典型車間制造環(huán)境下AGV控制的概念設(shè)計(jì)

周玲

摘要：高度自動(dòng)化的典型車間制造系統(tǒng)通常包括倉(cāng)庫(kù)、AGV、CNC、裝配線和激光打標(biāo)設(shè)備。其中AGV對(duì)整體運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行效率起著舉足輕重的作用。本文研究了典型制造系統(tǒng)背景下AGV的控制策略。首先定義了AGV的兩種運(yùn)行路徑，分析了系統(tǒng)中任意兩點(diǎn)之間AGV的運(yùn)動(dòng)流程，然后提出了最小運(yùn)行模式下的AGV通信框架，最后基于PLC設(shè)計(jì)了幾種主要場(chǎng)景下的控制方案。本結(jié)果有助于與任何制造系統(tǒng)底層運(yùn)行層相關(guān)的AGV控制決策的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：典型車間制造系統(tǒng);AGV;控制方法

一個(gè)典型車間加工系統(tǒng)包括：立體倉(cāng)庫(kù)，AGV，CNC1加工單元，裝配單元和激光加工。實(shí)際上制造業(yè)的底層執(zhí)行層通常是在這樣典型加工系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)充形成。系統(tǒng)主要部件的作用如下：立體倉(cāng)庫(kù)功能是半成品，成品和空料箱的集中存貯裝置;它主要包括進(jìn)出庫(kù)傳送帶、堆垛機(jī)、貨叉機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、貨架及托盤;其中堆垛機(jī)可實(shí)現(xiàn)水平方向、豎直方向和前后方向的運(yùn)動(dòng)。AGV是自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)構(gòu)，它可以在加工系統(tǒng)中任意兩個(gè)單元間移動(dòng)和運(yùn)輸貨物。裝配單元的作用就是把不同零件或半成品裝配到一起。CNC1加工單元是對(duì)半成品零件進(jìn)行加工的裝置。激光加工單元是對(duì)裝配后的工件進(jìn)行打標(biāo)處理。

AGV是連接各單元或工作站間的“紐帶”，各個(gè)核心工位間的無人銜接都要通過AGV完成。AGV是上述典型加工系統(tǒng)的可動(dòng)部件，它對(duì)于系統(tǒng)整體運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行效率至關(guān)重要。本文主要研究該典型車間加工系統(tǒng)中AGV的控制策略。

文中涉及的典型加工系統(tǒng)的控制單元的結(jié)構(gòu)如下圖1。整個(gè)控制系統(tǒng)包括上位機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線、倉(cāng)庫(kù)控制單元、AGV控制單元、裝配控制單元和激光打標(biāo)控制單元等。上位機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的大腦，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制調(diào)度，且它的調(diào)度優(yōu)先級(jí)最高。現(xiàn)場(chǎng)總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動(dòng)化領(lǐng)域中負(fù)責(zé)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)，具有簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。在本系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)總線采用PROFINET自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。倉(cāng)庫(kù)控制單元主要控制堆垛機(jī)去完成貨物在立體空間的位移即進(jìn)出貨/存取貨，還要對(duì)貨物位置以及整體倉(cāng)位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。AGV控制單元主要是實(shí)現(xiàn)AGV在系統(tǒng)兩個(gè)工站間的搬運(yùn)任務(wù)。本研究主要針對(duì)實(shí)時(shí)工業(yè)控制領(lǐng)域，故控制器采用PLC。

在加工系統(tǒng)中，AGV運(yùn)動(dòng)軌跡有兩種可能，即最大化和最小化模式。最大化下的AGV小車運(yùn)行軌跡：AGV小車先從立體倉(cāng)庫(kù)的出庫(kù)傳送帶處出發(fā)，將待加工的工件運(yùn)送到CNC1加工單元;加工完成后，再送到裝配單元進(jìn)行組裝;組裝完畢后，再運(yùn)輸?shù)郊す鈫卧M(jìn)行激光刻字;最終，AGV小車再將加工完成的茶葉罐運(yùn)回立體倉(cāng)庫(kù)或者直接下線。最小化下的AGV小車運(yùn)行軌跡：AGV小車先從立體倉(cāng)庫(kù)的出庫(kù)傳送帶處出發(fā)，將待加工的工件運(yùn)送到裝配單元進(jìn)行組裝;組裝完畢后，AGV小車再將加工完成的物品運(yùn)回立體倉(cāng)庫(kù)或者直接下線。

系統(tǒng)中任意兩單元間AGV移動(dòng)過程是：首先系統(tǒng)激發(fā)AGV起點(diǎn)動(dòng)作;AGV收到相關(guān)控制信號(hào)后開始移動(dòng)稍后達(dá)到起點(diǎn)位置;緊接著料箱/托盤被放置到AGV上。第二階段：系統(tǒng)激發(fā)AGV終點(diǎn)動(dòng)作;AGV開始移動(dòng)稍后達(dá)到終點(diǎn);料箱/托盤傳至工作站;AGV停止本周期運(yùn)行。

最小運(yùn)行軌跡模式下，AGV通訊程序框架包括6個(gè)程序段。其中最主要的三個(gè)階段是：首先生成隨機(jī)數(shù);然后AGV和下游單元的控制器進(jìn)行身份驗(yàn)證并建立鏈接;以及AGV和系統(tǒng)其他控制器通過心跳信號(hào)保持通訊同步和狀態(tài)監(jiān)控。

幾個(gè)AGV典型控制程序的概念設(shè)計(jì)如下所述。第一：發(fā)送認(rèn)證報(bào)文程序;在此部分，AGV啟動(dòng)并向倉(cāng)儲(chǔ)單元發(fā)送字符串（身份驗(yàn)證），在得到倉(cāng)儲(chǔ)單元控制器返回的字符串后，建立連接。第二：心跳信號(hào)Heartbeatsignal;在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，AGV小車和（運(yùn)行周期中下一個(gè)單元的）中央控制器之間一直保持著心跳信號(hào)，顧名思義，心跳信號(hào)就是像心跳一般一直不斷變化的信號(hào)，一般用于通訊狀況檢測(cè)。它的作用是告訴中央控制器系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，當(dāng)心跳信號(hào)中斷時(shí)，中央控制器能立刻察覺到系統(tǒng)發(fā)生通訊中斷，并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。第三：進(jìn)料許可Feedingpermit;當(dāng)工件加工完成后，成品需要回庫(kù)，這時(shí)AGV小車將成品運(yùn)送至入庫(kù)傳送帶處，會(huì)給倉(cāng)儲(chǔ)單元控制器發(fā)送進(jìn)料信號(hào)，通過后方可進(jìn)料。第四：進(jìn)料結(jié)束;成品成功入庫(kù)后，出于安全考慮，延遲5秒后向倉(cāng)儲(chǔ)單元控制器發(fā)送進(jìn)料完成信號(hào)，AGV小車離開倉(cāng)儲(chǔ)單元。

本文研究了典型車間制造系統(tǒng)下的AGV控制策略。首先分析了兩種運(yùn)動(dòng)路徑，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中任意兩點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)的流程圖，然后提出了最小模式下的通信框架以及針對(duì)主要場(chǎng)景的控制過程。這些結(jié)果可幫助典型底層制造系統(tǒng)中AGV控制策略的改進(jìn)和優(yōu)化。未來的工作包括設(shè)計(jì)最大模式下的通信模塊，開發(fā)最大模式下的控制程序等。

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