基于AGV 衍生技術的多軸機械臂智能裝配研究

吳 茜

（中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 201324）

0 引言

近些年來，伴隨我國經濟水平不斷發展，機械工程也搭上了科技發展的快車。大型產品的工程制造均以裝配為基礎，AGV 衍生技術作為代表，結合多軸機械臂的使用，能有效提升裝配能力、縮減用人成本、提升裝配質量。因此，將先進的AGV 衍生技術與多軸機械臂智能裝配相結合是保障我國機械工程質量與效率的重要措施。

1 多軸機械臂智能裝配現狀與特點

1.1 現狀

當前，多軸機械臂在我國的多項工程中都得到了廣泛使用，其對提升裝配產品的質量起著決定性作用。但是相比其他機械制造內容，針對多軸機械臂裝配的定向內容較少，隨著我國對精細化施工理念的加深，裝配技術也應當實現精細化發展。

此外，我國的信息技術水平在不斷提升，多軸機械臂裝配也應當與信息化、智能化相結合，進而保證多軸機械臂裝配后的使用壽命[1]。

1.2 特點

當前的多軸機械臂智能裝配主要有6 項特點。

（1）大型多軸機械臂擁有一定的靈活性和工程穩定性，但其使用的頻次較低，并且由于大型多軸機械臂要求主機的占地面積較大，使用時具有局限性，生產的數量較少，經濟回報率低。

（2）大型工程使用的多軸機械臂數量往往較多，并且各多軸機械臂的型號與大小存在差異性，但各個多軸機械臂之間能夠實現充分的配合，呈現出組合型多軸機械臂，這種類型的多軸機械臂在裝配時往往內部結構較為復雜，進行臂體與主機的安裝時零部件也比單一的臂體安裝要多，工作難度較大。

（3）隨著我國科技手段的進步，各項新興產業的出現也為多軸機械臂裝配帶來了難題，多軸機械臂中使用的機械結構逐漸增加，多軸機械臂功能逐漸擴張，且零部件的運輸也存在困難，易出現損毀與缺失。

（4）除了基礎的機械臂本體與底座等結構部件的運輸裝配，多軸機械臂的裝配還包含電池、液壓油、油缸等內容的裝配，各種部件的裝配使得多軸機械臂智能裝配呈現出多樣化特性。

（5）當前我國針對多軸機械臂智能裝配主要采用固定裝配與移動裝配兩種方式。其中固定裝配是將多軸機械臂結構部件放置在車間的固定位置，以此進行裝配。移動裝配即指裝配人員與地點都具有移動性，靈活性較高，能夠有效保證裝配質量與裝配效率[2]。

（6）在選用較大體積的多軸機械臂裝配時，為保證產品裝配需求和質量，在裝配時可對多軸機械臂進行定制化的改動，例如，更換主軸、末端執行器等零部件，使其適應不同產品的生產任務。

2 多軸機械臂智能裝配中AGV 衍生技術的應用

2.1 AGV 小車

AGV 是指自動導引運輸車。AGV 小車是一種裝備了電磁或光學等自動導引的裝置，是經由既定的路徑行駛，能夠發揮安全保護作用以及運輸承載作用的運輸工具。最早的AGV 小車出現于1953 年，是經由牽引拖拉機改造而成的，直至20 世紀50、60 年代，AGV 小車已經較為普遍地應用于工廠中。

AGV 小車具有以下3 項優點：①自動化優點。經由計算機終端輸入處理的信息發送至中央控制室，結合電控設備，最終形成指令，然后AGV 小車會根據指令將物品運送至特殊地點。當AGV 小車電量不足時，其會自主發出充電請求，并自行排隊充電。②美觀化優點。③便捷化優點。AGV 小車的體積較小，便于在各種復雜環境中穿梭行駛。由此可見，使用AGV衍生技術進行多軸機械臂智能裝配，極大地降低了裝配時產生的勞動強度，并進一步對裝配安全提供了保障[3]。

2.2 AGV 應用優勢

2.2.1 提升安全性

AGV 小車屬于我國機械工程制造行業的一種新興技術，是智能化、信息化的體現，其運用于多軸機械臂智能裝配中，能夠顯著提升裝配安全性。在多軸機械臂的智能裝配中，安全性是第一保障，經由AGV小車進行物料運輸，避免了由人力搬運造成的物料破損、人力損傷、搬運量低等問題。同時AGV 小車還能夠實現24 h 不間斷、精準穩定運輸物料，在一定程度上降低了由人力搬運造成貨物丟失的可能性。

2.2.2 提升生產效率

AGV 小車能夠有效提升多軸機械臂智能裝配的效率。上文中提到，AGV 小車能夠按照預先設定的路線進行物料運輸，并經由傳感器的設置能夠有效避免在路線中可能出現的障礙物，進而提升運輸效率。

另外，在AGV 小車的維修養護中，所必須維修的元件只有電池和車輪，并且這兩個部位均采用快裝技術，其維護周期較長，而維修量較小，維修工作進展起來較為便捷。此外，在AGV 小車的系統中，各個元件均可以單獨進行維修養護，避免了大型維修造成的工作延誤，以此能有效提升多軸機械臂智能裝配的效率。

2.2.3 減少投入成本

使用AGV 衍生技術中的制造技術進行多軸機械臂智能裝配，要運輸物料、半成品、成品，其中，物料運輸占據很大比重。基于此，將AGV 衍生技術有效利用起來，能夠將物料運輸的人工成本適度降低，并且AGV 小車能夠全天候進行運輸，有效減少人工運輸時間。經由中央控制室對其的調配，各個AGV小車之間能夠進行協調配合，在特定的時間與空間中將運輸效率最大化，進而節省運輸時間，減少運輸成本。

2.2.4 實現全自動連接

AGV 小車經由計算機終端與中央控制室相連接，再由中央控制室反饋指令進而實現運輸。計算機終端與中央控制室是經由無線網絡連接的，其對AGV 小車發送的信息能夠自動進行讀取與存檔，并采用數控設備、動作篩查以及自動裝配等接口進行信息的接收與發送[4]。

2.2.5 保護車間生態

除以上優點之外，AGV 衍生技術應用于多軸機械臂智能裝配中還能夠有效提升環保功能。AGV 小車是經由電池進行驅動的，而AGV 小車中的電池所消耗的能量較少，并且使用過程中較少產生噪音，對周邊環境的影響較小。此外，AGV 小車在運輸時不需要軌道進行路線引導，其路線設置是通過地下電纜或是地面導引來進行的，在外觀上更加美觀，同時避免了建設運輸軌道造成的地表破壞。

2.3 結合AGV 技術的多軸機械臂智能裝配工藝

通常情況下，應用多軸機械臂的工程主要是點膠、滴塑、噴涂、碼垛、分揀、包裝、焊接、金屬加工、搬運、上下料、裝配、印刷等常見的工業生產領域。在這些應用多軸機械臂的工程中，為了實現生產自動化，實現物料的傳輸與智能無人化生產，可以將AGV 小車與多軸機械臂進行協同作業，將機器人從傳統的某一單元、某一區域中抽離出來，使其成為裝配環節的自由式機器人，不僅可以在各個車間進行自由的搬運與調度，也能夠依照生產的擴展需求被任意調控，或是與生產人員協同配合。復合型AGV 多軸機械臂結構如圖1 所示。

圖1 復合型AGV 多軸機械臂結構

基于AGV 衍生技術的多軸機械臂構建組成的復合機器人機體主要由車載控制器、伺服驅動系統、導航、多軸機械臂、安全系統、電機、通信系統以及手動系統等組成。在總系統中，子系統與AGV 小車的控制器是由控制器域網總線連接的，一方面減少了線束，另一方面便于系統管理，同時為后期的維修提供了便利條件。

復合機器人的驅動主要使用差動輪，輔以隨動輪作為支撐，車輪的材質為不易磨損的軟性材料，可提升行走速度，同時不會對車間地面造成破壞。此外，驅動輪必須具備浮動功能以及路面面差能力，驅動機構和驅動輪使用了集成模塊，由于驅動輪位置在AGV 小車的左右兩側，其能夠保證AGV 小車的平穩行駛[5]。與此同時，在復合機器人的前后兩端都設置了防碰撞感應器，感應器涵蓋減速區和停車區兩個區域。在后面板以及左右兩側的位置有緊急停車裝置，若按下，復合機器人則立刻停止工作。后方設有轉向燈，前方設有運行指示燈以及聲光報警燈。

此外，復合機器人的前端安裝了激光導航，能夠實現柔性行駛。激光導航的裝置為激光測量傳感器，傳感器使用了紅外波，相比傳統的點式光源，其對人眼的危害更小，并且紅外激光傳感器還使用了測距加測角的測量方式，對位置信息的計算更加精準，其計算效率也得到了提升。同時為了提升激光導航的使用質量，還要在復合機器人上安裝反光板，反光板由反光膜構成，反光膜可以是平面的也可以是圓柱形，為了保證反光板的反光效率，需要安裝專用型架。

在復合機器人的實際使用中，一臺AGV 小車確定反光板位置，其他的AGV 小車利用上傳下裝獲取反光板的位置信息，這種操作也被稱之為AGV 地圖。當地圖中某個路線被選擇后，調度系統向AGV下達指令，其就會跟隨該路線行駛，這種路線坐標被稱為虛擬路徑，虛擬路徑可以標注復合型機器人的激光導航與反光板位置，指導機器人完成各項操作。

AGV 定位方面，通過接收發送超聲波的反饋信號，結合超聲波來回傳輸時間和傳播速度對距離長度進行準確計算，便能夠順利得到實際距離，具體公式如下。

式中：T 為超聲波來回傳輸時間差；V 為特定介質中超聲波的傳輸速度。

此外，為了保證在運行過程中復合機器人的多軸機械臂不會出現顛簸，還要在裝配時對其進行傾覆計算，如圖2 所示。

圖2 復合機器人傾覆計算分析

機械臂末端相關貨物提取重量最高為F1=215 N，和動輪支點相距960 mm，F2是機械臂的重心，對應數值是200 N，車體整個重心G 和動輪支點相距370 mm。基于車體良好平衡狀態，在復合機器人持續發展背景下，這種機器人能夠實現高精度取放物品，適用于自動化超市、倉儲分揀以及自動化工廠當中，實現自動化操作。

3 結語

綜上所述，在當前我國對多軸機械臂的使用需求越來越高的背景下，使用AGV 衍生技術進行多軸機械臂智能裝配能夠有效減少物料運輸、裝載所耗費的時間，同時提升機器人的工作效率與質量。此外，AGV 衍生技術也是我國技術手段進步的一種體現，經由計算機系統的控制，在工作時更加具有精確性，這項技術的使用不僅極大地節省了人力物力，也是維系生態、促進發展的重要手段。