一種智能AGV 汽車的立體焊裝系統(tǒng)設(shè)計研究

畢愿江

一汽模具制造有限公司 吉林省長春市 130013

1 引言

隨著我國科技的不斷發(fā)展，越來越多的智能化設(shè)備逐漸出現(xiàn)在各式各樣的工廠當(dāng)中，人們也在不斷追求工廠的智能化與科技化，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的背景下，許多科技概念也被人們提出，例如黑燈工廠、無人工廠等。就汽車的立體焊接安裝車間而言，國內(nèi)的焊接工藝與國外相比較為落后，汽車的焊接安裝工作存在工廠生產(chǎn)線供貨緩慢、生產(chǎn)效率低下的問題。在這樣的工業(yè)應(yīng)用背景之下，AGV 技術(shù)應(yīng)運而生，能夠有效降低工廠關(guān)于原料輸送的人工成本，并且能夠極大提升工廠的工作效率，同時在一定程度上優(yōu)化國內(nèi)汽車立體焊接安裝的工藝流程。自動導(dǎo)航車技術(shù)（Automated Guided Vehi-cles，AGV）對于大型工廠的生產(chǎn)線而言，是一種新型優(yōu)質(zhì)的原料輸送裝置，相較于傳統(tǒng)的人工搬運、人工操作機器等方式對原料進行搬運工作，AGV 技術(shù)的應(yīng)用能夠極大提升工廠的生產(chǎn)線供貨問題，以當(dāng)今的科技發(fā)展趨勢來看，結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)背景，AGV 技術(shù)作為一種新型的物料搬運設(shè)備一定能夠在今后的工廠產(chǎn)線工作中大放異彩。AGV 技術(shù)不僅可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工搬運，使工廠產(chǎn)線的生產(chǎn)變得更加靈活多樣，同時AGV 技術(shù)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)意義上的生產(chǎn)線平臺化限制，可以將多種車型、多種物料進行混合搬運處理，極大提升工廠的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)能力，同時在AGV 技術(shù)的加持下，有效提升工廠產(chǎn)線的吞吐量，極大提升工廠的經(jīng)濟效益。

2 工廠的立體焊裝系統(tǒng)環(huán)境搭建

2.1 工廠立體焊裝體統(tǒng)環(huán)境搭建概述

目前汽車工廠的立體焊裝工藝生產(chǎn)線采取傳統(tǒng)的人工物料搬運方式，本文設(shè)計采用AGV 自動運料導(dǎo)航車與傳統(tǒng)產(chǎn)線相結(jié)合的方法，待上述方法取得一定成效之后，進一步擴大AGV 的應(yīng)用范圍與應(yīng)用深度，通過一步步提高AGV 在工廠運料設(shè)備的生產(chǎn)份額來提升工廠智能化與自動化的水平。

AGV 技術(shù)與傳統(tǒng)焊裝產(chǎn)線融合方案將工廠分為幾個主要的區(qū)域，分別為上料區(qū)、分布焊接區(qū)、總焊接區(qū)與下料區(qū)四部分，通過上述四部分區(qū)域相互協(xié)作，共同完成工廠的多種車型混合、多種材料供應(yīng)的工作要求，實現(xiàn)一定產(chǎn)品層級下的工廠生產(chǎn)的多樣化與高效化。柔性兼容混合的工廠生產(chǎn)線控制具體操作為：首先對運送的物料以及目標(biāo)焊裝車型進行識別、區(qū)分以及篩選，將產(chǎn)品型號類似的車型進行選擇與分類，之后使用AGV物料運送車進行物料運送時，便能夠?qū)⑾鄳?yīng)類似型號的汽車產(chǎn)品的物料進行統(tǒng)一配送，極大節(jié)省運送時間，提高工作效率，且型號類似的汽車產(chǎn)品零部件被AGV 物料運送車運送時，能夠使用型號一致的夾具進行抓夾操作，省去更換夾具的操作能夠節(jié)省能源，同時提高工作效率；當(dāng)AGV 進行另一類型物料運送工作時，首先需要更換裝夾物料的夾具，更換夾具時，先將夾具在相應(yīng)的夾具更換停止位固定，之后通過對應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)將夾具的牽引銷收縮，此時AGV 的夾具便實現(xiàn)與AGV 的脫離，并且通過相應(yīng)的操作人員在夾具庫中更換相應(yīng)型號的夾具，再由相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)安裝上牽引銷，最終實現(xiàn)夾具的更換操作。

2.2 AGV 控制系統(tǒng)構(gòu)建

2.2.1 AGV控制系統(tǒng)總體設(shè)計

AGV 控制系統(tǒng)的搭建是基于PLC 硬件進行的?；赑LC 進行AGV 控制系統(tǒng)搭建的過程中，首先要根據(jù)工廠的實際場地、生產(chǎn)產(chǎn)品的特點以及工作流程與工藝等進行實際應(yīng)用的模擬實現(xiàn)，根據(jù)模擬實現(xiàn)的結(jié)果采取更加穩(wěn)定優(yōu)化的設(shè)計方案，并且結(jié)合AGV 運行時的各項參數(shù)要求，設(shè)計出更加契合相應(yīng)工廠生產(chǎn)線的工作模塊，同時要在盡量兼顧實際生產(chǎn)過程中的控制復(fù)雜程度，盡量降低控制的復(fù)雜性，進而降低生產(chǎn)成本。AGV 系統(tǒng)的整體設(shè)計分為主循環(huán)模塊、初始化模塊與應(yīng)急模塊，三者相輔相成，共同實現(xiàn)AGV系統(tǒng)整體的良好運作。同時將AGV 系統(tǒng)分幾大模塊進行設(shè)計可以更好地進行系統(tǒng)的管理與優(yōu)化。當(dāng)系統(tǒng)開始使用時，首先要激活初始化模塊，其激活方式可以通過藍牙。按鍵開關(guān)、無線數(shù)據(jù)傳播等多種方式，將整體系統(tǒng)初始化之后，系統(tǒng)進入主循環(huán)模塊，開始進行既定的程序操作，當(dāng)AGV 在工作過程中遇到某些突發(fā)情況，系統(tǒng)將會出發(fā)應(yīng)急模塊，及時采取相應(yīng)的保護措施，保護運送的物料以及AGV 自動導(dǎo)航車自身。

2.2.2 AGV控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

一輛自動導(dǎo)航車的設(shè)計不僅要有整體的設(shè)計作為骨架、精確的軟件設(shè)計作為大腦，同時要有可靠的硬件作為四肢以及肌肉，因此對于AGV 而言，可靠穩(wěn)定的硬件設(shè)計是必不可少的。關(guān)于AGV 的硬件系統(tǒng)設(shè)計，首先要考慮AGV 實際工作的工況，考慮相關(guān)的環(huán)境因素對AGV 的影響，保證其能夠穩(wěn)定持久的進行工作，同時滿足各項工作的要求，例如相應(yīng)的工作尺寸、轉(zhuǎn)速、符合等參數(shù)要求應(yīng)該滿足基礎(chǔ)負荷標(biāo)準(zhǔn)。對于負責(zé)運送物料的自動導(dǎo)航車而言，不需要其具有精美的外觀結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)外形尺寸要求能夠滿足工廠的工況要求即可，在其車體之內(nèi)安裝有驅(qū)動電機和轉(zhuǎn)向電機，用于控制自動導(dǎo)航車的方向和動力，同時在車身的周圍安裝相應(yīng)的黃色警示燈，起到警示作用，同時保證其應(yīng)急模式啟動時能夠有明顯的燈光提示。同時在車身內(nèi)應(yīng)配有PLC 控制器，用于其車身的控制及各項模式的切換，同時應(yīng)該設(shè)置有相應(yīng)的IO 接口。

2.2.3 AGV控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

自動導(dǎo)航車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是自動導(dǎo)航車功能的精髓所在，精確穩(wěn)定的軟件控制能夠幫助自動導(dǎo)航車有效地在工廠中進行工作，基于PLC 進行AGV 控制系統(tǒng)的設(shè)計，首先要選取合適的PLC 型號，之后選擇一系列輸入、輸出的模塊、電源模塊等，完成對PLC 的組態(tài)，之后通過STEP7 或者博圖軟件進行PLC 的程序編寫，PLC 控制中心主要進行輸入、輸出端口地址的分配，保證系統(tǒng)的合理運行。此外還會選擇安裝CPI、EM222等模塊進行擴展，保證系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。

3 AGV 系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用研究

3.1 AGV 在各生產(chǎn)線工作流程研究

3.1.1 供料站工作流程研究

供料站的產(chǎn)線設(shè)計要求為能夠儲存原材料，作為整個工廠的存儲倉庫，供料站的產(chǎn)線一般設(shè)置于碼垛站附近，將原材料送至之后，經(jīng)過碼垛站的處理，將原材料位置整理好，為整個工廠相應(yīng)產(chǎn)線后續(xù)的原料輸送保駕護航。AGV 在供料站的工作流程如下：首先AGV 要將目標(biāo)原材料輸送至供料站的原料平臺處，同時經(jīng)過系統(tǒng)自帶的原料信息條形碼將每一個原材料的屬性進行核對，確保運送之前原材料的相應(yīng)的尺寸或?qū)傩砸竽軌驖M足，之后AGV 將原料通過夾具放置AGV 車身之上，按照程序設(shè)定好的路線進行原料輸送，輸送至碼垛站材料指定放置處，由碼垛站進行材料的收集整理。在產(chǎn)線的工作還沒有開始之前，AGV 小車就應(yīng)該按照程序的設(shè)定，自動將小車開至供料站或者搬運站附近，同時對供料站相應(yīng)的磁條卡進行識別，AGV車身內(nèi)的PLC 控制中心便會自動識別相應(yīng)的磁條信息，同時通過自動化的信息處理與相應(yīng)的大數(shù)據(jù)功能完成對信息的識別與加載，最后將該供料站相對應(yīng)的原料夾具信息確認好，之后便使用確認好的夾具進行原料的夾取工作。夾取之后由PLC 下達控制指令，完成整個流程。

3.1.2 搬運站工作流程研究

對于大部分汽車立體焊裝的工廠而言，其相應(yīng)的原材料為汽車的零部件，這樣的零部件往往都是已經(jīng)經(jīng)過上一道工序嚴格處理的，因此相應(yīng)的產(chǎn)品或者零部件信息都會以條形碼的形式附帶在零部件機身，對于AGV而言，應(yīng)該首先識別相對應(yīng)的產(chǎn)線信息，依據(jù)產(chǎn)線的整體參數(shù)及屬性確定自身夾具所使用的規(guī)格，便于后續(xù)進行產(chǎn)線產(chǎn)品的搬運與搬運站內(nèi)產(chǎn)品的整理工作，在識別好產(chǎn)品信息和產(chǎn)線信息之后，由PLC 控制中心對硬件系統(tǒng)下達指令，使其更換出合適的工件夾具，便于后續(xù)進行工件的夾取操作，以及將搬運站內(nèi)的工件進行整理操作。

3.2 立體焊裝產(chǎn)線AGV 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.2.1 AGV電氣回路設(shè)計

進行AGV 電氣回路的設(shè)計，首先要確定相應(yīng)的AGV 對于電氣模塊的要求如何，對于工作的地點、范圍已經(jīng)工件要求有全面的分析與考察，之后結(jié)合考察的內(nèi)容與結(jié)果設(shè)計AGV 的電氣回路與電氣模塊，保證其具有足夠的功率，同時電池模塊能夠為AGV 的工作提供充足的動力，保證其動力系統(tǒng)能力充足，且不會因為一些故障導(dǎo)致AGV 進入應(yīng)急模式，無法正常工作，同時還應(yīng)該設(shè)計好電氣回路相應(yīng)的IO 接口模塊，保證其能夠與PLC控制中心進行信息的傳遞與交流。AGV 的驅(qū)動電機與轉(zhuǎn)彎電機為AGV 的主要動力源，上述電機需要充足的功率以滿足其工作要求，同時應(yīng)該具有完善的電池系統(tǒng)保證整體功能的完善與穩(wěn)定，同時還應(yīng)該能夠循環(huán)利用，電池系統(tǒng)應(yīng)該具有相應(yīng)的充電模塊，保證AGV 沒有能源動力之后能夠及時補充，延長AGV 系統(tǒng)的運行工作時間，提升整個工廠產(chǎn)線的工作效率。

3.2.2 AGV精準(zhǔn)定位設(shè)計

AGV 的精準(zhǔn)定位設(shè)計要求主要指要求AGV 自動導(dǎo)航車在工作前以及承載物料之后都應(yīng)該能夠準(zhǔn)確地停到相應(yīng)的位置，工作前應(yīng)該停至上料區(qū)的相應(yīng)裝載區(qū)域，上料區(qū)的物料經(jīng)過傳動裝置運送至裝載區(qū)域，由AGV的相應(yīng)夾具手進行物料的裝載，將其裝載與自身車身之后，由AGV 帶動運送至焊裝區(qū)域進行加工操作，這里同樣需要精確的定位，否則焊裝操作的操作手無法準(zhǔn)確識別與夾取相應(yīng)的工件，可能會導(dǎo)致對工件造成損傷，及時沒有損傷，重新定位識別同樣是浪費生產(chǎn)時間與生產(chǎn)成本，降低工作效率。因此對于AGV 而言，需要預(yù)先設(shè)定好相應(yīng)的軟件程序，根據(jù)這些程序?qū)β窂竭M行規(guī)劃識別，同時對位置進行準(zhǔn)確定位。具體的實施方法可以通過在AGV 車底部安裝相應(yīng)的攝像機，通過攝像機對AGV 行駛的道路進行路面拍攝，實時進行圖像的識別處理操作，當(dāng)進入定位區(qū)域之后，由同樣由攝像機進行拍攝，當(dāng)所拍攝照片與軟件系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好的照片相匹配，其相似度達到95%以上，即可以認為AGV 此時已經(jīng)處于正確的上料位置，可以進行上料操作。

同時AGV 小車的精確定位操作可以由識別停車標(biāo)識的方式實現(xiàn)，而停車標(biāo)識不是傳統(tǒng)意義上的道路標(biāo)識，這樣的標(biāo)識有多種手段可以實現(xiàn)，例如通過磁力來進行AGV 自動導(dǎo)航車的位置確定，在AGV 自動導(dǎo)航車上設(shè)定好相對應(yīng)的磁力裝置，當(dāng)經(jīng)過產(chǎn)線站點預(yù)先設(shè)定的磁力裝置時，磁力相互產(chǎn)生作用，將這樣的力的作用轉(zhuǎn)化為電流，將這樣的電流信號傳遞給PLC 控制中心，由控制中心進行信號的識別與處理，識別為磁力信號之后便認為已經(jīng)到達需要停車的位置，通過這樣的方式滿足定位要求；同時還可以使用光學(xué)的方式來進行AGV 自動導(dǎo)航車的定位操作，通過在AGV 上安裝有光學(xué)傳感器以及相應(yīng)的識別裝置，在產(chǎn)線站點位置處設(shè)定好相應(yīng)的黑色膠帶，用于光學(xué)的區(qū)分，這樣當(dāng)AGV 自動導(dǎo)航車經(jīng)過設(shè)定位置時，黑色膠帶不會反射光線，這樣便與周圍的位置進行區(qū)分，光學(xué)傳感器獲取信號之后將信號傳遞給PLC 控制中心，由其下達停車指令，即到達精確的位置。

3.3 立體焊裝系統(tǒng)集成處理

立體焊裝系統(tǒng)的集成處理主要是將通過AGV 自身各種傳感器所獲得的外部信號進行吸收、識別、篩選、分類、記憶與計算，集成處理系統(tǒng)便是整個立體焊裝系統(tǒng)的大腦，其主要的操作便是對于獲取的相應(yīng)的數(shù)據(jù)的預(yù)處理操作、將重要的數(shù)據(jù)進行存儲，同時與AGV 移動端進行信息的交流與傳遞也要經(jīng)過集成處理系統(tǒng)對信息的處理之后，才能將信息進行發(fā)送。

其中集成處理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲操作主要利用數(shù)據(jù)庫操作、大數(shù)據(jù)技術(shù)進行數(shù)據(jù)的分類與精確處理，這樣的工作要求整個集成處理系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)與信息的處理速度很快，能夠滿足工作方面的要求，同時當(dāng)出現(xiàn)諸多突發(fā)情況的時候，系統(tǒng)能夠及時對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行處理，最終避免一些不必要的損失出現(xiàn)。

數(shù)據(jù)分析模塊是為業(yè)務(wù)應(yīng)用層提供決策支持，利用現(xiàn)代算法、圖像識別"等技術(shù)，提取道面病害參數(shù)、預(yù)估道面性能，依據(jù)決策支持模型和專家經(jīng)驗生成道面維護對策。Emirll 等人使用圖像分析和譜聚類的無監(jiān)督方法，通過圖像分割和形狀提取，使用灰度圖像識別瀝青混凝土道面坑洞的表面尺寸的估計精度為81%。

數(shù)據(jù)處理模塊同樣是集成處理系統(tǒng)的重要組成部分，因為對于上述提及的各種精確定位方法、磁條卡產(chǎn)品信息內(nèi)容的識別與記錄等，都需要對于相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行分析，例如通過圖像識別與處理判斷AGV 是否進入規(guī)定的停車區(qū)域，需要數(shù)據(jù)分析模塊對于圖像進行分析處理，而圖像進行處理，計算機將其變成多層多維的數(shù)組，其中具有相應(yīng)的顏色模式如RGB，由數(shù)據(jù)分析模塊對這些多維數(shù)組進行分析，結(jié)合相應(yīng)的圖像處理函數(shù)對其進行分析判斷是否已經(jīng)進入待定區(qū)域；同理，處理磁條和光學(xué)信號的信息同樣需要結(jié)合現(xiàn)代的各種算法，對相應(yīng)的內(nèi)容進行識別，處理對應(yīng)的信號，結(jié)合信號分析的相應(yīng)算法與計算公式，對物理量的信號進行處理，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C所熟悉的數(shù)字量，最終進行數(shù)字量的處理識別，判斷其是否滿足要求。