一種智能AGV 汽車的立體焊裝系統設計研究

畢愿江

一汽模具制造有限公司 吉林省長春市 130013

1 引言

隨著我國科技的不斷發展，越來越多的智能化設備逐漸出現在各式各樣的工廠當中，人們也在不斷追求工廠的智能化與科技化，在工業物聯網的背景下，許多科技概念也被人們提出，例如黑燈工廠、無人工廠等。就汽車的立體焊接安裝車間而言，國內的焊接工藝與國外相比較為落后，汽車的焊接安裝工作存在工廠生產線供貨緩慢、生產效率低下的問題。在這樣的工業應用背景之下，AGV 技術應運而生，能夠有效降低工廠關于原料輸送的人工成本，并且能夠極大提升工廠的工作效率，同時在一定程度上優化國內汽車立體焊接安裝的工藝流程。自動導航車技術（Automated Guided Vehi-cles，AGV）對于大型工廠的生產線而言，是一種新型優質的原料輸送裝置，相較于傳統的人工搬運、人工操作機器等方式對原料進行搬運工作，AGV 技術的應用能夠極大提升工廠的生產線供貨問題，以當今的科技發展趨勢來看，結合工業物聯網的技術背景，AGV 技術作為一種新型的物料搬運設備一定能夠在今后的工廠產線工作中大放異彩。AGV 技術不僅可以代替傳統的人工搬運，使工廠產線的生產變得更加靈活多樣，同時AGV 技術的出現打破了傳統意義上的生產線平臺化限制，可以將多種車型、多種物料進行混合搬運處理，極大提升工廠的生產效率與生產能力，同時在AGV 技術的加持下，有效提升工廠產線的吞吐量，極大提升工廠的經濟效益。

2 工廠的立體焊裝系統環境搭建

2.1 工廠立體焊裝體統環境搭建概述

目前汽車工廠的立體焊裝工藝生產線采取傳統的人工物料搬運方式，本文設計采用AGV 自動運料導航車與傳統產線相結合的方法，待上述方法取得一定成效之后，進一步擴大AGV 的應用范圍與應用深度，通過一步步提高AGV 在工廠運料設備的生產份額來提升工廠智能化與自動化的水平。

AGV 技術與傳統焊裝產線融合方案將工廠分為幾個主要的區域，分別為上料區、分布焊接區、總焊接區與下料區四部分，通過上述四部分區域相互協作，共同完成工廠的多種車型混合、多種材料供應的工作要求，實現一定產品層級下的工廠生產的多樣化與高效化。柔性兼容混合的工廠生產線控制具體操作為：首先對運送的物料以及目標焊裝車型進行識別、區分以及篩選，將產品型號類似的車型進行選擇與分類，之后使用AGV物料運送車進行物料運送時，便能夠將相應類似型號的汽車產品的物料進行統一配送，極大節省運送時間，提高工作效率，且型號類似的汽車產品零部件被AGV 物料運送車運送時，能夠使用型號一致的夾具進行抓夾操作，省去更換夾具的操作能夠節省能源，同時提高工作效率；當AGV 進行另一類型物料運送工作時，首先需要更換裝夾物料的夾具，更換夾具時，先將夾具在相應的夾具更換停止位固定，之后通過對應的機械結構將夾具的牽引銷收縮，此時AGV 的夾具便實現與AGV 的脫離，并且通過相應的操作人員在夾具庫中更換相應型號的夾具，再由相應的機械結構安裝上牽引銷，最終實現夾具的更換操作。

2.2 AGV 控制系統構建

2.2.1 AGV控制系統總體設計

AGV 控制系統的搭建是基于PLC 硬件進行的。基于PLC 進行AGV 控制系統搭建的過程中，首先要根據工廠的實際場地、生產產品的特點以及工作流程與工藝等進行實際應用的模擬實現，根據模擬實現的結果采取更加穩定優化的設計方案，并且結合AGV 運行時的各項參數要求，設計出更加契合相應工廠生產線的工作模塊，同時要在盡量兼顧實際生產過程中的控制復雜程度，盡量降低控制的復雜性，進而降低生產成本。AGV 系統的整體設計分為主循環模塊、初始化模塊與應急模塊，三者相輔相成，共同實現AGV系統整體的良好運作。同時將AGV 系統分幾大模塊進行設計可以更好地進行系統的管理與優化。當系統開始使用時，首先要激活初始化模塊，其激活方式可以通過藍牙。按鍵開關、無線數據傳播等多種方式，將整體系統初始化之后，系統進入主循環模塊，開始進行既定的程序操作，當AGV 在工作過程中遇到某些突發情況，系統將會出發應急模塊，及時采取相應的保護措施，保護運送的物料以及AGV 自動導航車自身。

2.2.2 AGV控制系統硬件設計

一輛自動導航車的設計不僅要有整體的設計作為骨架、精確的軟件設計作為大腦，同時要有可靠的硬件作為四肢以及肌肉，因此對于AGV 而言，可靠穩定的硬件設計是必不可少的。關于AGV 的硬件系統設計，首先要考慮AGV 實際工作的工況，考慮相關的環境因素對AGV 的影響，保證其能夠穩定持久的進行工作，同時滿足各項工作的要求，例如相應的工作尺寸、轉速、符合等參數要求應該滿足基礎負荷標準。對于負責運送物料的自動導航車而言，不需要其具有精美的外觀結構，其基礎外形尺寸要求能夠滿足工廠的工況要求即可，在其車體之內安裝有驅動電機和轉向電機，用于控制自動導航車的方向和動力，同時在車身的周圍安裝相應的黃色警示燈，起到警示作用，同時保證其應急模式啟動時能夠有明顯的燈光提示。同時在車身內應配有PLC 控制器，用于其車身的控制及各項模式的切換，同時應該設置有相應的IO 接口。

2.2.3 AGV控制系統軟件設計

自動導航車控制系統的軟件設計是自動導航車功能的精髓所在，精確穩定的軟件控制能夠幫助自動導航車有效地在工廠中進行工作，基于PLC 進行AGV 控制系統的設計，首先要選取合適的PLC 型號，之后選擇一系列輸入、輸出的模塊、電源模塊等，完成對PLC 的組態，之后通過STEP7 或者博圖軟件進行PLC 的程序編寫，PLC 控制中心主要進行輸入、輸出端口地址的分配，保證系統的合理運行。此外還會選擇安裝CPI、EM222等模塊進行擴展，保證系統整體的穩定性。

3 AGV 系統技術應用研究

3.1 AGV 在各生產線工作流程研究

3.1.1 供料站工作流程研究

供料站的產線設計要求為能夠儲存原材料，作為整個工廠的存儲倉庫，供料站的產線一般設置于碼垛站附近，將原材料送至之后，經過碼垛站的處理，將原材料位置整理好，為整個工廠相應產線后續的原料輸送保駕護航。AGV 在供料站的工作流程如下：首先AGV 要將目標原材料輸送至供料站的原料平臺處，同時經過系統自帶的原料信息條形碼將每一個原材料的屬性進行核對，確保運送之前原材料的相應的尺寸或屬性要求能夠滿足，之后AGV 將原料通過夾具放置AGV 車身之上，按照程序設定好的路線進行原料輸送，輸送至碼垛站材料指定放置處，由碼垛站進行材料的收集整理。在產線的工作還沒有開始之前，AGV 小車就應該按照程序的設定，自動將小車開至供料站或者搬運站附近，同時對供料站相應的磁條卡進行識別，AGV車身內的PLC 控制中心便會自動識別相應的磁條信息，同時通過自動化的信息處理與相應的大數據功能完成對信息的識別與加載，最后將該供料站相對應的原料夾具信息確認好，之后便使用確認好的夾具進行原料的夾取工作。夾取之后由PLC 下達控制指令，完成整個流程。

3.1.2 搬運站工作流程研究

對于大部分汽車立體焊裝的工廠而言，其相應的原材料為汽車的零部件，這樣的零部件往往都是已經經過上一道工序嚴格處理的，因此相應的產品或者零部件信息都會以條形碼的形式附帶在零部件機身，對于AGV而言，應該首先識別相對應的產線信息，依據產線的整體參數及屬性確定自身夾具所使用的規格，便于后續進行產線產品的搬運與搬運站內產品的整理工作，在識別好產品信息和產線信息之后，由PLC 控制中心對硬件系統下達指令，使其更換出合適的工件夾具，便于后續進行工件的夾取操作，以及將搬運站內的工件進行整理操作。

3.2 立體焊裝產線AGV 系統功能設計

3.2.1 AGV電氣回路設計

進行AGV 電氣回路的設計，首先要確定相應的AGV 對于電氣模塊的要求如何，對于工作的地點、范圍已經工件要求有全面的分析與考察，之后結合考察的內容與結果設計AGV 的電氣回路與電氣模塊，保證其具有足夠的功率，同時電池模塊能夠為AGV 的工作提供充足的動力，保證其動力系統能力充足，且不會因為一些故障導致AGV 進入應急模式，無法正常工作，同時還應該設計好電氣回路相應的IO 接口模塊，保證其能夠與PLC控制中心進行信息的傳遞與交流。AGV 的驅動電機與轉彎電機為AGV 的主要動力源，上述電機需要充足的功率以滿足其工作要求，同時應該具有完善的電池系統保證整體功能的完善與穩定，同時還應該能夠循環利用，電池系統應該具有相應的充電模塊，保證AGV 沒有能源動力之后能夠及時補充，延長AGV 系統的運行工作時間，提升整個工廠產線的工作效率。

3.2.2 AGV精準定位設計

AGV 的精準定位設計要求主要指要求AGV 自動導航車在工作前以及承載物料之后都應該能夠準確地停到相應的位置，工作前應該停至上料區的相應裝載區域，上料區的物料經過傳動裝置運送至裝載區域，由AGV的相應夾具手進行物料的裝載，將其裝載與自身車身之后，由AGV 帶動運送至焊裝區域進行加工操作，這里同樣需要精確的定位，否則焊裝操作的操作手無法準確識別與夾取相應的工件，可能會導致對工件造成損傷，及時沒有損傷，重新定位識別同樣是浪費生產時間與生產成本，降低工作效率。因此對于AGV 而言，需要預先設定好相應的軟件程序，根據這些程序對路徑進行規劃識別，同時對位置進行準確定位。具體的實施方法可以通過在AGV 車底部安裝相應的攝像機，通過攝像機對AGV 行駛的道路進行路面拍攝，實時進行圖像的識別處理操作，當進入定位區域之后，由同樣由攝像機進行拍攝，當所拍攝照片與軟件系統預先設定好的照片相匹配，其相似度達到95%以上，即可以認為AGV 此時已經處于正確的上料位置，可以進行上料操作。

同時AGV 小車的精確定位操作可以由識別停車標識的方式實現，而停車標識不是傳統意義上的道路標識，這樣的標識有多種手段可以實現，例如通過磁力來進行AGV 自動導航車的位置確定，在AGV 自動導航車上設定好相對應的磁力裝置，當經過產線站點預先設定的磁力裝置時，磁力相互產生作用，將這樣的力的作用轉化為電流，將這樣的電流信號傳遞給PLC 控制中心，由控制中心進行信號的識別與處理，識別為磁力信號之后便認為已經到達需要停車的位置，通過這樣的方式滿足定位要求；同時還可以使用光學的方式來進行AGV 自動導航車的定位操作，通過在AGV 上安裝有光學傳感器以及相應的識別裝置，在產線站點位置處設定好相應的黑色膠帶，用于光學的區分，這樣當AGV 自動導航車經過設定位置時，黑色膠帶不會反射光線，這樣便與周圍的位置進行區分，光學傳感器獲取信號之后將信號傳遞給PLC 控制中心，由其下達停車指令，即到達精確的位置。

3.3 立體焊裝系統集成處理

立體焊裝系統的集成處理主要是將通過AGV 自身各種傳感器所獲得的外部信號進行吸收、識別、篩選、分類、記憶與計算，集成處理系統便是整個立體焊裝系統的大腦，其主要的操作便是對于獲取的相應的數據的預處理操作、將重要的數據進行存儲，同時與AGV 移動端進行信息的交流與傳遞也要經過集成處理系統對信息的處理之后，才能將信息進行發送。

其中集成處理系統中數據存儲操作主要利用數據庫操作、大數據技術進行數據的分類與精確處理，這樣的工作要求整個集成處理系統對于數據與信息的處理速度很快，能夠滿足工作方面的要求，同時當出現諸多突發情況的時候，系統能夠及時對相應的數據進行處理，最終避免一些不必要的損失出現。

數據分析模塊是為業務應用層提供決策支持，利用現代算法、圖像識別"等技術，提取道面病害參數、預估道面性能，依據決策支持模型和專家經驗生成道面維護對策。Emirll 等人使用圖像分析和譜聚類的無監督方法，通過圖像分割和形狀提取，使用灰度圖像識別瀝青混凝土道面坑洞的表面尺寸的估計精度為81%。

數據處理模塊同樣是集成處理系統的重要組成部分，因為對于上述提及的各種精確定位方法、磁條卡產品信息內容的識別與記錄等，都需要對于相應的數據進行分析，例如通過圖像識別與處理判斷AGV 是否進入規定的停車區域，需要數據分析模塊對于圖像進行分析處理，而圖像進行處理，計算機將其變成多層多維的數組，其中具有相應的顏色模式如RGB，由數據分析模塊對這些多維數組進行分析，結合相應的圖像處理函數對其進行分析判斷是否已經進入待定區域；同理，處理磁條和光學信號的信息同樣需要結合現代的各種算法，對相應的內容進行識別，處理對應的信號，結合信號分析的相應算法與計算公式，對物理量的信號進行處理，將其轉變為計算機所熟悉的數字量，最終進行數字量的處理識別，判斷其是否滿足要求。