AGV 物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的應(yīng)用研究

胡聲明

（株洲中車特種裝備科技有限公司，湖南株洲 412000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，在汽車生產(chǎn)的環(huán)節(jié)中，各種自動(dòng)化設(shè)備相繼被加以應(yīng)用，許多汽車企業(yè)都認(rèn)為將自動(dòng)化的設(shè)備全都應(yīng)用到制造工藝環(huán)節(jié)才是最好的，物料的運(yùn)轉(zhuǎn)在多數(shù)情況下還是依靠人力，這就導(dǎo)致了物流自動(dòng)化仍處于低水平的階段，企業(yè)中的生產(chǎn)物流的成本較高。汽車白車身最關(guān)鍵的組成部分是頂蓋，大部分的主機(jī)工廠對(duì)質(zhì)量和成本的掌控相對(duì)比較嚴(yán)格，所以加工都是場(chǎng)內(nèi)自主。

1 AGV 物料轉(zhuǎn)運(yùn)的現(xiàn)狀

由于人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，許多研究人員研發(fā)出了具有語(yǔ)義SLAM 系統(tǒng)的AGV（Automated Guided Vehicle，自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車），這種小車可以在較小的空間內(nèi)以毫米級(jí)精準(zhǔn)移動(dòng)，可以在任何地方進(jìn)行移動(dòng)，有較好的機(jī)動(dòng)性能。

在近些年的發(fā)展中，自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車在自動(dòng)化運(yùn)輸中的地位沒(méi)有可以超越的技術(shù)，AGV 的優(yōu)點(diǎn)主要是操作簡(jiǎn)單、靈活度高、占用空間少并且移動(dòng)靈活，憑借多種優(yōu)勢(shì)在自動(dòng)化運(yùn)輸中應(yīng)用自如。計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，加快了AGV 路徑規(guī)劃算法的智能化，在調(diào)度算法上也不斷完善。

2 自動(dòng)物料轉(zhuǎn)運(yùn)小車任務(wù)分配原則

從實(shí)際環(huán)境中使用自動(dòng)物料轉(zhuǎn)運(yùn)小車進(jìn)行物料轉(zhuǎn)運(yùn)工作的要求來(lái)看，分配物料轉(zhuǎn)運(yùn)小車任務(wù)時(shí)，要按照最短路徑原則、最短工作時(shí)間、工作任務(wù)優(yōu)先級(jí)和綜合指標(biāo)的四條原則進(jìn)行。

2.1 最短路徑原則

最短路徑原則的意思可以理解成遵循小車在物料轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)所行駛的路徑為最短路徑，在理論上認(rèn)為的最短距離是物料轉(zhuǎn)運(yùn)車在完成全部工作后行駛距離的總和。遵循最短路徑原則，調(diào)度系統(tǒng)在獲取任務(wù)信號(hào)過(guò)程中，調(diào)度系統(tǒng)的的第一步是結(jié)合任務(wù)的需求確定物料轉(zhuǎn)運(yùn)車所在的位置，根據(jù)實(shí)際情況去形成合理有效的調(diào)度方案，然后再結(jié)合路徑規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃每個(gè)方案的路徑，將每一種方案中自動(dòng)物料轉(zhuǎn)運(yùn)小車的行駛的距離總和計(jì)算出來(lái)，挑選出最短路徑的方案。

在選擇最短路徑原則的調(diào)度方法進(jìn)行自動(dòng)物料轉(zhuǎn)運(yùn)小車物料轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，往往會(huì)將環(huán)境內(nèi)自動(dòng)物料轉(zhuǎn)運(yùn)小車的數(shù)量多的問(wèn)題忽視掉，導(dǎo)致小車之間出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，這種情況小車就會(huì)停留等待，時(shí)間會(huì)有所浪費(fèi)，這就代表挑選的最合理的調(diào)度方案在效率上卻不是太理想。

2.2 最短工作時(shí)間原則

最短路徑原則是指調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度任務(wù)的工作時(shí)，考慮到物料轉(zhuǎn)運(yùn)小車在進(jìn)行物料運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中總時(shí)間不僅是行駛時(shí)間，還包括滯留時(shí)間以及沖突時(shí)間，效率不夠高，所以要讓系統(tǒng)更高效地完成工作任務(wù)，就要按照最短工作原則建立目標(biāo)函數(shù)在最短時(shí)間內(nèi)完成工作任務(wù)。另外物料轉(zhuǎn)運(yùn)小車在物料運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的等待時(shí)間就是由堵塞原因所造成的沖突以及調(diào)度系統(tǒng)在安排物料轉(zhuǎn)運(yùn)小車時(shí)間不合理的原因。

2.3 小車工作隊(duì)列最優(yōu)原則

小車工作隊(duì)列最優(yōu)原則內(nèi)主要內(nèi)容是，調(diào)度系統(tǒng)所接受的任務(wù)按照不同的任務(wù)隊(duì)列進(jìn)行分配，保證調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)輸量的總和最高，按照小車工作隊(duì)列最優(yōu)原則所生成的調(diào)度方案主要有以下幾種：最小化出站隊(duì)列空間、最大化出站隊(duì)列長(zhǎng)度方法等。這幾種方法應(yīng)用在多載物料轉(zhuǎn)運(yùn)車上比較合適。

2.4 綜合指標(biāo)調(diào)度原則

綜合指標(biāo)調(diào)度原則的主要內(nèi)容是，綜合分析在所能聯(lián)想到的多項(xiàng)指標(biāo)中，加入相對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，任務(wù)需求和相應(yīng)優(yōu)先級(jí)是決定權(quán)重系數(shù)的主要因素。在復(fù)合指標(biāo)中，物料轉(zhuǎn)運(yùn)車的利用率和行駛距離是最需要考慮的指標(biāo)。在此過(guò)程中，對(duì)權(quán)重系數(shù)的調(diào)改是為了將水平達(dá)到理想狀態(tài)，另外還可以將此過(guò)程當(dāng)做比較特殊的旅行商問(wèn)題。

3 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上問(wèn)題將方案內(nèi)容討論對(duì)比，在現(xiàn)場(chǎng)空間大小、工作效率、物流成本、設(shè)備柔性以及穩(wěn)定性、降低企業(yè)生產(chǎn)物流成本多方面進(jìn)行了探討，最后的輸送方式確定為使用AGV，進(jìn)一步將頂蓋總成件從分拼線到總拼線旁轉(zhuǎn)運(yùn)工作落實(shí)。

根據(jù)分拼線下件的工位和主線上件工位位置作為自動(dòng)的上下件可以看出，對(duì)AGV 所停位置在精度上有較高的要求，AGV的位置精度必須是±3 mm，針對(duì)這點(diǎn)所使用的導(dǎo)航方式是磁條導(dǎo)航；另外，AGV 和工件在工作過(guò)程都是需要進(jìn)行橫向移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)功能的操作，所以AGV 采用舵輪形式。

因?qū)嶋H場(chǎng)地大小的限制，所留空間不利于料框的周轉(zhuǎn)，還需要3 臺(tái)AGV 的計(jì)入，為了保證AGV 跟料框在周轉(zhuǎn)過(guò)程中不分離，AGV 跟料框要一一相對(duì)應(yīng)。

3.1 路徑規(guī)劃

3.1.1 全局路徑規(guī)劃

在對(duì)全局路徑進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，要按照原理去對(duì)已有的環(huán)境模型進(jìn)行分析，制定出從起點(diǎn)到目標(biāo)地最合理、最快、可行的路線方案。

全面的去考慮每一個(gè)AGV 的實(shí)際任務(wù)和實(shí)際狀況的重要性，來(lái)對(duì)當(dāng)前AGV 所運(yùn)行的路線做調(diào)改，這些問(wèn)題都是需要全局規(guī)劃的，因此對(duì)AGV 全局路徑規(guī)劃時(shí)要進(jìn)行動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃。

3.1.2 局部路徑規(guī)劃

進(jìn)行局部路徑規(guī)劃時(shí)，所處的環(huán)境是全部未知或部分未知的，通過(guò)物料小車的傳感器去判斷障礙物的各種信息，包括形狀、位置、尺寸等，根據(jù)多種信息制定一條可以順利移動(dòng)的路徑。現(xiàn)階段因?yàn)榉抡婧椭悄芩惴ǖ倪M(jìn)步發(fā)展，目前對(duì)AGV 局部路徑進(jìn)行計(jì)算的方法主要有螞蟻群、遺傳算法等。

3.2 節(jié)拍計(jì)算

主線是按照45JPH 的節(jié)拍進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)備考慮以及零件的質(zhì)量產(chǎn)生的問(wèn)題都是需要被考慮的因素，主線料框的切換時(shí)間因?yàn)閱蝹€(gè)設(shè)計(jì)節(jié)拍時(shí)間為72 s，分拼線單個(gè)節(jié)拍為68 s，必須要在72 s 內(nèi)完成，分拼庫(kù)位滿框拉出到空框入到庫(kù)位也是同樣的原因必須在68 s 內(nèi)完成。

所挑選的AGV 主要是自主設(shè)計(jì)的，所設(shè)計(jì)的最高速度可以達(dá)到1 m/min，在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到安全和穩(wěn)定的因素，在設(shè)計(jì)運(yùn)行速度時(shí)在滿足節(jié)拍需要的同時(shí)還要保證相對(duì)的低，由此可見(jiàn)，想要滿足節(jié)拍的標(biāo)準(zhǔn)需求，AGV 的平均運(yùn)行速度可以按照0.22 m/min 設(shè)計(jì)：主線庫(kù)位以及分拼庫(kù)位的料框切換時(shí)間分別是68.3～72 s、60～68 s。

3.3 機(jī)械方案設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用的是牽引式AGV，它需要具備平移和旋轉(zhuǎn)的功能，因此必須將料框的4 個(gè)行走輪替換為萬(wàn)向輪。AGV 的磁條式導(dǎo)航在定位時(shí)的精度要±10 mm，想要滿足精度為±3 mm的定位，就要在分拼工件下線以及主線工件上線，在主線庫(kù)位和分拼線庫(kù)位的位置處將料框?qū)蚝蛫A緊機(jī)構(gòu)添加進(jìn)去。AGV 與料框在正常工作的狀態(tài)中是沒(méi)有必要分離的，因此料掛完全可以采用固定式的掛靠機(jī)構(gòu)。

3.4 電控方案設(shè)計(jì)

AGV 本體主要通過(guò)歐姆龍PLC 實(shí)現(xiàn)控制；AGV 跟AGV 或者庫(kù)位之間利用無(wú)線路由器進(jìn)行信號(hào)交換工作，其中主線庫(kù)位和分拼線庫(kù)位，另外兩個(gè)庫(kù)位的連接方式為網(wǎng)橋鏈接，并且進(jìn)行通信的都是路由器。以太網(wǎng)和硬接線雙冗余兩者的通信連接方式是歐姆龍PLC 跟線旁輸送設(shè)備連鎖信號(hào)經(jīng)常采用的方式，因?yàn)榭梢源_保安全。

主線庫(kù)位料框中需要數(shù)量為0 的工件數(shù)的時(shí)候，需要物料的信號(hào)就會(huì)由系統(tǒng)發(fā)出，當(dāng)需求信號(hào)傳送到PLC 后，AGV 就開(kāi)始物料切換的工作，所執(zhí)行的步驟是將空框送出主線庫(kù)位，滿框送入。

3.5 電池充電

AGV 中所使用的電池全為容量40 A·h 的磷酸鐵鋰電池，當(dāng)負(fù)載為1 t 牽引式連續(xù)運(yùn)行時(shí)，完全可以到2.46 h，當(dāng)電池的電量只有20%時(shí)，充到100%大約需要1.1 h，生產(chǎn)線全天運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)22.5 h，但所制備的充電機(jī)只有一套，想要確保AGV 電池容量的能力完全可以支持生產(chǎn)線的運(yùn)行，充電的形式要往在線充電方向考慮。

料框只有存放7 件工件的容量，并且每個(gè)AGV 從充電庫(kù)的位置到主線庫(kù)位位置出發(fā)也就是整個(gè)充電的周期為1 512 s，在每個(gè)周期所運(yùn)行的時(shí)間為a1=48.1+39.1+35.3+25.5=148 s，對(duì)使用電量進(jìn)行補(bǔ)償只需要在每個(gè)周期充電a2=44.8 s，AGV 在整個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)有a3=68×7-60-12=404 s 的充電時(shí)間，其中還包括充電桿伸縮的時(shí)間約12 s，由于a2＞a3，想要確保AGV 每天24 h 運(yùn)行，可以安置一臺(tái)充電時(shí)間大于a3的充電機(jī)。

4 改造實(shí)施

此項(xiàng)目計(jì)劃要在原有生產(chǎn)線上落實(shí)，肯定會(huì)產(chǎn)生影響，所以要先對(duì)AGV 與AGV 之間的通信和邏輯進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后，在現(xiàn)場(chǎng)中再進(jìn)行改造測(cè)試。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

實(shí)際場(chǎng)地中主要實(shí)施步驟：①料框移動(dòng)到相應(yīng)位置后，有必要對(duì)料框進(jìn)行夾緊操作，避免出現(xiàn)料框的位置不符合，現(xiàn)在夾緊操作是由自動(dòng)氣控進(jìn)行的；②安置充電機(jī)；③安置路由器和控制線布線以及網(wǎng)線；④電子標(biāo)簽的粘貼以及鋪設(shè)磁條；⑤對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)控以及對(duì)節(jié)拍調(diào)試、電控調(diào)試等。

4.2 AGV 運(yùn)行速度

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，只要平均速度0.22 m/min 就可達(dá)到需求，但在運(yùn)行過(guò)程中需要考慮多方面的實(shí)際情況，像行走輪出現(xiàn)打滑問(wèn)題，突然闖入的人員導(dǎo)致AGV 停止運(yùn)行等都是需要考慮到的因素，因此，在對(duì)節(jié)拍進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在原有的基礎(chǔ)上空出5%，就可以使主線庫(kù)位以及分拼庫(kù)位單個(gè)料框切換的時(shí)間為64.9 s、57 s，在實(shí)際場(chǎng)地進(jìn)行檢測(cè)調(diào)整，AGV 運(yùn)行高速最后定為0.38 m/min，低速定為0.1 m/min。

5 結(jié)論

本篇文章主要是對(duì)頂蓋進(jìn)行物料轉(zhuǎn)運(yùn)操作過(guò)程中將人力由AGV 所替換，利用自動(dòng)化率提高生產(chǎn)線效率做了分析，主要的目的是為了確保生產(chǎn)線能夠順利高效的運(yùn)行，在生產(chǎn)線成本降低的同時(shí)也大面積推廣了AGV 的使用，為后期物流行業(yè)的發(fā)展提供了寶貴的技術(shù)支撐。