全向AGV移動(dòng)式擰緊機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張新震，姜 寧，鄧連生，林春竹，侯偉強(qiáng)

（山東中車同力達(dá)智能機(jī)械有限公司，濟(jì)南 250022）

0 引言

目前國內(nèi)整車廠主流的輸送線一般采用抱具將待裝配整車懸掛在空中，給予生產(chǎn)人員和電動(dòng)工具足夠的操作空間，同時(shí)也方便了設(shè)備供應(yīng)商采用懸掛式的擰緊設(shè)備，目前主流的專機(jī)設(shè)備大部分采用機(jī)械臂的形式來抵消擰緊過程中產(chǎn)生的反力。

電動(dòng)擰緊工具其裝配質(zhì)量高、噪音小、精度高等各種優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被用戶廣泛接受，在小型汽車裝配領(lǐng)域市場占有率已經(jīng)逐步趨于飽和狀態(tài)。但是貨車、大型客車等重載汽車以及其他工程車輛裝配領(lǐng)域普遍仍在使用氣動(dòng)工具和扭力扳手，原因主要有兩點(diǎn)，一是電動(dòng)工具成本高，二是底盤擰緊作業(yè)空間小，操作受限，擰緊扭矩大，考慮反力后懸掛或者固定機(jī)械臂形式笨重不夠靈活，覆蓋范圍有限。

輸送線上的多軸擰緊機(jī)設(shè)備主要包括輪胎擰緊機(jī)、前后橋擰緊機(jī)兩類，多自動(dòng)多軸擰緊可以極大的提高工作效率，本文針對底盤前后橋工位設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)多軸擰緊機(jī)，采用AGV可移動(dòng)特性，與擰緊機(jī)系統(tǒng)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)加抗反力的工作要求。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用定制AGV，尺寸2000x1040x350，由七部分組成：全向移動(dòng)底盤、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、控制面板、電源系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等組成，使用了麥克納姆輪作為輪組，其特點(diǎn)在于只需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)不需要轉(zhuǎn)向就可以實(shí)現(xiàn)該AGV小車在平面內(nèi)全方位的移動(dòng)，包括前進(jìn)后退、側(cè)向左右平移、繞中心自轉(zhuǎn)、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向前進(jìn)等行走功能。

擰緊機(jī)系統(tǒng)為四軸可升降、可無級變徑，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由擰緊軸固定以及電機(jī)變徑兩大部分，擰緊軸固定結(jié)構(gòu)包含前后安裝板及軸安裝板，用于和支持?jǐn)Q緊軸本體；變徑機(jī)構(gòu)包含滑軌、滑塊、絲杠、及電機(jī)安裝等，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)用于控制擰緊軸在X軸、Y軸兩個(gè)方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多種中心距的無級變徑功能。整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 AGV小車主要參數(shù)

麥克納姆輪與地面摩擦系數(shù)μ=0.15，額定載荷加車體自重m≈1000kg，車體移動(dòng)速度v=0.5m/s，傳動(dòng)效率η=0.8，則對應(yīng)的電機(jī)總功率：

麥克納姆輪直徑D為260mm，根據(jù)v=nπD，算的轉(zhuǎn)速為36r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速2500r/min，減速機(jī)減速比i為50，啟動(dòng)加速度a=0.1m/s2，電機(jī)減速機(jī)效率η=0.8，n為驅(qū)動(dòng)數(shù)，單個(gè)輪的扭矩為：

電機(jī)輸出扭矩：

2.2 伺服變徑主要參數(shù)

擰緊軸重量Wb=10.2kg，安裝連接板附件等重量Ws≈5kg，單軌滑動(dòng)摩擦系數(shù)0.1，單方向（x或者y）摩擦系數(shù)μ取0.2，傳動(dòng)效率η取0.8，Pb=5mm，那么電機(jī)軸的輸出扭矩為：

其中：

Pb：滾珠絲杠螺距(m)；

μ：摩擦系數(shù)；

η：傳動(dòng)系數(shù)的效率；

Wb：單根軸重量；

Ws：安裝附件總重量；

功率P=TN/9550，T為扭矩，N為轉(zhuǎn)速。在額定轉(zhuǎn)速下，電機(jī)功率0.28Kw。選擇相應(yīng)品牌適合的伺服電機(jī)產(chǎn)品即可。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)分為五大部分，由電池管理系統(tǒng)、AGV控制系統(tǒng)、伺服變徑系統(tǒng)、擰緊系統(tǒng)組成、IO控制系統(tǒng)，采用鋰電池為伺服電機(jī)供電進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，AGV全向小車采用四套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，獨(dú)立控制四套麥克納姆輪。其中IO控制系統(tǒng)主要用于輸入輸出IO信號的采集和控制，升降電機(jī)使用接觸器控制也在該部分中。

整體控制系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框架

3.1 供電和電源管理系統(tǒng)

供電系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池組、逆變電源、開關(guān)電源和電源管理模塊組成。逆變電源采用48V轉(zhuǎn)380V，供ATLAS控制器電源及電機(jī)及伺服供電，整體功率大約為3.5KW，電池規(guī)格48VX80Ah磷酸鐵鋰電池2組，能連續(xù)運(yùn)行1.8小時(shí)，擰緊工作屬于間歇性作業(yè)，每次擰緊時(shí)間一般不超過15S，加上AGV運(yùn)行對位的時(shí)間，每天作業(yè)次數(shù)能夠達(dá)到將近200次/天，另外通過電路轉(zhuǎn)換和拖鏈供電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)外部供電工作。

電源管理模塊主要包括電源的變換隔離、電池管理和充電機(jī)，BMS電池系統(tǒng)監(jiān)控電池的放電過程的電壓、電流、剩余電量等參數(shù)，當(dāng)整車運(yùn)行過程中出現(xiàn)欠壓、欠流等電源故障時(shí)，該系統(tǒng)向主控系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)行參數(shù)的同時(shí)，也向主控系統(tǒng)發(fā)送故障報(bào)警信號，提示客戶充電，并通過PLC鎖定使能信號，禁止變徑和擰緊動(dòng)作，僅保留AGV本身的運(yùn)動(dòng)，避免對電池造成損害，控制流程如圖3所示。

圖3 電池管理系統(tǒng)

3.2 AGV控制系統(tǒng)

AGV控制由無線發(fā)射端、接收端以及PLC組成，發(fā)射采用無線遙控器操控方式，通過無線搖桿遙控AGV的行走，五檔速度調(diào)節(jié)，用于準(zhǔn)確對位。集成擰緊機(jī)控制按鈕，可以在遙控器上控制擰緊系統(tǒng)的啟動(dòng)、檔位選擇以及升降電機(jī)的動(dòng)作控制箱體上升及下降。采用433MHz無線通訊，具有抗干擾能力強(qiáng)、通訊距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。發(fā)射端布局如圖4所示。

圖4 AGV發(fā)射端布局圖

接收端采用了RS485輸出，采用MODBUS協(xié)議與西門子1200擴(kuò)展485模塊進(jìn)行通訊，將接收端獲取到的方向速度轉(zhuǎn)換成伺服參數(shù)控制伺服電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作實(shí)現(xiàn)整體的移動(dòng)。接收端與PLC通訊485報(bào)文自定義規(guī)約，寫入內(nèi)容主要包括伺服的控制（啟停、復(fù)位、方向）和速度值，規(guī)約發(fā)送數(shù)據(jù)幀如表1所示。

表1 發(fā)送規(guī)約數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3.3 伺服變徑系統(tǒng)

對于中心距超過3個(gè)以上的應(yīng)用需求，普通的氣缸機(jī)械結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)，因此采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行變徑是目前主流的方式，該設(shè)備使用西門子V90系列伺服控制器，其產(chǎn)品性能優(yōu)異，成本低，并且集成了多種模式：外部脈沖位置控制、內(nèi)部設(shè)定值位置控制、速度控制和扭矩控制。通過SINAMICSV-ASSISTANT調(diào)試工具快速便捷進(jìn)行伺服參數(shù)設(shè)置和優(yōu)化。

S71200可以通過PROFINET通訊連接V90伺服驅(qū)動(dòng)器，將V90驅(qū)動(dòng)器的控制模式設(shè)置為“基本位置控制”（EPOS），PLC通過111報(bào)文及TIA Portal提供的驅(qū)動(dòng)庫中的功能塊FB284可實(shí)現(xiàn)V90的EPOS基本定位控制，該功能塊如圖5所示。

圖5 FB284功能塊

3.4 擰緊系統(tǒng)

設(shè)備采用Atlas PowerMacs 4000系列擰緊系統(tǒng)，該系統(tǒng)能為各種裝配部件中的擰緊操作提供完美的解決方案[4]，使用含1個(gè)帶PROFINET通訊板卡的主控制器、3個(gè)副控制器以及一個(gè)電源控制器。副控制器和主控制器之間采用以太網(wǎng)連接，再通過主控制器連接到設(shè)備交換機(jī)上。

通訊方式為將PLC輸入輸出信號，通過西門子內(nèi)部DPRD_DATA和DPWR_DATA兩個(gè)指令來讀寫ATLAS對應(yīng)的映射區(qū)域內(nèi)的輸出輸入信號，完成對擰緊控制器的控制和訪問，圖6為吸入指令整個(gè)邏輯流程，其中中間虛線區(qū)域?yàn)镻LC內(nèi)部邏輯處理過程。

圖6 PLC控制ATLAS示意

3.5 HMI

觸摸屏主界面用于顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及部分參數(shù)設(shè)定，包括四根擰緊軸的擰緊結(jié)果、擰緊數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，以及顯示遙控器、伺服、軸連接、系統(tǒng)急停、電量預(yù)警、速度顯示等信號狀態(tài)，給操作者直觀的顯示。

其他界面，AGV伺服界面可以設(shè)置AGV高低中三個(gè)速度的范圍值，通過遙控器選擇高低中速后可以在對應(yīng)的范圍內(nèi)動(dòng)作，變徑伺服界面可以設(shè)定X、Y方向伺服電機(jī)的對應(yīng)的每個(gè)檔位的位置值，提供12組位置設(shè)定，能夠支持12種中心距的車型，適應(yīng)柔性化生產(chǎn)。IO狀態(tài)界面可以顯示設(shè)備所有的IO信號的狀態(tài)，包括開關(guān)、限位、接近開關(guān)、報(bào)警燈等。報(bào)警日志記錄設(shè)備的報(bào)警觸發(fā)信息，方面維修人員進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)和維護(hù)。HMI主界面示意圖如圖7所示。

圖7 HMI主界面

3.6 上位機(jī)及SQL數(shù)據(jù)庫

控制器連接AP，工位旁工業(yè)計(jì)算機(jī)配備無線網(wǎng)卡，通過無線通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)由ATLAS提供的PowerMACS API與控制器交互數(shù)據(jù)，該API是給用戶和主控制器TC中建提供接口服務(wù)的軟件庫，技術(shù)上它作為Microsoft ActiveX組件來實(shí)現(xiàn)，它的主要優(yōu)勢在于提供了描述公共接口的標(biāo)準(zhǔn)方式[4]。在Windows平臺下使用C#開發(fā)上位機(jī)軟件，通過調(diào)用其提供的函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)讀取擰緊結(jié)果和擰緊曲線，給操作者提供更為直觀的狀態(tài)顯示，該設(shè)備系統(tǒng)API訪問框架如圖8所示。

圖8 API訪問框架圖

其中GetCycleData函數(shù)可以獲取擰緊結(jié)果和數(shù)據(jù)，GetEvent函數(shù)可以獲取控制器的事件信息，GetTrace函數(shù)用于獲取擰緊的曲線，最終將數(shù)據(jù)寫入SQL中，便于與MES系統(tǒng)對接。

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于AGV移動(dòng)的擰緊機(jī)方案，對整個(gè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分選型進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算，并詳細(xì)的介紹了控制系統(tǒng)的原理，該設(shè)備可以用于客車廠總裝車間底盤工位等操作空間受限制的場合對螺栓進(jìn)行擰緊操作，大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。另一方面使用全自動(dòng)擰緊機(jī)可以有效的降低漏擰、錯(cuò)擰的概率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可追溯的功能，提高了裝配質(zhì)量，在實(shí)際應(yīng)用中有著良好的效果。