基于AGV 衍生技術(shù)的多軸機(jī)械臂智能裝配研究

吳 茜

（中國商飛上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324）

0 引言

近些年來，伴隨我國經(jīng)濟(jì)水平不斷發(fā)展，機(jī)械工程也搭上了科技發(fā)展的快車。大型產(chǎn)品的工程制造均以裝配為基礎(chǔ)，AGV 衍生技術(shù)作為代表，結(jié)合多軸機(jī)械臂的使用，能有效提升裝配能力、縮減用人成本、提升裝配質(zhì)量。因此，將先進(jìn)的AGV 衍生技術(shù)與多軸機(jī)械臂智能裝配相結(jié)合是保障我國機(jī)械工程質(zhì)量與效率的重要措施。

1 多軸機(jī)械臂智能裝配現(xiàn)狀與特點(diǎn)

1.1 現(xiàn)狀

當(dāng)前，多軸機(jī)械臂在我國的多項(xiàng)工程中都得到了廣泛使用，其對提升裝配產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性作用。但是相比其他機(jī)械制造內(nèi)容，針對多軸機(jī)械臂裝配的定向內(nèi)容較少，隨著我國對精細(xì)化施工理念的加深，裝配技術(shù)也應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化發(fā)展。

此外，我國的信息技術(shù)水平在不斷提升，多軸機(jī)械臂裝配也應(yīng)當(dāng)與信息化、智能化相結(jié)合，進(jìn)而保證多軸機(jī)械臂裝配后的使用壽命[1]。

1.2 特點(diǎn)

當(dāng)前的多軸機(jī)械臂智能裝配主要有6 項(xiàng)特點(diǎn)。

（1）大型多軸機(jī)械臂擁有一定的靈活性和工程穩(wěn)定性，但其使用的頻次較低，并且由于大型多軸機(jī)械臂要求主機(jī)的占地面積較大，使用時(shí)具有局限性，生產(chǎn)的數(shù)量較少，經(jīng)濟(jì)回報(bào)率低。

（2）大型工程使用的多軸機(jī)械臂數(shù)量往往較多，并且各多軸機(jī)械臂的型號與大小存在差異性，但各個(gè)多軸機(jī)械臂之間能夠?qū)崿F(xiàn)充分的配合，呈現(xiàn)出組合型多軸機(jī)械臂，這種類型的多軸機(jī)械臂在裝配時(shí)往往內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，進(jìn)行臂體與主機(jī)的安裝時(shí)零部件也比單一的臂體安裝要多，工作難度較大。

（3）隨著我國科技手段的進(jìn)步，各項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)也為多軸機(jī)械臂裝配帶來了難題，多軸機(jī)械臂中使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)逐漸增加，多軸機(jī)械臂功能逐漸擴(kuò)張，且零部件的運(yùn)輸也存在困難，易出現(xiàn)損毀與缺失。

（4）除了基礎(chǔ)的機(jī)械臂本體與底座等結(jié)構(gòu)部件的運(yùn)輸裝配，多軸機(jī)械臂的裝配還包含電池、液壓油、油缸等內(nèi)容的裝配，各種部件的裝配使得多軸機(jī)械臂智能裝配呈現(xiàn)出多樣化特性。

（5）當(dāng)前我國針對多軸機(jī)械臂智能裝配主要采用固定裝配與移動(dòng)裝配兩種方式。其中固定裝配是將多軸機(jī)械臂結(jié)構(gòu)部件放置在車間的固定位置，以此進(jìn)行裝配。移動(dòng)裝配即指裝配人員與地點(diǎn)都具有移動(dòng)性，靈活性較高，能夠有效保證裝配質(zhì)量與裝配效率[2]。

（6）在選用較大體積的多軸機(jī)械臂裝配時(shí)，為保證產(chǎn)品裝配需求和質(zhì)量，在裝配時(shí)可對多軸機(jī)械臂進(jìn)行定制化的改動(dòng)，例如，更換主軸、末端執(zhí)行器等零部件，使其適應(yīng)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)任務(wù)。

2 多軸機(jī)械臂智能裝配中AGV 衍生技術(shù)的應(yīng)用

2.1 AGV 小車

AGV 是指自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車。AGV 小車是一種裝備了電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引的裝置，是經(jīng)由既定的路徑行駛，能夠發(fā)揮安全保護(hù)作用以及運(yùn)輸承載作用的運(yùn)輸工具。最早的AGV 小車出現(xiàn)于1953 年，是經(jīng)由牽引拖拉機(jī)改造而成的，直至20 世紀(jì)50、60 年代，AGV 小車已經(jīng)較為普遍地應(yīng)用于工廠中。

AGV 小車具有以下3 項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：①自動(dòng)化優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)由計(jì)算機(jī)終端輸入處理的信息發(fā)送至中央控制室，結(jié)合電控設(shè)備，最終形成指令，然后AGV 小車會(huì)根據(jù)指令將物品運(yùn)送至特殊地點(diǎn)。當(dāng)AGV 小車電量不足時(shí)，其會(huì)自主發(fā)出充電請求，并自行排隊(duì)充電。②美觀化優(yōu)點(diǎn)。③便捷化優(yōu)點(diǎn)。AGV 小車的體積較小，便于在各種復(fù)雜環(huán)境中穿梭行駛。由此可見，使用AGV衍生技術(shù)進(jìn)行多軸機(jī)械臂智能裝配，極大地降低了裝配時(shí)產(chǎn)生的勞動(dòng)強(qiáng)度，并進(jìn)一步對裝配安全提供了保障[3]。

2.2 AGV 應(yīng)用優(yōu)勢

2.2.1 提升安全性

AGV 小車屬于我國機(jī)械工程制造行業(yè)的一種新興技術(shù)，是智能化、信息化的體現(xiàn)，其運(yùn)用于多軸機(jī)械臂智能裝配中，能夠顯著提升裝配安全性。在多軸機(jī)械臂的智能裝配中，安全性是第一保障，經(jīng)由AGV小車進(jìn)行物料運(yùn)輸，避免了由人力搬運(yùn)造成的物料破損、人力損傷、搬運(yùn)量低等問題。同時(shí)AGV 小車還能夠?qū)崿F(xiàn)24 h 不間斷、精準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)輸物料，在一定程度上降低了由人力搬運(yùn)造成貨物丟失的可能性。

2.2.2 提升生產(chǎn)效率

AGV 小車能夠有效提升多軸機(jī)械臂智能裝配的效率。上文中提到，AGV 小車能夠按照預(yù)先設(shè)定的路線進(jìn)行物料運(yùn)輸，并經(jīng)由傳感器的設(shè)置能夠有效避免在路線中可能出現(xiàn)的障礙物，進(jìn)而提升運(yùn)輸效率。

另外，在AGV 小車的維修養(yǎng)護(hù)中，所必須維修的元件只有電池和車輪，并且這兩個(gè)部位均采用快裝技術(shù)，其維護(hù)周期較長，而維修量較小，維修工作進(jìn)展起來較為便捷。此外，在AGV 小車的系統(tǒng)中，各個(gè)元件均可以單獨(dú)進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，避免了大型維修造成的工作延誤，以此能有效提升多軸機(jī)械臂智能裝配的效率。

2.2.3 減少投入成本

使用AGV 衍生技術(shù)中的制造技術(shù)進(jìn)行多軸機(jī)械臂智能裝配，要運(yùn)輸物料、半成品、成品，其中，物料運(yùn)輸占據(jù)很大比重?；诖耍瑢GV 衍生技術(shù)有效利用起來，能夠?qū)⑽锪线\(yùn)輸?shù)娜斯こ杀具m度降低，并且AGV 小車能夠全天候進(jìn)行運(yùn)輸，有效減少人工運(yùn)輸時(shí)間。經(jīng)由中央控制室對其的調(diào)配，各個(gè)AGV小車之間能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，在特定的時(shí)間與空間中將運(yùn)輸效率最大化，進(jìn)而節(jié)省運(yùn)輸時(shí)間，減少運(yùn)輸成本。

2.2.4 實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)連接

AGV 小車經(jīng)由計(jì)算機(jī)終端與中央控制室相連接，再由中央控制室反饋指令進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸。計(jì)算機(jī)終端與中央控制室是經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)連接的，其對AGV 小車發(fā)送的信息能夠自動(dòng)進(jìn)行讀取與存檔，并采用數(shù)控設(shè)備、動(dòng)作篩查以及自動(dòng)裝配等接口進(jìn)行信息的接收與發(fā)送[4]。

2.2.5 保護(hù)車間生態(tài)

除以上優(yōu)點(diǎn)之外，AGV 衍生技術(shù)應(yīng)用于多軸機(jī)械臂智能裝配中還能夠有效提升環(huán)保功能。AGV 小車是經(jīng)由電池進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，而AGV 小車中的電池所消耗的能量較少，并且使用過程中較少產(chǎn)生噪音，對周邊環(huán)境的影響較小。此外，AGV 小車在運(yùn)輸時(shí)不需要軌道進(jìn)行路線引導(dǎo)，其路線設(shè)置是通過地下電纜或是地面導(dǎo)引來進(jìn)行的，在外觀上更加美觀，同時(shí)避免了建設(shè)運(yùn)輸軌道造成的地表破壞。

2.3 結(jié)合AGV 技術(shù)的多軸機(jī)械臂智能裝配工藝

通常情況下，應(yīng)用多軸機(jī)械臂的工程主要是點(diǎn)膠、滴塑、噴涂、碼垛、分揀、包裝、焊接、金屬加工、搬運(yùn)、上下料、裝配、印刷等常見的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在這些應(yīng)用多軸機(jī)械臂的工程中，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)物料的傳輸與智能無人化生產(chǎn)，可以將AGV 小車與多軸機(jī)械臂進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，將機(jī)器人從傳統(tǒng)的某一單元、某一區(qū)域中抽離出來，使其成為裝配環(huán)節(jié)的自由式機(jī)器人，不僅可以在各個(gè)車間進(jìn)行自由的搬運(yùn)與調(diào)度，也能夠依照生產(chǎn)的擴(kuò)展需求被任意調(diào)控，或是與生產(chǎn)人員協(xié)同配合。復(fù)合型AGV 多軸機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 復(fù)合型AGV 多軸機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

基于AGV 衍生技術(shù)的多軸機(jī)械臂構(gòu)建組成的復(fù)合機(jī)器人機(jī)體主要由車載控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)航、多軸機(jī)械臂、安全系統(tǒng)、電機(jī)、通信系統(tǒng)以及手動(dòng)系統(tǒng)等組成。在總系統(tǒng)中，子系統(tǒng)與AGV 小車的控制器是由控制器域網(wǎng)總線連接的，一方面減少了線束，另一方面便于系統(tǒng)管理，同時(shí)為后期的維修提供了便利條件。

復(fù)合機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)主要使用差動(dòng)輪，輔以隨動(dòng)輪作為支撐，車輪的材質(zhì)為不易磨損的軟性材料，可提升行走速度，同時(shí)不會(huì)對車間地面造成破壞。此外，驅(qū)動(dòng)輪必須具備浮動(dòng)功能以及路面面差能力，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪使用了集成模塊，由于驅(qū)動(dòng)輪位置在AGV 小車的左右兩側(cè)，其能夠保證AGV 小車的平穩(wěn)行駛[5]。與此同時(shí)，在復(fù)合機(jī)器人的前后兩端都設(shè)置了防碰撞感應(yīng)器，感應(yīng)器涵蓋減速區(qū)和停車區(qū)兩個(gè)區(qū)域。在后面板以及左右兩側(cè)的位置有緊急停車裝置，若按下，復(fù)合機(jī)器人則立刻停止工作。后方設(shè)有轉(zhuǎn)向燈，前方設(shè)有運(yùn)行指示燈以及聲光報(bào)警燈。

此外，復(fù)合機(jī)器人的前端安裝了激光導(dǎo)航，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性行駛。激光導(dǎo)航的裝置為激光測量傳感器，傳感器使用了紅外波，相比傳統(tǒng)的點(diǎn)式光源，其對人眼的危害更小，并且紅外激光傳感器還使用了測距加測角的測量方式，對位置信息的計(jì)算更加精準(zhǔn)，其計(jì)算效率也得到了提升。同時(shí)為了提升激光導(dǎo)航的使用質(zhì)量，還要在復(fù)合機(jī)器人上安裝反光板，反光板由反光膜構(gòu)成，反光膜可以是平面的也可以是圓柱形，為了保證反光板的反光效率，需要安裝專用型架。

在復(fù)合機(jī)器人的實(shí)際使用中，一臺AGV 小車確定反光板位置，其他的AGV 小車?yán)蒙蟼飨卵b獲取反光板的位置信息，這種操作也被稱之為AGV 地圖。當(dāng)?shù)貓D中某個(gè)路線被選擇后，調(diào)度系統(tǒng)向AGV下達(dá)指令，其就會(huì)跟隨該路線行駛，這種路線坐標(biāo)被稱為虛擬路徑，虛擬路徑可以標(biāo)注復(fù)合型機(jī)器人的激光導(dǎo)航與反光板位置，指導(dǎo)機(jī)器人完成各項(xiàng)操作。

AGV 定位方面，通過接收發(fā)送超聲波的反饋信號，結(jié)合超聲波來回傳輸時(shí)間和傳播速度對距離長度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，便能夠順利得到實(shí)際距離，具體公式如下。

式中：T 為超聲波來回傳輸時(shí)間差；V 為特定介質(zhì)中超聲波的傳輸速度。

此外，為了保證在運(yùn)行過程中復(fù)合機(jī)器人的多軸機(jī)械臂不會(huì)出現(xiàn)顛簸，還要在裝配時(shí)對其進(jìn)行傾覆計(jì)算，如圖2 所示。

圖2 復(fù)合機(jī)器人傾覆計(jì)算分析

機(jī)械臂末端相關(guān)貨物提取重量最高為F1=215 N，和動(dòng)輪支點(diǎn)相距960 mm，F(xiàn)2是機(jī)械臂的重心，對應(yīng)數(shù)值是200 N，車體整個(gè)重心G 和動(dòng)輪支點(diǎn)相距370 mm?；谲圀w良好平衡狀態(tài)，在復(fù)合機(jī)器人持續(xù)發(fā)展背景下，這種機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)高精度取放物品，適用于自動(dòng)化超市、倉儲(chǔ)分揀以及自動(dòng)化工廠當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

3 結(jié)語

綜上所述，在當(dāng)前我國對多軸機(jī)械臂的使用需求越來越高的背景下，使用AGV 衍生技術(shù)進(jìn)行多軸機(jī)械臂智能裝配能夠有效減少物料運(yùn)輸、裝載所耗費(fèi)的時(shí)間，同時(shí)提升機(jī)器人的工作效率與質(zhì)量。此外，AGV 衍生技術(shù)也是我國技術(shù)手段進(jìn)步的一種體現(xiàn)，經(jīng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制，在工作時(shí)更加具有精確性，這項(xiàng)技術(shù)的使用不僅極大地節(jié)省了人力物力，也是維系生態(tài)、促進(jìn)發(fā)展的重要手段。