全向AGV移動(dòng)式擰緊機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張新震，姜 寧，鄧連生，林春竹，侯偉強(qiáng)

（山東中車同力達(dá)智能機(jī)械有限公司，濟(jì)南 250022）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)整車廠主流的輸送線一般采用抱具將待裝配整車懸掛在空中，給予生產(chǎn)人員和電動(dòng)工具足夠的操作空間，同時(shí)也方便了設(shè)備供應(yīng)商采用懸掛式的擰緊設(shè)備，目前主流的專機(jī)設(shè)備大部分采用機(jī)械臂的形式來抵消擰緊過程中產(chǎn)生的反力。

電動(dòng)擰緊工具其裝配質(zhì)量高、噪音小、精度高等各種優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被用戶廣泛接受，在小型汽車裝配領(lǐng)域市場(chǎng)占有率已經(jīng)逐步趨于飽和狀態(tài)。但是貨車、大型客車等重載汽車以及其他工程車輛裝配領(lǐng)域普遍仍在使用氣動(dòng)工具和扭力扳手，原因主要有兩點(diǎn)，一是電動(dòng)工具成本高，二是底盤擰緊作業(yè)空間小，操作受限，擰緊扭矩大，考慮反力后懸掛或者固定機(jī)械臂形式笨重不夠靈活，覆蓋范圍有限。

輸送線上的多軸擰緊機(jī)設(shè)備主要包括輪胎擰緊機(jī)、前后橋擰緊機(jī)兩類，多自動(dòng)多軸擰緊可以極大的提高工作效率，本文針對(duì)底盤前后橋工位設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)多軸擰緊機(jī)，采用AGV可移動(dòng)特性，與擰緊機(jī)系統(tǒng)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)加抗反力的工作要求。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用定制AGV，尺寸2000x1040x350，由七部分組成：全向移動(dòng)底盤、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、控制面板、電源系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等組成，使用了麥克納姆輪作為輪組，其特點(diǎn)在于只需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)不需要轉(zhuǎn)向就可以實(shí)現(xiàn)該AGV小車在平面內(nèi)全方位的移動(dòng)，包括前進(jìn)后退、側(cè)向左右平移、繞中心自轉(zhuǎn)、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向前進(jìn)等行走功能。

擰緊機(jī)系統(tǒng)為四軸可升降、可無級(jí)變徑，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由擰緊軸固定以及電機(jī)變徑兩大部分，擰緊軸固定結(jié)構(gòu)包含前后安裝板及軸安裝板，用于和支持?jǐn)Q緊軸本體；變徑機(jī)構(gòu)包含滑軌、滑塊、絲杠、及電機(jī)安裝等，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)用于控制擰緊軸在X軸、Y軸兩個(gè)方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多種中心距的無級(jí)變徑功能。整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 AGV小車主要參數(shù)

麥克納姆輪與地面摩擦系數(shù)μ=0.15，額定載荷加車體自重m≈1000kg，車體移動(dòng)速度v=0.5m/s，傳動(dòng)效率η=0.8，則對(duì)應(yīng)的電機(jī)總功率：

麥克納姆輪直徑D為260mm，根據(jù)v=nπD，算的轉(zhuǎn)速為36r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速2500r/min，減速機(jī)減速比i為50，啟動(dòng)加速度a=0.1m/s2，電機(jī)減速機(jī)效率η=0.8，n為驅(qū)動(dòng)數(shù)，單個(gè)輪的扭矩為：

電機(jī)輸出扭矩：

2.2 伺服變徑主要參數(shù)

擰緊軸重量Wb=10.2kg，安裝連接板附件等重量Ws≈5kg，單軌滑動(dòng)摩擦系數(shù)0.1，單方向（x或者y）摩擦系數(shù)μ取0.2，傳動(dòng)效率η取0.8，Pb=5mm，那么電機(jī)軸的輸出扭矩為：

其中：

Pb：滾珠絲杠螺距(m)；

μ：摩擦系數(shù)；

η：傳動(dòng)系數(shù)的效率；

Wb：?jiǎn)胃S重量；

Ws：安裝附件總重量；

功率P=TN/9550，T為扭矩，N為轉(zhuǎn)速。在額定轉(zhuǎn)速下，電機(jī)功率0.28Kw。選擇相應(yīng)品牌適合的伺服電機(jī)產(chǎn)品即可。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)分為五大部分，由電池管理系統(tǒng)、AGV控制系統(tǒng)、伺服變徑系統(tǒng)、擰緊系統(tǒng)組成、IO控制系統(tǒng)，采用鋰電池為伺服電機(jī)供電進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，AGV全向小車采用四套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，獨(dú)立控制四套麥克納姆輪。其中IO控制系統(tǒng)主要用于輸入輸出IO信號(hào)的采集和控制，升降電機(jī)使用接觸器控制也在該部分中。

整體控制系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框架

3.1 供電和電源管理系統(tǒng)

供電系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池組、逆變電源、開關(guān)電源和電源管理模塊組成。逆變電源采用48V轉(zhuǎn)380V，供ATLAS控制器電源及電機(jī)及伺服供電，整體功率大約為3.5KW，電池規(guī)格48VX80Ah磷酸鐵鋰電池2組，能連續(xù)運(yùn)行1.8小時(shí)，擰緊工作屬于間歇性作業(yè)，每次擰緊時(shí)間一般不超過15S，加上AGV運(yùn)行對(duì)位的時(shí)間，每天作業(yè)次數(shù)能夠達(dá)到將近200次/天，另外通過電路轉(zhuǎn)換和拖鏈供電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)外部供電工作。

電源管理模塊主要包括電源的變換隔離、電池管理和充電機(jī)，BMS電池系統(tǒng)監(jiān)控電池的放電過程的電壓、電流、剩余電量等參數(shù)，當(dāng)整車運(yùn)行過程中出現(xiàn)欠壓、欠流等電源故障時(shí)，該系統(tǒng)向主控系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)行參數(shù)的同時(shí)，也向主控系統(tǒng)發(fā)送故障報(bào)警信號(hào)，提示客戶充電，并通過PLC鎖定使能信號(hào)，禁止變徑和擰緊動(dòng)作，僅保留AGV本身的運(yùn)動(dòng)，避免對(duì)電池造成損害，控制流程如圖3所示。

圖3 電池管理系統(tǒng)

3.2 AGV控制系統(tǒng)

AGV控制由無線發(fā)射端、接收端以及PLC組成，發(fā)射采用無線遙控器操控方式，通過無線搖桿遙控AGV的行走，五檔速度調(diào)節(jié)，用于準(zhǔn)確對(duì)位。集成擰緊機(jī)控制按鈕，可以在遙控器上控制擰緊系統(tǒng)的啟動(dòng)、檔位選擇以及升降電機(jī)的動(dòng)作控制箱體上升及下降。采用433MHz無線通訊，具有抗干擾能力強(qiáng)、通訊距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。發(fā)射端布局如圖4所示。

圖4 AGV發(fā)射端布局圖

接收端采用了RS485輸出，采用MODBUS協(xié)議與西門子1200擴(kuò)展485模塊進(jìn)行通訊，將接收端獲取到的方向速度轉(zhuǎn)換成伺服參數(shù)控制伺服電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作實(shí)現(xiàn)整體的移動(dòng)。接收端與PLC通訊485報(bào)文自定義規(guī)約，寫入內(nèi)容主要包括伺服的控制（啟停、復(fù)位、方向）和速度值，規(guī)約發(fā)送數(shù)據(jù)幀如表1所示。

表1 發(fā)送規(guī)約數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3.3 伺服變徑系統(tǒng)

對(duì)于中心距超過3個(gè)以上的應(yīng)用需求，普通的氣缸機(jī)械結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)，因此采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行變徑是目前主流的方式，該設(shè)備使用西門子V90系列伺服控制器，其產(chǎn)品性能優(yōu)異，成本低，并且集成了多種模式：外部脈沖位置控制、內(nèi)部設(shè)定值位置控制、速度控制和扭矩控制。通過SINAMICSV-ASSISTANT調(diào)試工具快速便捷進(jìn)行伺服參數(shù)設(shè)置和優(yōu)化。

S71200可以通過PROFINET通訊連接V90伺服驅(qū)動(dòng)器，將V90驅(qū)動(dòng)器的控制模式設(shè)置為“基本位置控制”（EPOS），PLC通過111報(bào)文及TIA Portal提供的驅(qū)動(dòng)庫(kù)中的功能塊FB284可實(shí)現(xiàn)V90的EPOS基本定位控制，該功能塊如圖5所示。

圖5 FB284功能塊

3.4 擰緊系統(tǒng)

設(shè)備采用Atlas PowerMacs 4000系列擰緊系統(tǒng)，該系統(tǒng)能為各種裝配部件中的擰緊操作提供完美的解決方案[4]，使用含1個(gè)帶PROFINET通訊板卡的主控制器、3個(gè)副控制器以及一個(gè)電源控制器。副控制器和主控制器之間采用以太網(wǎng)連接，再通過主控制器連接到設(shè)備交換機(jī)上。

通訊方式為將PLC輸入輸出信號(hào)，通過西門子內(nèi)部DPRD_DATA和DPWR_DATA兩個(gè)指令來讀寫ATLAS對(duì)應(yīng)的映射區(qū)域內(nèi)的輸出輸入信號(hào)，完成對(duì)擰緊控制器的控制和訪問，圖6為吸入指令整個(gè)邏輯流程，其中中間虛線區(qū)域?yàn)镻LC內(nèi)部邏輯處理過程。

圖6 PLC控制ATLAS示意

3.5 HMI

觸摸屏主界面用于顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及部分參數(shù)設(shè)定，包括四根擰緊軸的擰緊結(jié)果、擰緊數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，以及顯示遙控器、伺服、軸連接、系統(tǒng)急停、電量預(yù)警、速度顯示等信號(hào)狀態(tài)，給操作者直觀的顯示。

其他界面，AGV伺服界面可以設(shè)置AGV高低中三個(gè)速度的范圍值，通過遙控器選擇高低中速后可以在對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)動(dòng)作，變徑伺服界面可以設(shè)定X、Y方向伺服電機(jī)的對(duì)應(yīng)的每個(gè)檔位的位置值，提供12組位置設(shè)定，能夠支持12種中心距的車型，適應(yīng)柔性化生產(chǎn)。IO狀態(tài)界面可以顯示設(shè)備所有的IO信號(hào)的狀態(tài)，包括開關(guān)、限位、接近開關(guān)、報(bào)警燈等。報(bào)警日志記錄設(shè)備的報(bào)警觸發(fā)信息，方面維修人員進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)和維護(hù)。HMI主界面示意圖如圖7所示。

圖7 HMI主界面

3.6 上位機(jī)及SQL數(shù)據(jù)庫(kù)

控制器連接AP，工位旁工業(yè)計(jì)算機(jī)配備無線網(wǎng)卡，通過無線通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)由ATLAS提供的PowerMACS API與控制器交互數(shù)據(jù)，該API是給用戶和主控制器TC中建提供接口服務(wù)的軟件庫(kù)，技術(shù)上它作為Microsoft ActiveX組件來實(shí)現(xiàn)，它的主要優(yōu)勢(shì)在于提供了描述公共接口的標(biāo)準(zhǔn)方式[4]。在Windows平臺(tái)下使用C#開發(fā)上位機(jī)軟件，通過調(diào)用其提供的函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)讀取擰緊結(jié)果和擰緊曲線，給操作者提供更為直觀的狀態(tài)顯示，該設(shè)備系統(tǒng)API訪問框架如圖8所示。

圖8 API訪問框架圖

其中GetCycleData函數(shù)可以獲取擰緊結(jié)果和數(shù)據(jù)，GetEvent函數(shù)可以獲取控制器的事件信息，GetTrace函數(shù)用于獲取擰緊的曲線，最終將數(shù)據(jù)寫入SQL中，便于與MES系統(tǒng)對(duì)接。

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于AGV移動(dòng)的擰緊機(jī)方案，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分選型進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算，并詳細(xì)的介紹了控制系統(tǒng)的原理，該設(shè)備可以用于客車廠總裝車間底盤工位等操作空間受限制的場(chǎng)合對(duì)螺栓進(jìn)行擰緊操作，大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。另一方面使用全自動(dòng)擰緊機(jī)可以有效的降低漏擰、錯(cuò)擰的概率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可追溯的功能，提高了裝配質(zhì)量，在實(shí)際應(yīng)用中有著良好的效果。