AGV自動輸送物料的精定位系統設計

李海珍

（單縣職業中等專業學校，山東菏澤274300）

0 引 言

AGV(Automated Guided Vehicle)最早出現在美國，是自動導引小車的英文縮寫，20世紀的80年代AGV小車在世界范圍內的各行業已經裝備了數萬臺。AGV小車制造商主要分布在美國、德國、日本、英國等發達國家。我國有部分高校及科研院所從20世紀70年代開始對AGV小車技術進行了研究和開發，并將研究的成果應用于國內的生產企業[1]。

我國AGV小車行業市場持續保持著迅猛增長的趨勢，自AGV小車在國內興起以來，其每年銷量一直保持在30%以上增長，AGV小車在國內制造業的生產線中大顯身手，不但可以準確、高效、靈活地完成各種物料的搬運工作任務，并且可由多臺AGV小車組成柔性的物流搬運系統，AGV小車的搬運路線可以隨著生產工藝流程的調整而及時調整，使一條生產線在不增加設備的情況下就能夠制造出幾種甚至幾十種產品，大大提高了生產線的柔性和企業的競爭力。近年來，作為基礎搬運工具，AGV小車的應用深入到機械加工、家電生產、微電子制造、卷煙等多個行業，其中生產加工制造領域成為AGV小車應用最廣泛的領域[3]。

隨著制造業的自動化率不斷提高，工業機器人與AGV協同作業也越來越普遍。目前AGV小車的定位精度普遍不高，當AGV行走路徑比較長，其接近送料位置時，局限于定位方式，無法滿足來料后直接與高精度機器人配合抓料及其他工藝功能的實現，這就需要對AGV運載的物料進行二次精確定位以滿足自動工位的生產。目前AGV定位主要有以下幾種方式：埋線電磁感應引導，它是利用傳感器探測埋在地面下的固定導線產生的電磁場來實現引導定位，但是電磁場感應此種方式，容易受外界干擾，定位精度低，無法實現精定位的自動化；基于激光測距測角的方法，需要在AGV行走的特定位置布置激光感應裝置，利用激光傳感器確定自身的位置從而實現引導定位，此種方式容易受外界光線干擾，維修調試保養難度大，人機協同性不理想；機器人視覺引導，利用圖像處理技術進行特征識別，從而確定AGV小車的位置，不過此種系統成本較高，不利于大規模運用[4]。AGV自動輸送零件的精定位系統就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提出的一種通用的庫位精定位系統。AGV自動輸送零件的精定位系統利用機械結構實現AGV料車的精定位，定位結構簡單、成本低，容易實現標準化，該系統與AGV小車配合使用，可以大大提高運輸效率，釋放了AGV小車的等待時間，提高了利用率且節省成本。

1 基本結構和工作原理

隨著國內工業的迅猛發展，自動化工廠對生產線的產能要求不斷提高，對生產過程中的自動化程度要求也越來越高，朝著全自動化無人工廠的方向發展[2]。在全自動工位上料過程中，對機器人設定的程序為從某個固定的位置抓取工件，運輸到特定的位置進行安裝及其他工藝，因此對于物流來料的位置精度有很高的要求，如果位置稍有偏離，就可能會影響機器人的工件抓取造成工件變形，更有甚者可能導致最終工件安裝位置的偏差，從而影響產品質量，所以在自動抓料之前必須對AGV小車運來的工件料架進行準確定位，但如果采用人工干預定位，耗時長且無法保證位置的統一性。AGV自動輸送零件的精定位系統，在料架定位完成后，AGV小車可以離開，進行其他物料的運輸。當料架內工件即將用完時，還可以及時給物流系統發送指令，讓AGV小車及時帶走空料車。

1.1 基本結構

自動輸送零件的精定位系統總體結構如圖1所示，定位系統主要包括庫位及料車。其中庫位本體包括定位平臺、設置在定位平臺上的三向定位基準單元，如圖2所示。庫位還包括設置在安全圍欄上的兩個光電傳感器，其中一個感應最后一個工件，當最后一個工件被抓走時，感應器信號消失，作為工位空料報警傳感器，另外一個感應倒數某個工件（例如第5個），當工件被抓走、信號消失，提醒系統零件快用完了，提醒傳感器換料；另外還在庫位前端設置來料零件種類傳感器，用來識別來料種類。料車底部設有腳輪、與AGV小車相連的脫鉤及與三向定位基準單元相匹配的三向定位單元，另外料車上設有用于固定放置不同工件的定位裝置。

圖1 自動輸送零件的精定位系統總體結構

圖2 庫位本體

1.2 工作原理

1）送料過程。當AGV小車收到物流系統送料信號，運送裝載好工件的料車沿著電磁或光學導引到達自動輸送零件的精定位系統。

a.AGV小車帶料在自動輸送零件的精定位系統安全光柵外等待，發送到達信號，庫位X向夾緊機構打開，此時庫位X向間距比AGV料車大40 mm，定位機構與AGV料車有足夠大的間隙，同時連桿機構前段帶有斜坡形成一個粗導向；與此同時，Z向頂升縮回，Z向距離AGV料車底部間隙30 mm，小車能夠自由進入庫位。

b.當AGV接收到入庫信號后，AGV小車帶著裝載好工件的料車沿著電磁或光學導引倒車入庫，料車接觸到Y向限位后，到位感應器感應到信號，AGV小車停止倒車，X向定位機構對中夾緊，X向連桿有兩個方向的運動，一個沿著X方向，一個沿著Y方向，把料車推到Y向限位的同時矯正到庫位中間位置，隨后打開X向定位機構從而形成X向和Y向預定位。

c.收到X向定位機構打開信號，隨后Z向定位頂升氣缸工作，Z向連桿有兩個方向的運動，一個沿著Z方向，一個沿著Y方向，當連桿限位塊與庫位限位塊接觸頂升氣缸頂升到位，Z向頂升氣缸檢測開關到位，Z向舉升使裝好工件的料車車輪離開地面，Y向限位的到位傳感器也感應到料車，Y向、Z向同時完成定位。

d.X向定位機構再次對中夾緊，X夾緊氣缸檢測開關到位，完成對料車的夾緊定位，AGV小車與料車連接的脫鉤縮回，AGV小車與料車脫離，AGV小車離開，完成送料工作。

2)空車返回過程。當料車內倒數某個工件被機器人抓走（例如第5個），感應倒數第5個工件的換料提醒傳感器信號消失，PLC系統提醒AGV小車需要沿著電磁或光學導引到自動輸送零件的精定位系統帶走空料車，如圖3所示。

圖3 空料車返回

a.AGV小車在零件精定位系統安全光柵外等待，當取料結束后，接收到進入庫位信號，AGV小車沿著導引倒車到庫位停止位。

b.X向定位機構釋放，Z向定位機構釋放，工件料車在重力作用下放置在AGV小車上方。

c. 檢測開關檢測X打開氣缸檢測開關到位，Z向縮回氣缸檢測開關到位，說明釋放料架過程結束，AGV小車與料車連接的脫鉤升起，AGV小車與料車連接，AGV小車帶著空料車離開，完成空料返回工作。

2 主要裝置的設計

2.1 Z向定位機構

料車總質量約400 kg，選用SMC品牌CP96SDD63-125氣缸（如圖4），此系列雙作用氣缸具有空氣和減震器緩沖功能，可以通過空氣和減震器緩沖減少氣墊行程長度，縮短周期和減少行程末端的噪聲，缸體四面均帶凹槽，易于安裝活塞位置傳感器，傳感器可從型面任一端輕松滑入到位,缸徑為φ63 mm，行程為125 mm，0.5 MPa氣壓下氣缸的拉力為1519 N，根據杠桿原理，此時氣缸拉升的力臂是物體下壓力臂的4倍，作用在提升接觸面的頂升力為6566 N。頂升軸承導輪開始接觸料車底部后（如圖5），氣缸開始工作。當頂升到最高點時，由于壓力的力臂較短，此時頂升力接近最大值，當頂升到過最高點后，由于右邊有死擋擋住，料架的重力全部壓在機械機構上，氣缸反而沒有受到多少的拉力，主要力量作用在了X向的定位上，大大保護了氣缸。Z向舉升機構上設置了軸承導輪（如圖6），當軸承導輪開始接觸料車底部，Z向頂升連桿機構舉升時有沿Y向的位移，防止了Y向移動對物料產生的摩擦。

同時在連桿的頂端設置連桿限位（如圖4），限位與連桿之間預留墊片，通過調整墊片來調整連桿庫位限位的位置來調節杠桿角度，以此實現Z向高度的微調。

圖4 Z向定位氣缸

圖5 Z向定位機構

圖6 Z向定位機構軸承導輪

受力分析如下：當升降機構接觸料車底部時機構和氣缸受力最大，所需要克服料車重力也是最大的，此時提升力的力臂長度a2=20 mm，氣缸的拉力力臂a1=90 mm，受力分析如圖7所示。

在0.5 MPa氣壓狀態下，φ63 mm缸徑氣缸的拉力F=πr2Pg=3.14×31.53×31.53×0.5×9.8=15 296 N。根據杠桿原理Fa1=F提升a2,得出F提升=68 832 N。

2.2 X向定位機構

X向連桿機構（如圖8）打開時，同時兼做料車導向又可以方便AGV小車進出，夾緊時，沿XY兩個方向運動，定位物料X方向的同時還可以輔助定位Y方向。

圖7 受力分析

圖8 X向定位機構

2.3 Y向定位機構

Y向定位機構如圖9所示，當AGV小車帶料進入庫位，先接觸緩沖器2，以減少碰撞，AGV小車繼續倒車，接觸Y向限位2，電感式傳感器3接觸到信號，Y向定位完成。

2.4 工件料車

AGV工件料車如圖10所示，在工件定位功能擴展區安裝不同工件的定位單元可以實現料車的一車多用，滿足多種工件共用料車。在料車的底部設置X、Y、Z三個方向的限位，限位與料車本體之間預留5 mm墊片，可以實現對料車X、Y、Z三個方向的精度調整。料車底部設置AGV小車脫鉤，脫鉤采用浮動式設計，增加了連接過程的可靠性。

圖9 Y向定位機構

圖10 工件料車

2.5 安全系統

在現代化的工廠里，處處存在人機協同工作，在一些比較危險的機械設備上，如金屬切削設備、沖壓設備、剪切設備、自動化裝配線、自動化焊接線、機械傳送設備，容易造成操作人員的傷害。目前主要解決措施是安裝接觸式安全防護門，但是此種方式需要操作人員頻繁地開關防護門，因此不但增加了操作人員的工作量，又降低了生產的效率。該系統采用光柵，在操作人員工作時，只要有身體的任何一部分遮斷光線，就會導致本區域設備進入安全急停狀態，從而不會給操作人員帶來傷害。

自動輸送零件的精定位系統的安全系統由兩側安全圍欄防護（如圖1），前部上料口安置豎直安全光柵和水平安全光柵。在工位運行時，若操作工伸手或者進入自動工位必定觸發豎直安全光柵，工位系統報警停止工位運行保護操作工。水平安全光柵防止上料口有操作工未離開，員工誤操作復位引起設備運行造成誤傷。

3 主要優點

1)通過庫位上的三向定位基準單元和料車上的三向定位單元，可以精確地將料車定位，定位精度提高到±1 mm，提高了機器人在取件時的作業精度，降低因工件定位不準引起的故障率；2)同一庫位，料車上部設置不同零件的定位機構，可實現多車種工作，減少了料車的種類；3）大大減少人力勞動，并提高人的安全性和作業效率；4）在物料即將使用完時，實現提前預判，當物料用完時報警，提高AGV小車的利用率；5)使用連桿機構，減輕了氣缸負載，延長了使用壽命。

4 結 語

在經濟全球化的今天，現代物流已應用于世界各國的各個領域，自動化物流系統已成為現代化工廠不可缺少的重要組成部分。隨著我國汽車制造業的發展，行業的競爭越來越激烈，如何降低制造成本，如何推出更多的新款車型甚至是定制車型是每個汽車制造商都必須面對的問題。然而物流成本就是降低生產管理成本的最有效方法，該定位系統利用機械定位料車，實現一車多用，減少了AGV小車的空閑等待時間，無需人工操作，能實現與AGV小車配合自動化上料，并能實現空料提前報警。與現有的定位方式相比，該定位系統結構簡單、成本低廉、節約人力，AGV小車配合自動輸送零件的精定位系統更是實現柔性制造和柔性裝配的最佳運輸工具，具有良好的發展前景和應用價值。