AGV物流系統在注塑車間應用實踐

付紅素 杜金丹

北京隆軒橡塑有限公司 北京 100092

0 引言

在工業4.0和中國制造2025國家戰略發展趨勢下，機器人已經廣泛應用于企業智能制造轉型的各個領域。作為機器人的一個重要分支，移動機器人強調移動的特性，是一類能夠通過傳感器感知環境和本身狀態實現在有障礙物環境中面向目標的自主運動，進而完成一定作業功能的機器人系統。相對于固定式機器人，移動機器人以其可自由移動的特性而應用場景更廣泛，潛在功能更強大。移動機器人泛指具有移動功能的機器人，主要采用人類制造的移動車輛結構或模擬人類/動物的移動方式來實現移動功能，可有效擴大機器人的工作范圍和活動空間，使機器人能夠移動到固定式機器人無法到達的空間位置，完成要求的操作任務。

AGV以電池為動力，裝備有電磁或光學等非接觸自動導引裝置，能夠沿規定的導引路徑行駛，是具有安全保護以及各種移載功能的無人駕駛運輸車。車體在軟件系統的控制下按導航規劃路徑和任務要求，精確地運行到在指定任務站點，完成一系列動作任務。通過與生產執行系統MES、倉儲管理系統WMS等工業軟件通訊，AGV可實現倉儲的自動化搬運管理，貨位柔性動態分配；通過與自動化設備PLC信號交互，AGV可實現工位間物料的自動配送管理，由人到貨變為貨到人的工作流提高了工作效率，降低了勞動強度。在工業4.0背景下，生產企業通過引進AGV物流系統改變了傳統人工分揀、人工搬運模式，有效地實現了物流自動化。

傳統制造型企業通過引進AGV物流系統實現車間各工位間物到人、點到點的自動物流配送方式，以提高車間物流效率和智能化水平。項目引進過程應在既有生產環境和工藝流程基礎上優化工藝路徑和物料流，具體實施路徑覆蓋生產過程評估、生產流程再造、AGV選型及技術參數符合性評估、自動化設備和專用載具設計開發、設備間互聯互通、供方管理和采購過程管理等。

1 生產過程評估

生產過程評估包括梳理生產流程、現有物流周轉方式、工作環境和既有設備評估。注塑車間生產流程為原材料供料→干燥→注塑→出模/裝箱→集中/后處理→檢測→包裝→入庫；物料流在注塑工位、集中處理工位、檢測室、后處理工位和庫房各車間生產區域流轉。其中，注塑工位到集中/后處理工位、各工位到檢測室、后處理工位到庫房的產品流和物料流均由人工完成。周轉用推車可容納每班次工序產品，周轉節拍為12 h/次。

項目啟動階段充分收集溫度、濕度、地面平整度、坡度、臺階落差、地面縫隙區和水污、油污區域等環境信息；核實設備型號、尺寸和外部設備通訊協議，編制車間設備布局圖，確認AGV工作空間。注塑生產過程流程圖如圖1所示。

圖1 注塑車間生產流程圖

2 生產流程再造

生產流程再造包括評估自動物流配送的點位和路徑、優化物流路徑、定義AGV工作流程、測算生產節拍和物流節拍。移動機器人自主移動關鍵技術需要解決3個關鍵問題：確定當前位置、確定目的地、實現流程。確定當前位置是確定機器人在環境中的位置，通常是在所給定環境地圖的坐標系中確定機器人的位置，即定位問題；確定目的地是目標規劃問題，與任務相關；實現流程則需尋找從機器人當前位置到目標位置的移動規劃和控制，即導航規劃。

這三者需要統一在環境地圖坐標系中進行描述，涉及地圖表示與構建問題。如果在環境中設置人工標識，地圖構建和定位問題可大大簡化，但一般應用環境中難以設置人工標識，且存在物體移動、光照/季節/氣候等動態變化，使這2個問題成為約束機器人在一般環境中可靠魯棒移動的瓶頸問題。

按照車間布局和物流路徑，AGV小車取代人工搬運任務，執行工序間半成品搬運任務。AGV取放料點位于注塑工位、集中處理工位、后處理工位、檢測室和庫房。工作流程包括半成品由上工序到下工序的周轉（5-6、8-9、12-13）、載具（車/箱）回流運輸（6-5、9-8）、抽檢件送檢和返回（6-7、7-6）。AGV執行搬運任務的生產流程如圖2所示。

圖2 改造后注塑車間生產流程圖

AGV小車路徑規劃任務起點設在待機位（充電位置），目標點定位在設備周邊取放料點。設計運行線路時充分考慮路徑距離、轉彎位置、轉彎空間、目標點工作空間。對接設備位置決定AGV走行路徑和運行節拍，不同取料點的規劃路徑對比如圖3所示。圖中的紅色線為AGV的運行線路，AGV在產線外的主通道采用單線路運行，AGV轉彎運行時根據場地空間可采用90o原地旋轉或走圓弧旋轉。轉彎速度降低影響運行節拍時間，規劃運行線路時應盡量減少轉彎次數。

圖3 AGV導航規劃路徑對比

產品注塑周期時間和載具容量決定著AGV任務節拍，如某產品注塑周期時間為25 s，載具容量120件，取料任務呼叫AGV時間間隔為50 min。考慮到載具的自動回流，送載具任務呼叫AGV時間間隔為50 min，綜合計算得出注塑工位AGV任務節拍時間為25 min/次。AGV選型時確認AGV運行節拍時間加上充電時間應低于任務節拍時間。

3 AGV選型及各項技術參數符合性評估

AGV硬件結構選型取決于工作環境和運輸貨物類型，AGV選型按引導方式可選擇有/無人工標識方式，其中無人工標識方式有激光和視覺導引方式；按驅動方式可選擇單輪驅動、差速驅動和全方位驅動方式；按移載方式可選擇叉車式、滾道式、牽引式、揀選式或機器人式。在工廠里使用的AGV為了實現自主移動并確保可靠性，常采用在作業環境中部署磁釘、磁條、二維碼、激光反射板等人工標識方法。在無法進行人工標識的場景，可選用無需安裝反光板即可實現激光導航AGV定位的無反光板激光自主導航技術。

在評估車體性能時，需要對比基本參數、運動性能、安全防護、電池性能等關鍵指標，確認軟件控制系統功能包括工作流程、系統架構、人機交互方式、接口程序通信方式、是否支持遠程遙控等，評估安全系統防護措施、避障傳感器類型、最大檢測范圍和急停按鈕喇叭指示燈配置等。

本項目引進AGV小車主要應用于工序間半成品周轉運輸。由于產品尺寸小（直徑小于500 mm），負載輕（單次運輸質量小于50 kg），節拍時間短，工作環境復雜和對接自動化設備多，綜合評估后選用雙層滾筒式無反射板激光導航AGV。主要技術參數有：自重為250 kg，額定負載為100 kg，底盤距地間隙為30 mm，額定運行速度為1.5 m/s（空載），旋轉直徑為800 mm，可原地旋轉/弧線轉彎，爬坡能力為8%/5%（空/滿載），定位角度精度為±2°，導引定位精度為±10 mm，停止角度精度為±2°，停止位置精度為±10 mm，雙向行駛，差速驅動方式，越障能力為5 mm，過縫能力為10 mm，額定輸送速度為0.3～0.5 m/s，電池類型磷酸鐵鋰電池，電池容量為30 Ah，充電循環次數＞2 000 次，額定工況下工作時間＞6 h，完全放電后充電時長＜1 h。

載具選用定制的方形周轉箱，AGV工作面尺寸可兼容各型號周轉箱，上下層高度與自動化輸送滾筒線一致。為滿足停車定位精度±5 mm的要求，取送料站點位置采用二維碼和視覺導航定位方式。車間工作環境應用場景復雜，存在運行方向與叉車、立體空間與天車交叉的情況，避障采用前后側兩端0o～270°掃描測距（0～3 m可調）激光傳感器、行徑方向頂部安裝激光立體防護傳感器、前后側碰撞條等。AGV小車效果圖如圖4所示。

圖4 AGV小車效果圖

4 自動化設備及載具設計開發、設備間互聯互通

在項目策劃階段應提前驗證與自動化設備對接機構結構和專用載具樣式，并確認與自動化設備信號通訊方式。專用載具為自動化設備和AGV小車共用裝備，外形尺寸和尺寸偏差限制應用設備的機構尺寸、精度和定位方式。通常載具設計工作包優先AGV小車設計工作包完成。

AGV根據定位點執行動作不同，采用不同機械機構。定位點處對接方式決定AGV移載機構結構和信號通信方式。本項目對接機構采用雙層滾筒線，上層輸送空載周轉箱，下層傳出滿載周轉箱。進/出料口設計為V形導向結構，出口和入口的有效寬度可調整，便于兼容不同尺寸料箱。AGV輸送線的進/出料口的兩側配置料箱到位傳感器，用于檢測料箱在AGV上的狀態。輸送線末端配置一組到位傳感器，用于到位停止檢測。同時，上下兩側端部安裝機械式的停止擋塊，作為傳感器失效時的保護裝置。

AGV的上位機與自動化產線設備PLC采用以太網通訊的信號交互方式，通訊方式主要采用OPC-UA通信協議。各工位自動化設備PLC發送狀態指令，AGV上位機系統接受指令后調度小車執行取/送料任務。自動化設備系統架構如圖5所示。

圖5 自動化設備系統架構圖

5 供方管理和采購過程管理

供方管理過程涉及供方開發、能力評估、供方選擇、項目過程管理和業績評價等過程，項目策劃階段通過展會、用戶單位和行業專家推薦等方式收集AGV相關品牌和廠家信息。根據行業特點，選擇與注塑行業應用領域相關的AGV品牌商進行技術溝通，通過技術參數比對、模擬運行場景、客戶口碑及行業影響力等方面充分評估供方的設計、施工、售后和項目管理能力水平，做到優選供方。供方技術能力是項目成功交付的關鍵因素，采購人員應嚴格執行采購流程，避免和防范招標管理風險。合同或技術協議作為采購過程的重要文檔，明確交付物內容、規格參數、交付要求、售后服務內容、履約責任、知識產權等信息，必要時公司法務可參與合同協商、評審和簽訂等過程。

AGV項目實施過程與自動化設備開發同步進行時，三方應聯合評審對接機構、動作流程、信號通訊協議等內容，保證設計數據一致。

6 結語

傳統制造企業引入新技術新裝備過程務必立足于自身產品制造工藝特點，發現薄弱環節和待優化項目，做好項目策劃和設計驗證工作，逐項解決，避免項目失敗風險。AGV物流系統和自動化設備項目同時設計、同時調試和同時驗收投入使用，可避免智能工廠改造升級過程中重復設計和設備參數不匹配等方面的風險。通過嚴格執行項目實施路徑和控制項目管理過程，注塑車間引入AGV物流系統已成功落地運行，穩定應用于生產現場。該項目的引進實現了各工位間點到點和貨到人的自動物流配送，提高工廠自動化水平，為智能工廠自動化整體布局提供了有力的技術支持。