AGV小車在汽車涂裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用

劉品言，張川，趙劍，張紅軍，孫世靖，張雪超，胥冉

（中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300000）

自動導(dǎo)引車(俗稱AGV小車)發(fā)展由來已久，在20世紀(jì)50年代已經(jīng)開始得到應(yīng)用，到21世紀(jì)初期日臻成熟，在工業(yè)制造和倉儲物流領(lǐng)域到處都有它的身影(如圖1所示)，其工件載重能力也能夠覆蓋幾百公斤到數(shù)十噸不等，適用于從日用品物流到大型重型機械設(shè)備轉(zhuǎn)運等工作，應(yīng)用場景也隨著工廠數(shù)字化、智能化的發(fā)展得到了極大的拓展。目前AGV以歐美、日本等發(fā)達國家和地區(qū)的技術(shù)為主，在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。近年來，隨著中國國內(nèi)網(wǎng)上消費市場的快速興起及汽車制造領(lǐng)域達到年2 000萬以上的產(chǎn)銷量，加之制造業(yè)人力成本不斷上升，勞動力開始出現(xiàn)短缺現(xiàn)象，而AGV小車由于技術(shù)不斷進步，其制造成本不斷降低，國內(nèi)AGV小車的生產(chǎn)和應(yīng)用越來越普遍。

圖1 典型的AGV小車Figure 1 Photo of a typical AGV

1 AGV小車的優(yōu)點

AGV小車作為一種智能運載工具，目前主要有五大優(yōu)點：

(1) 節(jié)省人力。AGV的運行過程可以無人化操作，這也是傳統(tǒng)的叉車、物流牽引車所不能比擬的，企業(yè)的人工成本得到了降低。

(2) 高柔性。AGV可以在通過性允許的條件下通過調(diào)度程序的控制來實現(xiàn)路徑轉(zhuǎn)移，在設(shè)備位置變化后簡單通過調(diào)度編程即可實現(xiàn)路徑更新[1]。

(3) 使用成本低。單體小車價格較低，且由于其原理簡單，因此便于機電元件維護和更換。

(4) 人機工程好。目前越來越多的應(yīng)用場景嘗試將機器人、機械臂配合視覺技術(shù)集成在AGV小車上，以適應(yīng)各種高度的庫位需求，使工人的搬運強度和難度大大降低。

(5) 零排放，沒有尾氣污染。對很多車間來說，空氣質(zhì)量一直是職業(yè)健康的重要關(guān)注點之一。AGV在使用上延續(xù)了電瓶車的優(yōu)勢，可以自動充電，沒有尾氣排放，不會對車間的空氣產(chǎn)生污染。

2 AGV系統(tǒng)的組成

AGV小車主要是由車體、車載控制系統(tǒng)、調(diào)度控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全與輔助系統(tǒng)、工藝執(zhí)行系統(tǒng)等組成，根據(jù)上位調(diào)度系統(tǒng)的指令在 PLC(可編程邏輯控制器)或者單片機控制器的程序控制下完成移動及工藝動作。其中車載的控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、行走系統(tǒng)及供電系統(tǒng)是AGV小車的核心組成。

2.1 控制系統(tǒng)

在AGV小車的結(jié)構(gòu)中，PLC或單片機控制器是控制的核心單元，障礙物識別傳感器(如P+ F 2000或Sick Visionary T)為控制系統(tǒng)提供外部信號輸入并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。PLC對信號進行處理后，輸出數(shù)字量信號控制電機驅(qū)動器，從而控制AGV小車的行走或停止。小車車體上一般安裝有操控面板，包含啟動、停止、復(fù)位、急停等按鈕，同時應(yīng)當(dāng)有電源指示、運行指示，急停指示、故障指示以及報警提示等功能。

2.2 導(dǎo)航系統(tǒng)

導(dǎo)航系統(tǒng)是保證AGV小車能沿正確路徑行走的關(guān)鍵。隨著技術(shù)進步，AGV的導(dǎo)航系統(tǒng)按有無導(dǎo)引路線大致分為3種：

(1) 磁導(dǎo)航方式。此方式一般需要對地面進行基本改造，在規(guī)劃好的行走路徑上鋪設(shè)磁條或磁釘，通過磁感應(yīng)信號進行導(dǎo)航。此種方式的優(yōu)點是成本低廉，磁感應(yīng)信號穩(wěn)定，缺點是磁條容易被其他金屬機械碰傷，不便于清理和維護，尤其對于汽車涂裝車間來說，磁條可能成為灰塵積聚的源頭，令涂裝車間中防塵保潔的難度增大，因此不建議涂裝車間采用磁導(dǎo)航方式。

(2) 光學(xué)控制的導(dǎo)航方式。這種方式主要有基于二維碼和色帶的兩種常見方案。利用慣性導(dǎo)航原理，通過在一定間距的地面上(一般間隔500 ~ 1 500 mm)設(shè)置二維碼條，當(dāng)小車經(jīng)過每個二維碼時，可以根據(jù)程序設(shè)定確定下一個行走動作。這種方式的優(yōu)點是靈活性高，便于改造或適配新的設(shè)備布局，而且擁有較高的精度。然而二維碼也容易被污染或者出現(xiàn)缺損。為了防止二維碼污損而失效，可考慮采用鋼印方式制作二維碼或者自我多重備份，以確保部分二維碼的缺失不會影響掃描結(jié)果。色帶則對周邊光源比較敏感，而且需要經(jīng)常維護，可靠性不高。

(3) 空間導(dǎo)航方式。此方式往往需要利用反光板或激光SLAM(simultaneous localization and mapping，即同時定位與建圖)導(dǎo)航。在AGV行駛路徑周圍固定位置安裝精確的反光板，AGV通過發(fā)射激光束，同時采集反射的激光束，從而確定當(dāng)前位置，通過運算來實現(xiàn)導(dǎo)航；SLAM導(dǎo)航則是通過激光雷達實時觀測周圍場景，創(chuàng)建地圖并修正AGV的空間位置來實現(xiàn)導(dǎo)航。空間導(dǎo)航的優(yōu)點是無需大量的地面基礎(chǔ)改造，但SLAM導(dǎo)航對環(huán)境條件要求較高，靈活度不高，因此并未在汽車制造車間大量應(yīng)用。

對于汽車涂裝車間而言，易維護性和靈活性都是很重要的考慮因素。具體采用哪種導(dǎo)航方式，應(yīng)根據(jù)使用的環(huán)境和功能來判斷。有時當(dāng)單一導(dǎo)航方式無法滿足所有功能需要時，則可以考慮多種導(dǎo)航共同作用的復(fù)合導(dǎo)航方式。

2.3 行走系統(tǒng)

在國內(nèi)，AGV制造領(lǐng)域主要采用無刷直流電機作為小車的動力電機[2]。

無刷電機控制的基本原理是：PLC把外部傳感器提供的信息輸送給無刷電氣驅(qū)動器發(fā)出控制指令，無刷電機驅(qū)動器按照設(shè)定的參數(shù)控制電機的啟動、停止、調(diào)速等。

2.4 供電系統(tǒng)

電池是保證AGV轉(zhuǎn)運效率和產(chǎn)線節(jié)拍的關(guān)鍵，AGV應(yīng)設(shè)有電能監(jiān)控系統(tǒng)，合理計算電能使用狀態(tài)并執(zhí)行自動充電任務(wù)[3]。對于電池的應(yīng)用，國外通常傾向于使用超級電容作為能量儲存介質(zhì)，有時也利用混合電池(如以超級電容為主，鎳氫電池作為備用)，它們各自的優(yōu)點見圖2。在苛刻條件下，為了減小超級電容的質(zhì)量，也可采用邊走邊充的方案，這樣就需要在地面預(yù)埋無線充電線纜(一般無線充電電纜單根不超過80 m)，因此對地面基礎(chǔ)的改造工作較多。而國內(nèi)廠商更多地使用鋰電池，由于動力電池在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，動力電池在能量密度和充放電效率方面得到了大幅提升，因此鋰電池的應(yīng)用更為廣泛。

圖2 超級電容(a)和復(fù)合電池(b)的對比Figure 2 Comparison between supercapacitor (a) and composite battery (b)

3 AGV小車在汽車涂裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用

時下各整車廠為實現(xiàn)自動化柔性運輸及裝配，都在嘗試將AGV應(yīng)用于車間物流轉(zhuǎn)運。由于具有高柔性和可編程特性，AGV已經(jīng)大面積替代現(xiàn)有人工駕駛拖車對料架進行轉(zhuǎn)運(如圖3所示)，以沖壓、焊裝和總裝車間物流分揀應(yīng)用最為典型[4]。此外由于理論上可以集成各種類型的工裝或夾具，AGV被逐漸應(yīng)用在生產(chǎn)主線的各種合裝或裝配的場合，如底盤合裝線、車門分裝線、發(fā)動機分裝線等區(qū)域。AGV也有背負(fù)式、牽引式、潛入式、叉車式等多種負(fù)載方式，以應(yīng)對不同的實際場景。

圖3 物料貨架AGVFigure 3 AGV for conveying material shelf

涂裝生產(chǎn)線由于工藝復(fù)雜，各工序之間往往只能采用傳統(tǒng)的機運系統(tǒng)(如前處理電泳擺桿和翻轉(zhuǎn)機，烘干爐中的高溫輥床等)，由于要滿足工藝所需的環(huán)境要求，因而對AGV的使用場景并不友好。然而，基于人效提升和自動化程度的需求，部分整車廠逐漸開始嘗試在涂裝車間某些場景中應(yīng)用AGV，主要有兩類：

第一類，生產(chǎn)線邊物流流轉(zhuǎn)。利用AGV代替原有的牽引車和物料配送工人，進行產(chǎn)線邊物料架運輸(如工裝夾具拆裝，墊片、堵件安裝)，如圖4所示。由于涂裝車間的運輸通道往往受限，因此許多區(qū)域仍然需要人車混流通行，而AGV的體型一般小于料架尺寸，能以潛伏方式牽引料架行走。此種情況下往往需要對原有固定料架同步做基本的改造，使得料架滿足一定的尺寸要求，料架底部要有足夠的高度令 AGV進行潛伏運輸，同時還要確保工人能夠便利地取到工裝夾具。在確定AGV數(shù)量的過程中需要考慮結(jié)合交通管制規(guī)則來確定相應(yīng)的擁堵系數(shù)(15% ~ 20%)，并根據(jù)充電位置與運輸主線路的位置關(guān)系而考慮一定的充電系數(shù)(25% ~30%)，當(dāng)然也可以通過仿真模擬來驗證物流方案的可行性。

圖4 物料AGV操作流程Figure 4 Operation flowchart of AGV for conveying materials

第二類，在涂裝主線與儲備區(qū)之間進行車身轉(zhuǎn)運，比如集中布置點修補和重返修線，在車身修補的工作間與儲備區(qū)之間利用AGV進行輸送。此方案的思路是：對于修補線來說，底漆修飾、面漆修飾和點修補等工種在工作內(nèi)容和工具方面有很多相通點，一般都要進行點打磨、補漆、用烤燈烘烤等工作，工人進行了相同的培訓(xùn)之后經(jīng)?？梢曰檠a充，這樣在特殊情況出現(xiàn)(如有大批次質(zhì)量缺陷)時，可以實現(xiàn)人員崗位的柔性調(diào)動，從而緩解因大批次質(zhì)量缺陷而導(dǎo)致的停產(chǎn)。

點修補采用集中布置后，對應(yīng)的上下游工藝布置也需要進行相應(yīng)調(diào)整，以確保物流順序和車身方向滿足要求。根據(jù)仿真模擬，對于60 JPH涂裝生產(chǎn)線上集中布置的點修補和重返修區(qū)域，在點修補率13%、重返修率2%的情況下，至少需要設(shè)置40個以上如圖5所示的存儲庫位，同時考慮到AGV安全行駛速率、交通管制規(guī)則、先進先出等要素，一般要保證有5 ~ 6臺AGV。

圖5 適配車身的存儲位Figure 5 Storage position of car body

筆者相信，AGV在涂裝領(lǐng)域的應(yīng)用不會止步于小區(qū)域的應(yīng)用或者單純代替輔料轉(zhuǎn)運小車，而是會逐步研發(fā)出能夠應(yīng)用于局部苛刻環(huán)境的AGV設(shè)備。目前中汽工程已針對新型干式紙盒漆霧捕捉系統(tǒng)，開發(fā)出了可以自動進行紙盒更換的AGV小車，能夠在過濾紙盒需要更換時，在不停產(chǎn)的情況下由AGV小車自動用新紙盒替換廢紙盒，并將廢紙盒送到指定存放區(qū)。此種應(yīng)用不僅最大程度地避免了工人與危廢物品及有刺激性氣味的廢紙盒接觸的機會，而且極大地提高了效率。

4 結(jié)語

AGV作為高柔性、結(jié)構(gòu)簡單、維修便利的自動輸送設(shè)備，在智慧倉儲和工業(yè)自動化領(lǐng)域正以每年高于40%的市場增長量高速發(fā)展，汽車沖壓、焊裝和總裝生產(chǎn)線都在物流儲運和數(shù)字化生產(chǎn)領(lǐng)域大量地以AGV系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物流技術(shù)，汽車涂裝制造領(lǐng)域也已經(jīng)開始利用其優(yōu)勢來提高人效和生產(chǎn)柔性。AGV小車的發(fā)展為未來數(shù)字化工廠和無人化工廠的實現(xiàn)提供了重要的技術(shù)支撐。相信隨著視覺自動識別、空間導(dǎo)航、機器人自動化集成等領(lǐng)域的進步，AGV作為柔性輸送的典型應(yīng)用，在涂裝制造領(lǐng)域?qū)⒕哂懈訌V泛的應(yīng)用場景。