物流自動化技術在機械加工中的應用

王莉 楊京兆 孟清 臧曉偉

（1上海市計量測試技術研究院，上海 201203；2活字科技（杭州）有限公司，杭州 310052）

0 引言

目前國內的機械加工，很多仍是通過人工作業進行物流搬運的，這不僅存在物流搬運誤操作的風險，且效率低下。本研究利用無人搬運車（Automated Guided Vehicle,AGV)、關節機器人技術以及信息物理系統來實現機械加工中更為理想的智能自動化物流來替代人工。

1 原理介紹

1.1 AGV

AGV是指備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規定的導引路徑行駛，并具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。其特點是：無需駕駛員；將可充電的蓄電池作為動力來源。

通常，可使用電腦控制AGV的行進路線及行為，或將電磁軌道（electromagnetic path-following system)黏貼在地板上，AGV則依循電磁軌道所帶來的訊息進行移動和動作。

AGV的特征是輪式移動，較步行、爬行或其他非輪式的移動機器人具有行動快捷、工作效率高、結構簡單、可控性強、安全性好等優勢。

1.2 關節機器人

關節機器人（Robot joints)又稱關節手臂機器人或關節機械手臂，是當今工業領域中最常見的工業機器人的形態之一。自動化物流中，通過關節機器人搬運來連接加工中心與AGV，其優點是運動速度可控，距離、時間可預設，搬運精準；結構緊湊，工作范圍大而安裝占地面積小；無需導軌，易密封，摩擦小，慣性小，可靠性高；所需關節驅動力矩小，能量消耗較小；替代人力無法完成、有害身體健康的工作。

1.3 信息物理系統

信息物理系統（CPS)是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統；是計算進程和物理進程的統一體；是集成計算、通信與控制于一體的智能系統。通過3C(Computing,Communication,Control)技術的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。CPS可使系統更加可靠、高效、實時協同，具有更廣泛的應用前景。

2 零件運送規劃

以鏈輪生產加工為例，每一臺車床需要設置三處工位以供AGV運送車使用。第一處為車床零件料倉，第二處為尺寸檢測臺，第三處為空料倉存儲點。AGV小車沿著設定好的路徑（在車間地面用白色油漆標識）前往車床零件料倉處，裝載盛放待檢測零件的料倉，然后將其運送至尺寸檢測臺處，卸載料倉。空載的AGV小車會繼續行駛到空料倉存儲點，裝載空的料倉，然后將其運送至車床零件料倉處。在車床零件料倉處，通過自動裝置，空料倉接入車床的零件出口，原來盛放零件的料倉則被AGV小車裝載，運往尺寸檢測臺，從而完成一個循環動作。檢測臺不斷檢測零件，并將其分類。料倉被清空后，可以集中運送至空料倉處，亦可以由另一輛AGV依次將其運送至空倉處。AGV從檢測臺運送檢測合格零件到打包處的流程，以及將檢驗不合格零件運送到次品處理處的流程與上述流程相似。

應用雙向AGV快速導入可以替代人工重復往返生產線，極大地提高了運送效率，縮短了運送時間。在具體實施上可以由人工負責物料準備或者由工業機器人完成裝料、卸料的動作，AGV負責物料上線、空料車回庫工作。AGV能有效降低通道占有，節約空間，同時具備操作方便、控制簡單、運行可靠等優勢。

3 上下料規劃

關節機器人控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度、加減速度等。控制系統可根據上下料等動作要求，設計采用數字順序控制。首先要編制程序加以存儲，然后根據規定的程序，控制機械手臂進行工作。通過嵌入在機械手臂中的微型計算機，可以實現程序的快速改變和適應，并能讓關節機器人完成復雜而又精確的動作。

將機械手臂的末端加裝工業相機，在抓取零件時自動識別工件類型，并根據類型不同選擇不同的上下料程序。同時將工件信息數據傳遞給測量工位，使之接下來可以調整識別模板與零件測量位置。機械手臂末端的工業相機具有零件定位的作用，可通過機器視覺校正位置誤差，實現上下料與初始檢測工位放置等操作。

4 信息物理系統的數據收集傳輸

鏈輪生產中信息物理系統的構成是將生產車間中的車床、鏈輪全檢工位、AGV小車、無人貨架等關鍵位置以及核心控制系統中部署或者嵌入各類傳感器如電流電壓傳感器、溫濕度傳感器、光電計數傳感器、壓力傳感器、紅外感應傳感器等，實現對設備運行狀態、生產速度、產品良品率等數據進行實時采集，并通過RTU、DTU、網關主機、工業路由器等上傳至企業中央服務器中。同時，HMI人機交互界面、SCADA系統的數據、操作記錄、使用情況等信息也會通過網線連接至工業路由器，上傳至企業中央服務器中。在企業的中央服務器中，會部署云平臺應用，提供豐富的數據分析、調用接口，進而開發應用級軟件，例如Web端應用、微信小程序、PC客戶端等。

傳感器工廠生產現場需要安裝大量的傳感器來感知每個工序的生產參數，PLC采集傳感器并進行判斷給出反饋輸出PLC，再和其他儀表、電表、HMI一同接入SCADA系統，實現數據的本地匯總。

PLC采集傳感器并進行判斷給出反饋輸出；HMI實現人機交互、邏輯計算、報警、控制；SCADA實現數據的本地監控、匯總、計算、分析，及時響應設備數據請求和控制設備行為；有效解決工業數據調度的一致性與完整性問題。

5 結語

綜上所述，利用AGV、關節機器人技術以及信息物理系統在機械加工中進行更為理想的自動化物流的優點是：1）活動區域無需鋪設軌道、支座架等固定裝置，不受場地、道路和空間的限制，在自動化物流系統中，能充分地體現自動性和柔性，實現高效、經濟、靈活的無人化生產；2）結構緊湊，工作范圍大而安裝占地面積小；3）可以優化設備的使用頻率，并替代人工；4）更安全、可靠、高效、實時地檢測或者控制一個物理實體。