AGV在汽車工廠焊裝線中的應(yīng)用探索

王夢(mèng)甜，李吉翔

1.機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 吉林長(zhǎng)春 130011

2.一汽解放汽車有限公司 吉林長(zhǎng)春 130011

1 序言

AGV全稱自動(dòng)引導(dǎo)小車（Automatic Guided Vehicle），它是在計(jì)算機(jī)的控制下，經(jīng)磁或激光燈導(dǎo)向裝置引導(dǎo)并沿程序設(shè)定路徑運(yùn)行完成作業(yè)的無人駕駛自動(dòng)小車。作為20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的智能化運(yùn)載設(shè)備，AGV在90年代就已經(jīng)在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家被大規(guī)模使用[1]。近年來，隨著國(guó)內(nèi)機(jī)械化設(shè)備供應(yīng)商能力的逐步提升與技術(shù)的不斷進(jìn)步，AGV制造成本不斷降低，同時(shí)我國(guó)制造業(yè)人力成本不斷上升、勞動(dòng)力出現(xiàn)短缺現(xiàn)象，這些因素共同推動(dòng)了AGV的應(yīng)用普及和功能拓展。

2 焊裝線工序間輸送形式

近年來，AGV在汽車工廠焊裝車間逐步得到應(yīng)用。除作為常規(guī)的物流運(yùn)載設(shè)備外，AGV還可以作為工序間輸送設(shè)備，輸送總成及分總成工件到下一序工位，用以取代人工運(yùn)送、機(jī)器人+七軸、BUFFER、滑橇輸送機(jī)及EMS等輸送形式。下面對(duì)上述幾種輸送形式在焊裝車間的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹與比較。

2.1 輸送形式

（1）人工運(yùn)送 主要有兩種方式，即工人直接推料箱和工人操作叉車舉升料箱完成工序間總成及分總成的輸送。在這種輸送形式中，需要有料箱作為承載物，相當(dāng)于在料箱中緩存一定量的工件，滿箱運(yùn)送效率更高。叉車作為起重運(yùn)輸機(jī)械，不僅可以運(yùn)輸，還可以舉升料箱，這個(gè)功能在一些工藝規(guī)劃中十分必要，這時(shí)使用叉車可減少相應(yīng)的舉升設(shè)備。目前，大多數(shù)主機(jī)廠選擇租賃叉車，不用考慮叉車的存儲(chǔ)、保養(yǎng)和維修，按生產(chǎn)需要可以靈活調(diào)整叉車臺(tái)數(shù)，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。但人工運(yùn)送這種輸送形式只能在地面上使用，送件及返回路徑可以根據(jù)需要變更。工件種類的多少只會(huì)影響料箱的形式和多少。當(dāng)生產(chǎn)線發(fā)生變化時(shí)，這種輸送形式改造量很小，費(fèi)用低。

（2）機(jī)器人+七軸 機(jī)器人配合七軸在一次動(dòng)作中可以完成工件抓取、運(yùn)輸和放置3個(gè)動(dòng)作?？紤]到安全性，機(jī)器人+七軸必須放置到圍欄內(nèi)或考慮其他安全措施（見圖1）。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這種輸送形式一般不能距離過長(zhǎng)，因此常用在同一自動(dòng)線內(nèi)的上下序工位傳輸或兩個(gè)距離相近的自動(dòng)站間。根據(jù)抓手的結(jié)構(gòu)形式，每次只能運(yùn)送一兩個(gè)工件，不能緩存工件。同時(shí)，考慮到安全性及結(jié)構(gòu)件成本，這種形式基本都在地面上使用，送件及返回路徑完全一致。其可以和自動(dòng)線體的控制系統(tǒng)互聯(lián)，自動(dòng)化程度高。即使機(jī)器人的抓手可柔性化設(shè)計(jì)，一種抓手能抓舉的工件種類也很有限，因此種類增加時(shí)通常都要伴隨著抓手的更新。

圖1 機(jī)器人+七軸

（3）BUFFER BUFFER為鏈?zhǔn)綆л斔拖到y(tǒng)，采用雙層循環(huán)3倍差速鏈線為主體輸送。一層為工件輸送，另一層為空工裝返回（見圖2）[2]。根據(jù)工件的形狀，確定輸送時(shí)工件是被托舉還是吊掛，從而選擇利用上層輸送或是下層輸送，那么相應(yīng)的另一層為返回層。BUFFER可以根據(jù)需要布置在地面或空中。這種輸送形式可以緩存工件，具體的數(shù)量根據(jù)工藝需要決定。其可以和自動(dòng)線體的控制系統(tǒng)互聯(lián)，自動(dòng)化程度高。通過更新帶上的工裝可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸不同的總成件和分總成件。當(dāng)生產(chǎn)線發(fā)生變化時(shí)，原來的BUFFER是否能繼續(xù)使用，需要重新評(píng)估。此外，其維護(hù)方便，故障率低。

圖2 BUFFER

（4）滑橇輸送機(jī) 滑橇輸送機(jī)是由多種標(biāo)準(zhǔn)單元模塊組合成的復(fù)雜的組合式輸送系統(tǒng)，其輸送物件的橇體依靠托滾或鏈條的摩擦力實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、平移、舉升、積放和旋轉(zhuǎn)等多種功能（見圖3）[3]?；凛斔蜋C(jī)可以根據(jù)需要布置在地面和空中。需要單獨(dú)考慮空橇返回路徑，對(duì)輸送距離沒有限制。輸送的速度快，每一個(gè)輥床可以單獨(dú)控制。這種形式可以緩存工件，具體的數(shù)量根據(jù)工藝需要設(shè)計(jì)。其可以和自動(dòng)線體的控制系統(tǒng)互聯(lián)，自動(dòng)化程度高。當(dāng)車型發(fā)生改變時(shí)，更換或調(diào)整滑橇體就可以繼續(xù)工作。維護(hù)方便，故障率低。如果對(duì)節(jié)拍要求高且車型較多，則采用滑橇輸送機(jī)比較合適。

圖3 滑橇輸送機(jī)

（5）EMS 空中自行小車輸送線，主要由自行小車、環(huán)鏈葫蘆、道岔、升降站及電控系統(tǒng)組成。軌道、道岔等采用積木式設(shè)計(jì)，可滿足不同路線布局及功能要求（見圖4）[4，5]。由于其結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，故EMS只能布置在空中，在空中完成對(duì)工件的緩存，具體的數(shù)量可以根據(jù)工藝需要設(shè)計(jì)。需要考慮空橇返回路徑，輸送距離沒有限制。其可以和自動(dòng)線體的控制系統(tǒng)互聯(lián)，自動(dòng)化程度高。通過更換吊具，即可完成對(duì)不同車型的適應(yīng)性。維護(hù)方便，故障率低。

圖4 EMS

（6）AGV AGV采用伺服驅(qū)動(dòng)（見圖5）[6]，只能布置在地面，在小車上完成對(duì)工件的緩存，具體的數(shù)量可以根據(jù)工藝需要設(shè)計(jì)。在地面需要考慮返回路徑，輸送距離沒有限制。其可以和自動(dòng)線體的控制系統(tǒng)互聯(lián)，自動(dòng)化程度高。AGV的調(diào)度主機(jī)使其具有很強(qiáng)的智能化，具有最優(yōu)路徑規(guī)劃、交通自行管制等功能。AGV維護(hù)難，故障率高。

圖5 AGV

2.2 輸送形式比較

根據(jù)上述工序間輸送形式的描述，對(duì)工序間輸送性能進(jìn)行對(duì)比，得到的結(jié)論見表1。

表1 工序間輸送性能對(duì)比

3 AGV具體應(yīng)用形式

AGV在焊裝車間作為工序間輸送有以下3種方式：①AGV托夾具進(jìn)自動(dòng)站完成相應(yīng)焊裝工作，此時(shí)AGV可以根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)工序，依次托夾具進(jìn)點(diǎn)焊自動(dòng)站、螺柱焊自動(dòng)站及弧焊自動(dòng)站等，直至逐步完成所需的工序（見圖6）。②AGV替代調(diào)整線的板式帶或滑橇輸送機(jī)線，此時(shí)AGV可以加上腳踏板等考慮人機(jī)工程的裝置，加強(qiáng)工藝的可實(shí)現(xiàn)性（見圖7）。③AGV將側(cè)圍總成和頂蓋總成送至主焊線，將車門總成運(yùn)送至調(diào)整線等（見圖8）。這種情況下AGV裝載著分總成的料箱，執(zhí)行調(diào)度中心指令，將分總成運(yùn)送到指定位置，在此過程中料箱與AGV可脫離也可不脫離。在上述3種方式中，AGV小車均具有自己獨(dú)特的應(yīng)用特點(diǎn)。下文以第一種方式為例，具體分析AGV的應(yīng)用前提、特點(diǎn)和可行性。

圖6 AGV托夾具進(jìn)自動(dòng)站

圖7 AGV應(yīng)用于調(diào)整線

圖8 AGV 運(yùn)送車門總成

4 AGV具體應(yīng)用前提

AGV托夾具進(jìn)自動(dòng)站，在自動(dòng)站中要完成點(diǎn)焊、涂膠、螺柱焊和在線檢測(cè)等工作任務(wù)，此情況下使用AGV有一些需要注意的前提。

1）規(guī)劃好向夾具上放置工件的具體形式、相應(yīng)面積、上件區(qū)的物流路徑。由于一般夾具的重量＞1t，所以只能使用背馱式和牽引式的AGV。兩種形式夾具的上表面高度不同，若利用人工上件，需要根據(jù)具體情況考慮增加相應(yīng)設(shè)置實(shí)現(xiàn)可操作性。若產(chǎn)能較大，需要將料箱按需分散布置，縮短上件時(shí)間，以滿足后續(xù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求。這樣布置料箱必然需要較大的上件區(qū)面積。

2）規(guī)劃合理的配套夾具的存儲(chǔ)和更換形式。若AGV和夾具為一對(duì)一，考慮到小車的投資，應(yīng)優(yōu)化BASE板上夾具的布置，提高夾具的柔性，減少夾具的數(shù)量。若AGV和夾具為一對(duì)多，則需綜合考慮夾具的存儲(chǔ)形式、夾具的區(qū)域及更換夾具手段等因素，給出最優(yōu)綜合方案?？梢酝ㄟ^夾具的立體存放來解決存儲(chǔ)區(qū)面積不足的問題。

3）AGV進(jìn)自動(dòng)站后的二次定位。目前，AGV自身的定位精度尚無法達(dá)到焊裝自動(dòng)線工序銜接的精度水平，需要通過對(duì)夾具進(jìn)行二次定位。例如：通過在進(jìn)入自動(dòng)下線后對(duì)夾具進(jìn)行舉升，放置到帶有定位銷的固定支架上，來達(dá)到定位精度要求。AGV可以自帶舉升設(shè)備，也可以將舉升設(shè)備設(shè)置在自動(dòng)線內(nèi)。

4）目前，常用的是按照完成某一總成或分總成的全部工藝在車間內(nèi)進(jìn)行分區(qū)（手動(dòng)區(qū)和自動(dòng)工作站）。自動(dòng)站在小批量生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍，其中各工序間不能形成流水線模式，各工序設(shè)備會(huì)出現(xiàn)等待現(xiàn)象。采用AGV托夾具這種輸送形式進(jìn)入自動(dòng)站時(shí)，考慮到布置空間和設(shè)備利用率，每個(gè)自動(dòng)站建議只布置一種功能的設(shè)備（例如：此自動(dòng)站僅完成涂膠、點(diǎn)焊或螺柱焊等一項(xiàng)功能），這種布置形式并配合調(diào)度主機(jī)的協(xié)調(diào)可使自動(dòng)站設(shè)備的利用率達(dá)到90%以上。而設(shè)備的種類越多，自動(dòng)站做的規(guī)模會(huì)越大，單臺(tái)設(shè)備的利用率則隨之降低。

5）由于AGV相對(duì)故障率較高，因此在規(guī)劃時(shí)應(yīng)充分考慮AGV的故障維修方案，杜絕串聯(lián)布線。當(dāng)選定某家的AGV后，根據(jù)其故障率和維修時(shí)長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)值，備好備用小車，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)有故障的小車及時(shí)替換，保證不影響生產(chǎn)節(jié)拍。

6）AGV是利用電池驅(qū)動(dòng)設(shè)備，在儲(chǔ)存時(shí)注意庫房溫度（18～30℃），延長(zhǎng)電池壽命。

在充分考慮并滿足了上述前提后，可以看到AGV托夾具進(jìn)自動(dòng)站的方案是可以實(shí)施的，尤其適合應(yīng)用在小批量、多產(chǎn)品的生產(chǎn)模式下。這種方案只是AGV作為焊裝線中輸送的一種，可以推斷其他方案在經(jīng)過充分的考慮和規(guī)劃后，也都可以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

5 AGV的特點(diǎn)

（1）節(jié)省人力 AGV作為一種智能化的運(yùn)載工具，運(yùn)行過程中無需人員操作，節(jié)省人工成本，在人工成本日益增加的現(xiàn)狀下，此優(yōu)勢(shì)會(huì)越來越明顯。提高自動(dòng)化率，降低錯(cuò)誤率，提高生產(chǎn)效率。

（2）設(shè)備本身故障處理迅速 當(dāng)某臺(tái)AGV出現(xiàn)問題時(shí)，可以通過替換備用小車，迅速恢復(fù)生產(chǎn)。替換過程僅為夾具的轉(zhuǎn)移過程，方便快捷。

（3）柔性強(qiáng) 其行走路徑可以根據(jù)需要隨意調(diào)整，具有很強(qiáng)的靈活性，適應(yīng)柔性生產(chǎn)線，減少后期因工藝更新而產(chǎn)生的投資。只需在主機(jī)處重新設(shè)置路徑，無需對(duì)AGV小車本體進(jìn)行任何改造，就可以完成全部的改造工作

（4）更為智能 AGV可以通過調(diào)度管理中心進(jìn)行最優(yōu)路徑規(guī)劃、交通自行管制，調(diào)度主機(jī)利用網(wǎng)絡(luò)與MES/ADON系統(tǒng)相連，使本班次生產(chǎn)計(jì)劃與整個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃相協(xié)調(diào)，并根據(jù)需要備份所需歷史數(shù)據(jù)。若因?yàn)樯a(chǎn)計(jì)劃臨時(shí)改變或某個(gè)工序間工件出現(xiàn)質(zhì)量問題需要離線處理時(shí)，則其他系統(tǒng)內(nèi)AGV均不受影響。只需要調(diào)度主機(jī)重新計(jì)算路徑，便可以得到新的合理路徑方案。

（5）產(chǎn)品易升級(jí) 在對(duì)A G V系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)時(shí)，通常情況下僅需要對(duì)主機(jī)進(jìn)行升級(jí)即可，升級(jí)過程時(shí)間短、花費(fèi)的人力少、便捷。

（6）可塑性較高 可以對(duì)AGV進(jìn)行并不復(fù)雜的機(jī)械改造，使其可以完成一些附帶的功能，例如：帶舉升功能，從而使工藝流程完成得更為順暢。

（7）展示性強(qiáng) 目前，AGV作為制造業(yè)熱門的輸送設(shè)備，安全性又是AGV的突出優(yōu)勢(shì)，因此很合適在可參觀車間應(yīng)用。參觀人員可以近距離觀察AGV的行進(jìn)過程，增加被參觀車間的可參觀性。

（8）投資高 AGV在中國(guó)發(fā)展較晚，配套廠家有限，應(yīng)用時(shí)成本高。但伴隨這種設(shè)備應(yīng)用的進(jìn)一步普及，由需求帶動(dòng)市場(chǎng)，配套廠家必然會(huì)不斷增多，產(chǎn)品價(jià)格會(huì)逐步降低。

（9）設(shè)備故障率高 由于技術(shù)尚不成熟，所以目前國(guó)產(chǎn)AGV故障率較高，且維修時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。這樣迫使為了保證生產(chǎn)線節(jié)拍，盡量采用下線維修方式。若用備用AGV直接替換故障設(shè)備，則需要考慮更多的備用AGV，從而增加了投資。

（10）定位精度低 AGV定位精度低，在與自動(dòng)線配合使用時(shí)，需要通過二次定位或配套自動(dòng)線增加視覺設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)工件的轉(zhuǎn)接，但此過程必然增加操作時(shí)間并增加了相應(yīng)設(shè)備的投資。

6 結(jié)束語

綜上所述，可以看到AGV作為焊裝線輸送設(shè)備的方案是切實(shí)可行的，在利用其特點(diǎn)且注重其應(yīng)用的前提下，利用其優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避其不足，結(jié)合焊裝車間實(shí)際情況進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化AGV，會(huì)使其在焊裝車間會(huì)有更大的發(fā)展。