(rèn)可，也在越來(lái)越多的行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)某鋼廠配有一臺(tái)十八輥單機(jī)架軋機(jī)，為滿足其工作輥和側(cè)支撐輥的磨削要求，磨輥間配置兩臺(tái)工作輥磨床，一臺(tái)為進(jìn)口全自動(dòng)工作輥磨床(108磨床)，可以自動(dòng)將舊輥從輥框內(nèi)吊上磨床，并將新輥從磨床上吊入輥框；另一臺(tái)磨床為國(guó)產(chǎn)半自動(dòng)工作輥磨床(107磨床)，使用半自動(dòng)懸臂吊進(jìn)行軋輥的吊運(yùn)。磨輥間所有的軋輥從軋機(jī)區(qū)域到磨床采用人工配合行車吊運(yùn)，卡車運(yùn)輸并叉車配合作業(yè)的方式，這種方式占用行車的有效作業(yè)時(shí)間，員工勞動(dòng)負(fù)荷較重，且經(jīng)常存在行車和卡車相互等待的情況，有效作業(yè)率低。為此，提出使用現(xiàn)代化的物流運(yùn)輸設(shè)備AGV，并結(jié)合立體庫(kù)的方法，實(shí)現(xiàn)軋輥的運(yùn)輸自動(dòng)化，作業(yè)無(wú)人化。

1 AGV小車設(shè)計(jì)

1.1 AGV小車性能指標(biāo)和外形設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況設(shè)計(jì)AGV小車的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 性能參數(shù)

本文因輥框的特殊性，AGV采用背馱式設(shè)計(jì)。為方便運(yùn)輸，軋輥放置在輥框內(nèi)，以輥框?yàn)閱卧M(jìn)行輸送，根據(jù)軋機(jī)的換輥需求，每個(gè)輥框放置5～6根軋輥。AGV運(yùn)輸輥框的外形圖如圖1所示。

圖1 AGV運(yùn)輸輥框外形圖(負(fù)載輥盒+6根工作輥)

1.2 AGV單車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，AGV單車結(jié)構(gòu)主要由車體、導(dǎo)航系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、舉升機(jī)構(gòu)等組成。

圖2 AGV單車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(1)車體。車體是AGV的軀體，由車架和相應(yīng)的機(jī)械電氣結(jié)構(gòu)等組成。車架必須根據(jù)承載重量、所載貨物形狀、移載機(jī)構(gòu)以及工廠布置狀況等進(jìn)行設(shè)計(jì)，以適應(yīng)物流系統(tǒng)的需要[2]。

(2)導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)主要解決AGV的定位問(wèn)題。AGV只有準(zhǔn)確判斷了自身位置及目標(biāo)位置，才能準(zhǔn)確無(wú)誤的到達(dá)目標(biāo)位置。常用的導(dǎo)引方式有電磁感應(yīng)導(dǎo)引、光發(fā)射導(dǎo)引、慣性導(dǎo)引、視覺(jué)導(dǎo)引、激光導(dǎo)引和磁導(dǎo)引[3-5]。本文由于磨輥間內(nèi)設(shè)備多，環(huán)境復(fù)雜，地面會(huì)有軋機(jī)乳化液及磨床過(guò)濾系統(tǒng)產(chǎn)生的油污，且物流交叉較多，需預(yù)留變化路徑的能力，因此選擇磁帶導(dǎo)引。

磁帶導(dǎo)航是通過(guò)在路面上貼磁帶，根據(jù)磁帶感應(yīng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛控制及導(dǎo)航的非常有應(yīng)用前景的技術(shù)。導(dǎo)航磁條鋪設(shè)好后，維護(hù)費(fèi)用非常低，使用壽命長(zhǎng)，且移動(dòng)、修改、增刪、變更路徑比較容易。磁導(dǎo)航具有很高的測(cè)量精度和良好的重復(fù)性，且不易受光線變化的影響，在運(yùn)行過(guò)程中，磁傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

(3)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)一般由車輪、電機(jī)、減速器、伺服控制器、調(diào)速器等組成，是一個(gè)伺服控制系統(tǒng)[6]。此系統(tǒng)一般由AGV的車載控制器來(lái)完成，車載控制器根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算出的控制量通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及調(diào)速裝置，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)AGV按照規(guī)劃的路徑前進(jìn)到達(dá)目的地。

本項(xiàng)目車輪采用雙舵輪驅(qū)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的AGV兩個(gè)車輪都裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)向電機(jī)及其動(dòng)力傳動(dòng)裝置。雙舵輪驅(qū)動(dòng)包括方位驅(qū)動(dòng)和回旋驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)車輪與車架通過(guò)承重回轉(zhuǎn)支撐活連接，其他車輪為隨動(dòng)輪，起承重作用。通過(guò)對(duì)兩個(gè)舵輪轉(zhuǎn)向角度的控制，可以實(shí)現(xiàn)AGV的360°回轉(zhuǎn)，從而縮小AGV在轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)空間。雙舵輪的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制，使得AGV可以實(shí)現(xiàn)任意角度的橫移功能。

(4)安全防護(hù)系統(tǒng)。AGV作為自動(dòng)化程度很高的一種設(shè)備，其安全措施至關(guān)重要，必須保證AGV在運(yùn)行過(guò)程中的自身安全，以及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的安全和人員及各類設(shè)備的安全[7]。本項(xiàng)目采用SICK激光避障傳感器，并裝有信號(hào)燈和聲音報(bào)警裝置。AGV運(yùn)行過(guò)程中，傳感器能檢測(cè)到AGV運(yùn)行方向一定范圍內(nèi)的障礙物，并進(jìn)行聲光報(bào)警提示，以提醒周圍的操作人員。AGV減速或者停止避讓時(shí)，障礙物移開(kāi)后AGV可以自動(dòng)啟動(dòng)。同時(shí)為了最大程度地保護(hù)磨輥間現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)人員、AGV和其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，在AGV前端加裝機(jī)械防撞保護(hù)裝置。當(dāng)AGV碰到障礙物時(shí)，機(jī)械防撞保護(hù)裝置內(nèi)置的微動(dòng)開(kāi)關(guān)會(huì)立即觸發(fā)，AGV緊急停車，當(dāng)障礙物移除并關(guān)閉急停開(kāi)關(guān)后，AGV才會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。

(5)電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)是AGV系統(tǒng)的動(dòng)力源泉，給設(shè)備運(yùn)行提供動(dòng)力。電源系統(tǒng)一般有24 V和48 V蓄電池兩種，種類有鉛酸電池、鎳鎘電池及鋰離子電池等。本項(xiàng)目采用48V磷酸鐵鋰電池進(jìn)行供電，磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。其循環(huán)壽命達(dá)到2 000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電使用，可達(dá)到3 500次，理論壽命達(dá)到7～8年。且磷酸鐵鋰電池?zé)o記憶效應(yīng)現(xiàn)象，電池?zé)o論處于什么狀態(tài)，可隨用隨充，無(wú)須放完電再充電。電池采用接觸式自動(dòng)充電系統(tǒng)，或者手動(dòng)進(jìn)行充電。

(6)舉升機(jī)構(gòu)。在AGV車體上部設(shè)置有舉升平臺(tái)，用以在運(yùn)輸時(shí)舉起托盤(pán)，舉升高度300 mm。舉升機(jī)構(gòu)采用電驅(qū)動(dòng)。

2 AGV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 AGV控制系統(tǒng)

AGV控制系統(tǒng)示意圖如圖3所示。AGV控制系統(tǒng)是AGV輸送系統(tǒng)的核心，包括AGV中央控制系統(tǒng)和AGV小車控制系統(tǒng)兩部分，兩部分之間采用無(wú)線通訊。AGV中央控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)AGV對(duì)外的聯(lián)絡(luò)，和WMS立體倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，與各工位之間采用無(wú)線通訊，與磨床裝卸設(shè)備控制系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS DP進(jìn)行通訊。AGV小車控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成AGV的日常任務(wù)的執(zhí)行、導(dǎo)航和充電，以及各種傳感器和執(zhí)行器的接口，始終保持與AGV中央控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，接收和發(fā)送AGV任務(wù)和工作狀態(tài)。

圖3 AGV控制系統(tǒng)示意圖

2.2 AGV控制系統(tǒng)主要功能

(1)調(diào)度管理功能。調(diào)度管理主要包括任務(wù)管理、車輛管理、交通管理、通訊管理等。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。全動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示AGV系統(tǒng)中各臺(tái)AGV小車的工作位置及運(yùn)行狀態(tài)，并顯示各作業(yè)點(diǎn)、充電點(diǎn)的占用信息；查看AGV小車的車載控制器的狀態(tài)，跟蹤指定的AGV小車，取消不在系統(tǒng)中的AGV小車，釋放多臺(tái)AGV小車之間的堵塞；并可通過(guò)圖形監(jiān)控界面直接下達(dá)任務(wù)。

(3)路徑變更功能。能夠根據(jù)要求快速變更AGV小車運(yùn)行的路徑及設(shè)定，包括運(yùn)行路徑和取卸貨站臺(tái)位置點(diǎn)的移動(dòng)、修改、增刪、站臺(tái)設(shè)置的修改等。

(4)無(wú)線局域網(wǎng)通訊系統(tǒng)。AGV車載控制器和中央控制器之間采用無(wú)線通訊方式，中央控制器依靠無(wú)線局域網(wǎng)向車載控制器發(fā)出系統(tǒng)控制指令，任務(wù)調(diào)度指令，避碰調(diào)度指令。中央控制器同時(shí)可接收AGV車載控制器發(fā)出的通訊信號(hào)。AGV車載控制器依靠無(wú)線局域網(wǎng)向中央控制器報(bào)告各類指令的執(zhí)行情況、AGV當(dāng)前的位置及AGV當(dāng)前的狀態(tài)。

(5)AGV管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)。AGV管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)是AGV地面控制系統(tǒng)的核心，它主要運(yùn)行AGV系統(tǒng)管理調(diào)度軟件、AGV監(jiān)控軟件、遠(yuǎn)程IO控制軟件及AGV調(diào)度接口軟件等，AGV管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)與其它設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)達(dá)到了數(shù)據(jù)通訊的功能。

(6)在線自動(dòng)充電功能。在線自動(dòng)充電系統(tǒng)由地面充電機(jī)、AGV電量檢測(cè)裝置和充電管理系統(tǒng)構(gòu)成。AGV在運(yùn)行過(guò)程中電量檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的放電量，當(dāng)放電量達(dá)到指定的數(shù)值時(shí)，產(chǎn)生充電申請(qǐng)。AGV通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)向中央控制器提出充電申請(qǐng)，由中央控制器調(diào)度AGV到達(dá)充電站進(jìn)行充電；充電機(jī)是全自動(dòng)的，充電機(jī)可自動(dòng)完成電池電壓檢測(cè)、恒流充電、恒壓充電，按標(biāo)準(zhǔn)充電曲線完成整個(gè)充電過(guò)程。

3 輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周邊輸送系統(tǒng)主要是在AGV的自動(dòng)上下料位置，這些設(shè)備在與AGV進(jìn)行交接貨物時(shí)，在系統(tǒng)監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的互鎖和協(xié)調(diào)。

在本項(xiàng)目中由于托盤(pán)最終的定位精度為±2 mm，而AGV的導(dǎo)航精度和定位精度均為±10 mm，所以需要周邊輸送系統(tǒng)來(lái)完成最終的定位。周邊輸送系統(tǒng)包括：軋機(jī)區(qū)域交換輥架；立體庫(kù)出、入(取、送)口設(shè)置的交換輥架，取、送托盤(pán)時(shí)，托盤(pán)就放置在此支架上；磨床附近的交貨輥架等。

采用二次機(jī)械定位的方式，AGV與交換輥架對(duì)接結(jié)構(gòu)，如圖4所示。交換輥架上留有與托盤(pán)相配合的錐孔，托盤(pán)在下落到交換輥架的過(guò)程中，托盤(pán)上的錐銷慢慢滑入與之相配合的錐孔，達(dá)到保證定位精度的目的。

圖4 AGV與交換輥架對(duì)接結(jié)構(gòu)圖

4 AGV在磨輥間的應(yīng)用

磨輥間AGV物流運(yùn)輸情況，如圖5所示。軋輥的運(yùn)輸以輥框?yàn)榛締卧?，每個(gè)輥框內(nèi)放置5～6根工作輥或側(cè)支撐輥，使用AGV將舊輥從軋機(jī)區(qū)域運(yùn)輸至立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)；然后再?gòu)牧Ⅲw倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸至磨床進(jìn)行磨削；之后AGV再將磨削好的新輥運(yùn)輸至立體倉(cāng)庫(kù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，根據(jù)軋機(jī)的需要將磨削好的新輥運(yùn)輸至軋機(jī)區(qū)域。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的自動(dòng)化，設(shè)置多個(gè)交換輥架，AGV可將輥框自動(dòng)放置在交換輥架上并從交換輥架上自動(dòng)運(yùn)走。

圖5 AGV物流示意圖

磨輥間AGV運(yùn)輸軋輥的具體步驟：

(1)舊輥從單機(jī)架運(yùn)輸至立庫(kù)。操作人員在呼叫終端呼叫所需AGV，計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)依照指令自動(dòng)調(diào)度相應(yīng)的AGV小車前往對(duì)應(yīng)站點(diǎn)，將舊輥從交換輥架自動(dòng)取出，沿已經(jīng)規(guī)劃好的固定路徑運(yùn)送至磨輥間立體庫(kù)。

(2)舊輥從立體庫(kù)運(yùn)輸至磨床(107/108磨床)。AGV中央控制系統(tǒng)依照由ERP系統(tǒng)或立體倉(cāng)庫(kù)中控中心發(fā)出的指令，按照一定的出庫(kù)原則選定出庫(kù)貨物，由堆垛機(jī)把貨物從貨格中取出送至立庫(kù)區(qū)的交換輥架上，然后WMS系統(tǒng)產(chǎn)生出庫(kù)任務(wù)并將任務(wù)送到AGV中央控制系統(tǒng)，AGV中央控制系統(tǒng)分配AGV取貨，按規(guī)定的路線將軋輥放到相應(yīng)的磨床區(qū)域。

(3)新輥從磨床運(yùn)輸至立體庫(kù)。軋輥磨削完成后，磨床將完成信號(hào)傳到AGV中央控制系統(tǒng)，AGV中央控制系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生配送任務(wù)，AGV到達(dá)磨床取貨，然后按規(guī)定的路線自動(dòng)將貨物運(yùn)送至立庫(kù)區(qū)的交換輥架上，堆垛機(jī)收到貨物到達(dá)信息后，自動(dòng)將貨物入庫(kù)，放入系統(tǒng)分配的庫(kù)位。

(4)新輥從立庫(kù)輸送至軋機(jī)區(qū)。新輥由立體庫(kù)區(qū)的堆垛機(jī)取件放置在出庫(kù)工位交換輥架上，然后通過(guò)立體庫(kù)的倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)產(chǎn)出成品出庫(kù)任務(wù)，然后出庫(kù)任務(wù)傳送到AGV中央管理系統(tǒng)，AGV中央控制系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生AGV配送任務(wù)；由該系統(tǒng)分配AGV執(zhí)行任務(wù)。AGV小車到達(dá)出庫(kù)工位進(jìn)行自動(dòng)取料，沿著已規(guī)劃的路徑運(yùn)輸?shù)杰垯C(jī)區(qū)域。

(5)新輥配對(duì)。AGV將需要配對(duì)的新輥，從108磨床自動(dòng)運(yùn)輸至107磨床，采用107磨床的懸臂吊進(jìn)行人工配對(duì)。

(6)AGV自動(dòng)充電。規(guī)劃1個(gè)AGV自動(dòng)充電區(qū)，每個(gè)充電區(qū)配置2個(gè)自動(dòng)充電結(jié)構(gòu)和2套自動(dòng)充電機(jī)。當(dāng)無(wú)作業(yè)請(qǐng)求時(shí)，AGV向中央控制系統(tǒng)發(fā)送復(fù)位請(qǐng)求，AGV自動(dòng)返回停車區(qū)或充電區(qū)自動(dòng)充電。

5 結(jié)束語(yǔ)

AGV在現(xiàn)代制造車間應(yīng)用比較多，在鋼鐵行業(yè)冷軋磨輥間使用尚屬首次，本項(xiàng)目采用重載AGV，可降低物料運(yùn)輸成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，減少貨物處理和信息處理過(guò)程的差錯(cuò)并合理有效地結(jié)合庫(kù)存管理，提高管理水平，提升企業(yè)的安會(huì)性，降低企業(yè)事故的發(fā)生率。隨著技術(shù)的發(fā)展，重載型AGV在現(xiàn)代制造車間中會(huì)有越來(lái)越多的應(yīng)用價(jià)值。