某汽車工廠IPU分裝線搬送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭 峻

（湖北省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院，武漢 430070）

自動導(dǎo)引小車（Automated Guided Vehicle，AGV）通常也簡稱為小車，指在工業(yè)應(yīng)用中，裝備有自動導(dǎo)航裝置。按照預(yù)設(shè)的導(dǎo)引路線，沿著受控的導(dǎo)航路徑行駛，且具有安全保護(hù)裝置，以及擁有各種移載功能的不需要操作者的運(yùn)輸搬運(yùn)車。它一般都是以可充電的電池為其動力來源，通過電腦來管理其行進(jìn)方向、行為等，也可利用可感知的軌道規(guī)劃其行進(jìn)路線[1]?？筛兄能壍婪笤O(shè)于地面或地下，依靠這個軌道所帶來的傳感信息進(jìn)行移動或動作。

目前，我國的汽車整車制造業(yè)發(fā)展迅速，帶動了各大汽車整車制造集團(tuán)的新建或者擴(kuò)建。AGV技術(shù)也在汽車裝配制造業(yè)自動搬運(yùn)、物流運(yùn)輸方面不斷得以應(yīng)用。其中，總裝車間主要是使用生產(chǎn)流水線，負(fù)責(zé)將整個車身與底盤、內(nèi)飾與外飾、動力總成等部件進(jìn)行整體安裝。這個過程中，需要技術(shù)人員與操作者互相配合，將大量零部件依照工藝要求組裝成為一輛整車。

汽車總裝車間的零部件，需要物流將其送至產(chǎn)線，使得產(chǎn)線能不間斷持續(xù)運(yùn)行。生產(chǎn)開工率要求達(dá)到99.9%以上，每年開動天數(shù)超過246天，每年開動時間要達(dá)到19 h。通過使用小車（自動引導(dǎo)運(yùn)輸車）并輔以導(dǎo)航裝置進(jìn)行車身零部件的配送與裝配，是汽車行業(yè)主機(jī)廠的趨勢和要求。這種技術(shù)能顯著減少操作者的數(shù)量，通過采集設(shè)備的采集數(shù)據(jù)，并將加工工藝數(shù)據(jù)傳至車間級別的監(jiān)控中心，可以完善產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)（比如扳手的扭矩）的追溯。本次設(shè)計(jì)需求是進(jìn)行搬送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。某汽車工廠的總裝車間的新建IPU分裝線的生產(chǎn)線邊裝置以及其管理系統(tǒng)，布置了多臺AVG小車，需要自動把裝配所需要的零部件及時傳送到各個加工工位或者檢測工位。本文主要介紹此次的AGV小車在某汽車工廠混動車型總裝領(lǐng)域IPU分裝線搬送系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

1 設(shè)備概要及設(shè)計(jì)要求（Design Dequirements）

整個加工生產(chǎn)系統(tǒng)區(qū)域約長100 m，寬30 m。為了滿足設(shè)備節(jié)拍需要，共需要16臺AGV和2套充電機(jī)。因?yàn)楹腿诵型ǖ澜徊?，還需要在AGV經(jīng)過路口時進(jìn)行交通紅綠燈的控制。

2 AGV小車設(shè)計(jì)

2.1 AGV小車整體方案簡介

AGV的部件包含PLC、通信模塊、升降銷、動力鋰電池、控制面板、障礙物檢測開關(guān)、機(jī)械防撞裝置、導(dǎo)向輪、導(dǎo)向傳感器、驅(qū)動裝置以及RFID讀卡器等[2]。根據(jù)生產(chǎn)需要和產(chǎn)品能力，對AGV的各項(xiàng)產(chǎn)品指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)后采取如表1所示的規(guī)格參數(shù)。

表1 AGV的各項(xiàng)產(chǎn)品指標(biāo)

2.2 AGV小車方案詳解

2.2.1 牽引形式

潛伏式牽引AGV小車，對物料車以及料架的限制性條件最少，所以在制造工廠中的應(yīng)用是最廣泛的一種AGV小車。潛伏式牽引AGV小車，從裝滿物料的臺車的下方間隙，行走到物料臺車的底部。到位后，利用升降掛鉤裝置，掛上物料臺車底部的固定牽掛部件，從而帶動物料臺車前行。當(dāng)裝滿物料的臺車被牽引到預(yù)設(shè)位置后，AGV小車感應(yīng)到位置傳感器后，降下升降銷自動和物料臺車分離，然后行走到空臺車的底部把空的臺車帶走。潛入式牽引AGV具有自動聯(lián)結(jié)、擁有較小的轉(zhuǎn)彎半徑功能，不僅適用于箱式料車，也可運(yùn)用于其他各種場合。

2.2.2 引導(dǎo)方式

AGV小車導(dǎo)航方式主要是有電磁、磁條、二維碼、激光以及視覺導(dǎo)航等。

2.2.2.1 電磁導(dǎo)航

電磁導(dǎo)航是一種比較成熟的引導(dǎo)方式。在AGV小車的行駛路徑上預(yù)先埋設(shè)金屬導(dǎo)體，然后在其上加載低頻低壓的電流，使金屬導(dǎo)體周圍產(chǎn)生交變磁場。AGV小車上的傳感器通過對此磁場強(qiáng)弱的檢測識別以及跟蹤，可以實(shí)現(xiàn)AGV小車的導(dǎo)航信息處理。電磁導(dǎo)航導(dǎo)引線隱藏地面下，不會被污染，不容易破損，導(dǎo)航原理簡單且穩(wěn)定可靠，方便進(jìn)行控制通信，沒有外界的聲光干擾，實(shí)施成本低廉，但更改線路布局麻煩，導(dǎo)引線的鋪設(shè)困難，施工周期長。本文設(shè)計(jì)因?yàn)樯a(chǎn)實(shí)際需要靈活改變路徑，不采取此種方式。

2.2.2.2 磁導(dǎo)航

磁導(dǎo)航的技術(shù)與電磁導(dǎo)航原理相近，不同之處是磁導(dǎo)航采取了在地面上貼導(dǎo)航磁條來代替埋設(shè)在地面下的金屬導(dǎo)體，通過對磁條感應(yīng)信號的變化來實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)航。磁導(dǎo)航定位相對精確，磁條以及路線布局容易，整體工程的成本較低。但是，導(dǎo)航磁條十分容易破損，需要保護(hù)與定時維護(hù)，線路更改需要重新鋪設(shè)磁條，AGV小車只能按磁條預(yù)設(shè)的線路前進(jìn)，導(dǎo)致小車的智能避讓實(shí)現(xiàn)麻煩，無法實(shí)現(xiàn)通過控制系統(tǒng)完成生產(chǎn)任務(wù)。此設(shè)計(jì)采取磁導(dǎo)航方案，增加了技術(shù)手段，如對磁條采取保護(hù)措施，通過無線管控軟件實(shí)現(xiàn)避障、更改任務(wù)等，從而盡量避免其缺點(diǎn)。

2.2.2.3 二維碼導(dǎo)航

通過攝像頭視頻設(shè)別技術(shù)，讀取提前鋪設(shè)于地面的二維碼，通過二維碼信息實(shí)時獲取當(dāng)前的位置信息。二維碼導(dǎo)航一般與慣性導(dǎo)航相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)相對精準(zhǔn)的定位。慣性導(dǎo)航是利用光電編碼器、陀螺儀等位置傳感器來獲取小車位置，由于存在累計(jì)誤差，一般只作為區(qū)域范圍內(nèi)的輔助定位。二維碼導(dǎo)航位置定位相對精確，定位模塊小巧靈活，路線布局更改較容易，控制方便，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)。但是，二維碼導(dǎo)航的線路需要維護(hù)。在復(fù)雜場地需要經(jīng)常更換二維碼，且對陀螺儀等位置傳感器的精度、使用壽命要求嚴(yán)格，對整個場地平整度有要求，方案的整體成本相對較高。本設(shè)計(jì)中因?yàn)榫S護(hù)及使用成本過高，不選用這種方案。

2.2.2.4 激光導(dǎo)航

激光導(dǎo)航一般有反光板導(dǎo)航和自然導(dǎo)航兩種[3]。反光板導(dǎo)航是在AGV小車的前進(jìn)路線的周圍安裝已知精確定位位置的光學(xué)反光板，同時將激光發(fā)射器安裝于AGV小車的本體上。激光發(fā)射器在AGV小車的前進(jìn)過程中不斷發(fā)出激光束。這些發(fā)射的激光束會沿著AGV前進(jìn)路線所鋪設(shè)的多個反光板反射回來。導(dǎo)航的中央控制系統(tǒng)收到這些反射回來的激光，檢測計(jì)算出激光發(fā)射器遇到反光板時的角度，且根據(jù)這些角度值與實(shí)際反光板的預(yù)設(shè)精確位置，可以計(jì)算出AGV小車的當(dāng)前坐標(biāo)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)精確的位置定位方式。自然導(dǎo)航是通過傳感器來檢測周邊的環(huán)境物體。與反光板導(dǎo)航不同之處，它不需要預(yù)先在AGV小車的路線布局的周圍安裝用于位置定位的反光裝置。自然導(dǎo)航的位置定位的參照物體，可以是生產(chǎn)環(huán)境中的生產(chǎn)設(shè)備、加工零部件、廠房墻面等信息。相比于反光板式導(dǎo)航，自然導(dǎo)航的工程成本相對較低，施工周期較短。激光導(dǎo)航使AGV小車能隨時規(guī)劃線路布局，準(zhǔn)確定位小車位置，靈活改變前進(jìn)路線方向，施工方便，能較好地適應(yīng)各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，但工程成本較高，對使用環(huán)境有較高的要求。本次設(shè)計(jì)中因?yàn)榇朔桨赴惭b成本過高、環(huán)境因素多變、人員走動頻繁，不選用這種方案。

2.2.2.5 視覺導(dǎo)航

視覺導(dǎo)航通過視覺傳感器獲取的圖像信息解析出環(huán)境與位置情況實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，需要視覺鏡頭、輔助補(bǔ)光照明硬件設(shè)備等。AGV小車在前進(jìn)過程中，鏡頭獲取環(huán)境圖像信息后自動建立三維模型數(shù)據(jù)，再將實(shí)時獲取的環(huán)境圖像數(shù)據(jù)與預(yù)先建立的環(huán)境圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合匹配計(jì)算對比，以計(jì)算AGV小車的當(dāng)前實(shí)時位置，從而獲得AGV小車的位置信息。視覺導(dǎo)航整體硬件成本相對較低，定位相對精確，但對使用環(huán)境光照要求較高，且需要運(yùn)行的生產(chǎn)環(huán)境有物體具有顯著的標(biāo)志信息數(shù)據(jù)。當(dāng)運(yùn)行范圍較大的情況，繪制地圖的工作量較大。此外，它對處理器的實(shí)時運(yùn)算能力和算法的快速穩(wěn)定性要求高。從工程實(shí)際角度看，改技術(shù)還未足夠成熟。因?yàn)樾枰L期運(yùn)行穩(wěn)定可靠，本次設(shè)計(jì)不選用這種方案。

2.2.3 其他設(shè)計(jì)

負(fù)載能力根據(jù)所需牽引物料車和料架的最大質(zhì)量確定。此數(shù)據(jù)過大，會造成“大馬拉小車”的情況，增加了系統(tǒng)成本。此數(shù)據(jù)過小，會使AGV小車拖動吃力，影響電池和電機(jī)的使用壽命，降低了可靠性與穩(wěn)定度。一般需要預(yù)留10%～20%的裕量。對于行走方向，可根據(jù)現(xiàn)場項(xiàng)目的實(shí)際工藝要求確定。

3 AGV小車控制方案設(shè)計(jì)

3.1 AGV小車控制方案簡介

AGV小車控制由主控CPU、串口通信服務(wù)器、操作面板、觸摸屏、三色燈和喇叭等部分組成。其中：主控CPU負(fù)責(zé)AGV本體接收和處理信號，發(fā)出指令；串口通信服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與主控制系統(tǒng)進(jìn)行無線通信；操作面板負(fù)責(zé)AGV手動可操作部分；觸摸屏負(fù)責(zé)顯示AGV電量、運(yùn)行狀態(tài)以及報警信息等；三色燈和喇叭負(fù)責(zé)AGV報警聲光提醒。

3.2 車載控制器主控單元

主控單元是AGV小車的電氣控制系統(tǒng)的核心單元。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 30030—2013中所定義的描述，AGV小車是由計(jì)算機(jī)控制的運(yùn)輸工具。因此，主控單元從本質(zhì)上看可以理解為一臺有特殊IO設(shè)備接口的計(jì)算機(jī)。目前，采用的AGV小車的主控單元基本上采取PLC、工控機(jī)和單板機(jī)3種方式。

PLC可靠穩(wěn)定，主要用于邏輯控制，只能做簡單的運(yùn)動控制、數(shù)值計(jì)算。開發(fā)語言以梯形圖為主，開發(fā)難度不大，對技術(shù)人員要求低。外部擴(kuò)展IO有限，成本可控。

工控機(jī)實(shí)際上就是計(jì)算機(jī)，只是經(jīng)過了專門的設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以用于各種復(fù)雜惡劣的環(huán)境，如航空、軍用、工業(yè)等。工控機(jī)可以設(shè)計(jì)成體積小巧的嵌入式，可以運(yùn)行在通用的操作系統(tǒng)上，如Windows、Linux[4]。它的硬件軟件兼容性好，應(yīng)用靈活，擴(kuò)展方便，開發(fā)資源多，但成本昂貴。

單板機(jī)一般是基于芯片或者核心板自主開發(fā)而成的，硬件成本低，軟件開發(fā)成本高，開發(fā)時間周期長，開發(fā)結(jié)果不可控，穩(wěn)定性不高，可靠性不強(qiáng)，開發(fā)難度很高[5]。

根據(jù)應(yīng)用實(shí)際，工業(yè)化流水線的大批量生產(chǎn)對于可靠性要求高，此次設(shè)計(jì)采取PLC。

3.3 無線通信模塊

無線通信模塊實(shí)現(xiàn)AGV小車與主控制柜之間的無線通信[6]。AGV將運(yùn)行狀態(tài)等信息數(shù)據(jù)通過工業(yè)串口服務(wù)器定時傳遞給主控柜的無線通信模塊。主控柜收到數(shù)據(jù)后，通過無線通信模塊將控制指令發(fā)送給AGV小車。AGV小車根據(jù)指令進(jìn)行操作。通信頻段采用5G，避開了工廠內(nèi)其他設(shè)備的現(xiàn)有頻段，從而避免了無線信號之間的互相干擾。此次設(shè)計(jì)中采取了MOXA公司的NPort W2150A的串口服務(wù)器模塊。

3.4 操作面板

操作面板包括電源開關(guān)、啟動/停止按扭、手自動旋鈕開關(guān)、驅(qū)動上升/下降按鈕、升降銷上升/下降按鈕、復(fù)位按鈕蜂鳴器、急停按鈕、喇叭以及電量顯示計(jì)等。需要注意，所有部件不能突出AGV車體上表面。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了零部件配送的自動化與智能化，提升了效率，大大降低了人力成本，同時與工管MES系統(tǒng)緊密聯(lián)接，提升了車間層面的自動化與智能化水平。本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，投入運(yùn)行后未發(fā)生過故障，維護(hù)簡單，減輕了設(shè)備日常保全的工作強(qiáng)度。此外，系統(tǒng)操作簡單，無需復(fù)雜的操作培訓(xùn)。