AGV 物料轉運設備的應用研究

胡聲明

（株洲中車特種裝備科技有限公司，湖南株洲 412000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，在汽車生產的環(huán)節(jié)中，各種自動化設備相繼被加以應用，許多汽車企業(yè)都認為將自動化的設備全都應用到制造工藝環(huán)節(jié)才是最好的，物料的運轉在多數(shù)情況下還是依靠人力，這就導致了物流自動化仍處于低水平的階段，企業(yè)中的生產物流的成本較高。汽車白車身最關鍵的組成部分是頂蓋，大部分的主機工廠對質量和成本的掌控相對比較嚴格，所以加工都是場內自主。

1 AGV 物料轉運的現(xiàn)狀

由于人工智能與機器學習的快速發(fā)展，許多研究人員研發(fā)出了具有語義SLAM 系統(tǒng)的AGV（Automated Guided Vehicle，自動導引運輸車），這種小車可以在較小的空間內以毫米級精準移動，可以在任何地方進行移動，有較好的機動性能。

在近些年的發(fā)展中，自動導引運輸車在自動化運輸中的地位沒有可以超越的技術，AGV 的優(yōu)點主要是操作簡單、靈活度高、占用空間少并且移動靈活，憑借多種優(yōu)勢在自動化運輸中應用自如。計算機技術、互聯(lián)網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)技術的普及，加快了AGV 路徑規(guī)劃算法的智能化，在調度算法上也不斷完善。

2 自動物料轉運小車任務分配原則

從實際環(huán)境中使用自動物料轉運小車進行物料轉運工作的要求來看，分配物料轉運小車任務時，要按照最短路徑原則、最短工作時間、工作任務優(yōu)先級和綜合指標的四條原則進行。

2.1 最短路徑原則

最短路徑原則的意思可以理解成遵循小車在物料轉運時所行駛的路徑為最短路徑，在理論上認為的最短距離是物料轉運車在完成全部工作后行駛距離的總和。遵循最短路徑原則，調度系統(tǒng)在獲取任務信號過程中，調度系統(tǒng)的的第一步是結合任務的需求確定物料轉運車所在的位置，根據(jù)實際情況去形成合理有效的調度方案，然后再結合路徑規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃每個方案的路徑，將每一種方案中自動物料轉運小車的行駛的距離總和計算出來，挑選出最短路徑的方案。

在選擇最短路徑原則的調度方法進行自動物料轉運小車物料轉運時，往往會將環(huán)境內自動物料轉運小車的數(shù)量多的問題忽視掉，導致小車之間出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，這種情況小車就會停留等待，時間會有所浪費，這就代表挑選的最合理的調度方案在效率上卻不是太理想。

2.2 最短工作時間原則

最短路徑原則是指調度系統(tǒng)進行調度任務的工作時，考慮到物料轉運小車在進行物料運轉的過程中總時間不僅是行駛時間，還包括滯留時間以及沖突時間，效率不夠高，所以要讓系統(tǒng)更高效地完成工作任務，就要按照最短工作原則建立目標函數(shù)在最短時間內完成工作任務。另外物料轉運小車在物料運轉過程中的等待時間就是由堵塞原因所造成的沖突以及調度系統(tǒng)在安排物料轉運小車時間不合理的原因。

2.3 小車工作隊列最優(yōu)原則

小車工作隊列最優(yōu)原則內主要內容是，調度系統(tǒng)所接受的任務按照不同的任務隊列進行分配，保證調度系統(tǒng)運輸量的總和最高，按照小車工作隊列最優(yōu)原則所生成的調度方案主要有以下幾種：最小化出站隊列空間、最大化出站隊列長度方法等。這幾種方法應用在多載物料轉運車上比較合適。

2.4 綜合指標調度原則

綜合指標調度原則的主要內容是，綜合分析在所能聯(lián)想到的多項指標中，加入相對應的權重系數(shù)，任務需求和相應優(yōu)先級是決定權重系數(shù)的主要因素。在復合指標中，物料轉運車的利用率和行駛距離是最需要考慮的指標。在此過程中，對權重系數(shù)的調改是為了將水平達到理想狀態(tài)，另外還可以將此過程當做比較特殊的旅行商問題。

3 方案設計

根據(jù)以上問題將方案內容討論對比，在現(xiàn)場空間大小、工作效率、物流成本、設備柔性以及穩(wěn)定性、降低企業(yè)生產物流成本多方面進行了探討，最后的輸送方式確定為使用AGV，進一步將頂蓋總成件從分拼線到總拼線旁轉運工作落實。

根據(jù)分拼線下件的工位和主線上件工位位置作為自動的上下件可以看出，對AGV 所停位置在精度上有較高的要求，AGV的位置精度必須是±3 mm，針對這點所使用的導航方式是磁條導航；另外，AGV 和工件在工作過程都是需要進行橫向移動及旋轉功能的操作，所以AGV 采用舵輪形式。

因實際場地大小的限制，所留空間不利于料框的周轉，還需要3 臺AGV 的計入，為了保證AGV 跟料框在周轉過程中不分離，AGV 跟料框要一一相對應。

3.1 路徑規(guī)劃

3.1.1 全局路徑規(guī)劃

在對全局路徑進行規(guī)劃時，要按照原理去對已有的環(huán)境模型進行分析，制定出從起點到目標地最合理、最快、可行的路線方案。

全面的去考慮每一個AGV 的實際任務和實際狀況的重要性，來對當前AGV 所運行的路線做調改，這些問題都是需要全局規(guī)劃的，因此對AGV 全局路徑規(guī)劃時要進行動態(tài)路徑規(guī)劃。

3.1.2 局部路徑規(guī)劃

進行局部路徑規(guī)劃時，所處的環(huán)境是全部未知或部分未知的，通過物料小車的傳感器去判斷障礙物的各種信息，包括形狀、位置、尺寸等，根據(jù)多種信息制定一條可以順利移動的路徑?，F(xiàn)階段因為仿真和智能算法的進步發(fā)展，目前對AGV 局部路徑進行計算的方法主要有螞蟻群、遺傳算法等。

3.2 節(jié)拍計算

主線是按照45JPH 的節(jié)拍進行設計的，在設計過程中，設備考慮以及零件的質量產生的問題都是需要被考慮的因素，主線料框的切換時間因為單個設計節(jié)拍時間為72 s，分拼線單個節(jié)拍為68 s，必須要在72 s 內完成，分拼庫位滿框拉出到空框入到庫位也是同樣的原因必須在68 s 內完成。

所挑選的AGV 主要是自主設計的，所設計的最高速度可以達到1 m/min，在設計過程中考慮到安全和穩(wěn)定的因素，在設計運行速度時在滿足節(jié)拍需要的同時還要保證相對的低，由此可見，想要滿足節(jié)拍的標準需求，AGV 的平均運行速度可以按照0.22 m/min 設計：主線庫位以及分拼庫位的料框切換時間分別是68.3～72 s、60～68 s。

3.3 機械方案設計

在設計時運用的是牽引式AGV，它需要具備平移和旋轉的功能，因此必須將料框的4 個行走輪替換為萬向輪。AGV 的磁條式導航在定位時的精度要±10 mm，想要滿足精度為±3 mm的定位，就要在分拼工件下線以及主線工件上線，在主線庫位和分拼線庫位的位置處將料框導向和夾緊機構添加進去。AGV 與料框在正常工作的狀態(tài)中是沒有必要分離的，因此料掛完全可以采用固定式的掛靠機構。

3.4 電控方案設計

AGV 本體主要通過歐姆龍PLC 實現(xiàn)控制；AGV 跟AGV 或者庫位之間利用無線路由器進行信號交換工作，其中主線庫位和分拼線庫位，另外兩個庫位的連接方式為網(wǎng)橋鏈接，并且進行通信的都是路由器。以太網(wǎng)和硬接線雙冗余兩者的通信連接方式是歐姆龍PLC 跟線旁輸送設備連鎖信號經(jīng)常采用的方式，因為可以確保安全。

主線庫位料框中需要數(shù)量為0 的工件數(shù)的時候，需要物料的信號就會由系統(tǒng)發(fā)出，當需求信號傳送到PLC 后，AGV 就開始物料切換的工作，所執(zhí)行的步驟是將空框送出主線庫位，滿框送入。

3.5 電池充電

AGV 中所使用的電池全為容量40 A·h 的磷酸鐵鋰電池，當負載為1 t 牽引式連續(xù)運行時，完全可以到2.46 h，當電池的電量只有20%時，充到100%大約需要1.1 h，生產線全天運行時間長達22.5 h，但所制備的充電機只有一套，想要確保AGV 電池容量的能力完全可以支持生產線的運行，充電的形式要往在線充電方向考慮。

料框只有存放7 件工件的容量，并且每個AGV 從充電庫的位置到主線庫位位置出發(fā)也就是整個充電的周期為1 512 s，在每個周期所運行的時間為a1=48.1+39.1+35.3+25.5=148 s，對使用電量進行補償只需要在每個周期充電a2=44.8 s，AGV 在整個周期的時間內有a3=68×7-60-12=404 s 的充電時間，其中還包括充電桿伸縮的時間約12 s，由于a2＞a3，想要確保AGV 每天24 h 運行，可以安置一臺充電時間大于a3的充電機。

4 改造實施

此項目計劃要在原有生產線上落實，肯定會產生影響，所以要先對AGV 與AGV 之間的通信和邏輯進行測試，測試結束后，在現(xiàn)場中再進行改造測試。

4.1 現(xiàn)場實施

實際場地中主要實施步驟：①料框移動到相應位置后，有必要對料框進行夾緊操作，避免出現(xiàn)料框的位置不符合，現(xiàn)在夾緊操作是由自動氣控進行的；②安置充電機；③安置路由器和控制線布線以及網(wǎng)線；④電子標簽的粘貼以及鋪設磁條；⑤對設備進行調控以及對節(jié)拍調試、電控調試等。

4.2 AGV 運行速度

在設計過程中，只要平均速度0.22 m/min 就可達到需求，但在運行過程中需要考慮多方面的實際情況，像行走輪出現(xiàn)打滑問題，突然闖入的人員導致AGV 停止運行等都是需要考慮到的因素，因此，在對節(jié)拍進行設計時，在原有的基礎上空出5%，就可以使主線庫位以及分拼庫位單個料框切換的時間為64.9 s、57 s，在實際場地進行檢測調整，AGV 運行高速最后定為0.38 m/min，低速定為0.1 m/min。

5 結論

本篇文章主要是對頂蓋進行物料轉運操作過程中將人力由AGV 所替換，利用自動化率提高生產線效率做了分析，主要的目的是為了確保生產線能夠順利高效的運行，在生產線成本降低的同時也大面積推廣了AGV 的使用，為后期物流行業(yè)的發(fā)展提供了寶貴的技術支撐。