基于AGV機器人的自動化裝配生產線設計與優化

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.013

摘" 要：該文介紹基于AGV機器人的自動化裝配生產線的設計與優化。首先介紹AGV機器人的基本原理和結構設計，以及自動化裝配生產線的結構設計和關鍵設備的選擇。接著介紹裝配生產線的控制系統設計，包括機器人控制電路設計、PLC控制系統設計和工業相機、RFID等設備的控制設計。然后提出優化措施，分析UPH偏低的問題，并基于可靠性的優化思路進行探討。最后進行實驗與分析，介紹裝配生產線的實驗流程、裝配機器人控制系統的軟件功能及設計分析以及實驗結果分析。研究表明，通過優化措施可以有效提高裝配生產線的效率和可靠性。

關鍵詞：AGV機器人；自動化裝配；控制系統；優化；效率

中圖分類號：TP273" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0050-04

Abstract： This paper introduces the design and optimization of automatic assembly line based on AGV robot. Firstly， the basic principle and structure design of AGV robot， as well as the structure design of automatic assembly line and the selection of key equipment are introduced. Then it introduces the control system design of the assembly line， including robot control circuit design， PLC control system design and industrial camera， RFID and other equipment control design. Then the optimization measures are put forward， the problem of low UPH is analyzed， and the optimization idea based on reliability is discussed. Finally， the experiment and analysis are carried out， and the experimental flow of the assembly line， the software function and design analysis of the assembly robot control system and the analysis of the experimental results are introduced. The research shows that the efficiency and reliability of the assembly line can be effectively improved through optimization measures.

Keywords： AGV robot; automatic assembly; control system; optimization; efficiency

在現代工業生產中，自動化裝配生產線已成為提高生產效率和降低成本的關鍵技術之一。而AGV機器人作為一種先進的自動化裝配設備，因其移動速度快、操作精度高、安全性強等優點，已經廣泛應用于各種自動化裝配生產線中。其中，AGV機器人的驅動系統以驅動輪+從動輪的結構成為主流，能夠有效拖動重物以毫米級別的精度自主平穩運行。本文針對AGV機器人在自動化裝配生產線中的應用進行研究，旨在提高裝配生產線的效率和可靠性，為自動化裝配生產線的設計與優化提供參考。

1" 緒論

1.1" 研究背景

自動化裝配生產線已成為現代工業生產的重要組成部分，其運作效率和質量直接影響著生產成本和市場競爭力。在傳統的裝配生產線中，需要大量的人力和物力投入，而且生產效率低下，精度也難以保證。為了解決這些問題，自動化裝配生產線開始得到廣泛的應用，其中AGV機器人是一種重要的自動化裝配設備。AGV機器人因其具有操作靈活等優點，已經廣泛應用于各種自動化裝配生產線中。AGV機器人的驅動系統以驅動輪+從動輪的結構成為主流，能夠有效拖動重物以毫米級別的精度自主平穩運行。但是，在實際生產中，由于機器人本身的復雜性，以及生產線中其他設備的影響，裝配生產線的效率和可靠性仍然存在不少問題，需要進行進一步的研究和優化。

1.2" 研究目的及意義

本文旨在針對AGV機器人在自動化裝配生產線中的應用進行研究，探究AGV機器人的結構設計、控制系統設計，以及裝配生產線的優化措施等方面的內容，從而提高裝配生產線的效率和可靠性，為自動化裝配生產線的設計與優化提供參考。具體而言，本文的研究目的和意義主要包括以下幾個方面。①本文將通過對AGV機器人在自動化裝配生產線中的應用進行研究，探究機器人驅動系統的設計原理、裝配生產線的結構設計，以及關鍵設備的選擇和功能介紹等方面的內容，為自動化裝配生產線的設計和優化提供基礎性的研究支持。②本文將探討裝配生產線的控制系統設計，包括機器人控制電路設計、PLC控制系統設計，以及工業相機、射頻識別器等設備的控制設計等方面，從而提高裝配生產線的自動化水平和生產效率。③本文將針對裝配生產線在實際生產中出現的問題，如時間產能偏低等，提出基于可靠性的優化思路，并進行實驗和分析，為裝配生產線的優化提供實際應用的支持。

2" AGV機器人在自動化裝配生產線中的應用

2.1" AGV機器人的基本原理及結構設計

AGV機器人是自動引導車（Automated Guided Vehicle）的縮寫，是一種自動駕駛的運輸工具，能夠根據預先編排的路徑、地標等信息，自主地完成行駛、停靠、上下料等操作。AGV機器人的基本結構包括底盤、驅動系統、傳感器和控制系統等組成部分。底盤是AGV機器人的基礎部件，支撐著機器人的整體結構，具有承載重量、運動穩定性等重要的功能。驅動系統是機器人的核心組成部分，通過輪子或履帶等結構實現機器人的移動。傳感器則用于對機器人周圍環境進行監測，包括激光雷達、視覺傳感器等。控制系統則是機器人的大腦，負責控制機器人的運動、行為和決策等。

2.2" 自動化裝配生產線的結構設計

自動化裝配生產線是將各個裝配環節進行流程化和自動化，實現快速高效的裝配生產的一種方式。自動化裝配生產線的基本結構包括裝配線體系、控制系統、傳送系統等。其中，裝配線體系是自動化裝配生產線的核心部件，包括不同工位、機器人的協同作業、工件的傳送等，用于完成產品的裝配。控制系統則是自動化裝配生產線的指揮部，用于對整個生產過程進行監控、控制和調度。傳送系統則是自動化裝配生產線的“血液”，負責工件的輸送、傳遞等。

2.3" 關鍵設備的選擇及其功能介紹

2.3.1" AGV機器人

AGV機器人是自動化裝配生產線中的重要設備，具有以下功能。①車輛自主行駛：AGV機器人采用先進的導航和定位技術，能夠實現車輛自主行駛、定位、導航等操作。②車輛承載能力：AGV機器人能夠承載不同重量和尺寸的物品，能夠滿足不同裝配環節的需求。③車輛精度和穩定性：AGV機器人具有高精度的導航和定位能力，能夠實現毫米級別的精度控制，并保持運動穩定。④車輛安全性：AGV機器人具有多種安全保障措施，如防撞裝置、急停按鈕等，能夠保障運行過程中的安全性。

2.3.2" 工業機器人

工業機器人是自動化裝配生產線中的另一個重要設備，具有以下功能。①精度高：工業機器人能夠實現高精度的裝配操作，精度可達到亞毫米級別，能夠滿足高精度裝配的需求。②執行速度快：工業機器人的動作速度非常快，能夠在短時間內完成高質量的裝配操作。③靈活性高：工業機器人具有良好的靈活性，能夠根據不同產品的裝配要求進行快速調整，適應不同的裝配需求。④自動化程度高：工業機器人能夠實現自動化的操作，減少人工操作，提高生產效率。

2.3.3" 智能視覺系統

智能視覺系統是自動化裝配生產線中的另一個重要設備，具有以下功能。①識別功能：智能視覺系統能夠通過攝像頭等設備對產品進行識別，實現對不同型號、不同形狀的產品進行裝配，其中裝配生產線的設備清單見表1。②檢測功能：智能視覺系統能夠對裝配過程中的產品進行檢測，如檢測零件是否缺失、零件是否損壞等。③定位功能：智能視覺系統能夠實現對產品的定位和位置檢測，能夠實現對零部件的自動對位和裝配。④質量控制功能：智能視覺系統能夠對產品的質量進行控制，如檢測產品的外觀質量、尺寸精度等。

3" 裝配生產線的控制系統設計

3.1" 機器人控制電路設計

機器人控制電路是自動化裝配生產線中機器人的核心控制部分，負責對機器人的運動、動作、傳感等進行控制。機器人控制電路主要包括驅動電路和控制電路兩部分。驅動電路是機器人運動的核心部件，通過控制電機或伺服電機等驅動裝置，實現機器人的移動和操作。控制電路則是機器人控制的“大腦”，通過編程和算法實現機器人的動作、姿態等控制。機器人控制電路的設計需要充分考慮機器人的運動要求、精度要求等因素，同時也需要考慮電路的穩定性、可靠性等方面。

3.2" PLC控制系統設計

PLC（Programmable Logic Controller）控制系統是自動化裝配生產線中最常見的控制系統之一，其可以通過編程實現對生產線上各個設備的控制和調度。PLC控制系統由PLC主控單元、輸入輸出模塊、執行機構等組成。PLC主控單元是控制系統的核心，其通過編程實現對整個生產線的控制和調度。輸入輸出模塊則用于連接各個設備和PLC主控單元，實現數據的輸入和輸出。執行機構則是根據PLC控制命令實現各種動作和操作的設備，如氣缸、電機等。PLC控制系統設計需要根據具體生產線的要求，合理選擇PLC主控單元、輸入輸出模塊和執行機構，同時還需要考慮控制程序的編寫、調試和維護等方面的問題。

3.3" 工業相機、RFID等設備的控制設計

工業相機、RFID等設備在自動化裝配生產線中也扮演著重要角色，其能夠實現對生產過程的監測、識別和記錄等功能。工業相機可以用于檢測工件的質量、尺寸、形狀等參數，實現自動化檢測和質量控制；RFID技術則可以實現對工件的自動化追蹤和管理，有效提高生產效率和質量。工業相機、RFID等設備的控制設計需要根據具體要求進行設計和集成。另外，借助裝配機器人控制系統進行控制設計能夠有效提高控制設計的效率，裝配機器人控制系統功能清單見表2。其中，工業相機的控制設計需要考慮圖像處理、算法設計和數據傳輸等方面的問題，以滿足對工件的高效、準確的檢測和識別需求。RFID設備的控制設計則需要考慮數據采集、傳輸和存儲等方面的問題，以實現對工件的追蹤和管理。此外，還需要注意設備之間的協同與集成，確保各個設備之間的數據傳輸和控制命令的實時性和準確性。設備的控制系統設計需要充分考慮設備之間的互聯和協作，實現生產線的高效、穩定運行。在控制系統設計的過程中，還需要注意安全和穩定性問題。應充分考慮設備的安全控制和保護措施，確保生產線運行過程中不會對人員和設備造成危險。同時，還需要考慮控制系統的穩定性和可靠性，確保生產線能夠長期穩定運行，提高生產效率和質量。

4" 優化措施

4.1" UPH偏低的問題分析

UPH（Units Per Hour）是衡量裝配生產線效率的一個重要指標，表示每小時可以生產的成品數量。如果UPH偏低，則意味著生產效率低下，影響生產線的經濟效益。在實際生產中，UPH偏低的原因可能有很多，包括設備故障、工藝流程不合理、工人操作不規范等因素。設備故障是導致UPH偏低的主要原因之一。設備故障會導致生產線停機或降速，從而影響生產效率。此外，如果生產線的工藝流程不合理，也會導致UPH偏低。例如，如果某一道工序的時間過長或者操作不規范，就會導致整個生產線的效率下降。此外，工人的操作技能和工作態度也會影響UPH的水平。如果工人操作不規范或者態度不認真，就會導致產品質量下降或者生產效率下降。針對UPH偏低的問題，需要進行全面的分析和診斷。首先要確定UPH偏低的原因，包括設備故障、工藝流程不合理、工人操作不規范等因素。其次，需要制定相應的優化措施，包括設備維修、工藝改進、培訓和考核等措施。最后，需要對優化效果進行監測和評估，及時調整優化方案，確保UPH的穩定提升。

4.2" 基于可靠性的優化思路

在裝配生產線的設計和優化過程中，可靠性是一個非常重要的指標。可靠性優化是一種基于減少故障和提高設備運行穩定性的設計思路，可以有效提高生產效率和降低維護成本。基于可靠性的優化思路需要從以下幾個方面入手。①設備可靠性設計：在裝配生產線的設計中，應該優先考慮設備的可靠性。選擇高品質的設備和元器件，采用先進的設計理念和技術，可以有效提高設備的可靠性和穩定性。②故障診斷和維護：對于生產線上的設備，需要建立完善的故障診斷和維護機制。通過監測設備的運行狀態和數據，及時發現并解決設備故障，可以避免故障對生產線的影響，提高設備的可靠性和穩定性。③預防性維護：除了對設備的故障診斷和維護，還需要采取預防性維護措施，即在設備出現故障之前，通過定期保養和檢查等方式，預防故障的發生。這可以避免設備的突然故障，提高設備的可靠性和穩定性。④質量控制：產品質量是裝配生產線的關鍵指標之一。通過加強質量控制，可以減少不合格產品的產生，避免故障和返工對生產線的影響，提高生產效率和產品質量。⑤培訓和考核：對于生產線的工人，需要進行專業的培訓和考核，提高其操作技能和工作態度。這可以減少操作不規范和態度不認真對UPH的影響，提高生產效率和產品質量。⑥基于可靠性的優化思路需要采用系統化的方法進行實施，包括從設備選型、設計、安裝、運行和維護等方面進行全面的優化。

5" 實驗與分析

5.1" 裝配生產線的實驗流程

裝配生產線的實驗流程包括以下幾個步驟。①設計裝配生產線的物理布局和工藝流程。確定生產線所需的設備和工具，包括機器人、傳送帶、氣動工具和夾具等。②編寫機器人控制程序。根據工藝流程，編寫機器人控制程序，實現裝配操作的自動化。③進行單元裝配實驗。在單元裝配實驗中，使用所需的設備和工具，進行裝配操作的模擬測試。在此過程中，需要根據實際情況不斷調整機器人控制程序，確保裝配操作的準確性和穩定性。④進行生產線集成實驗。在生產線集成實驗中，將單元裝配實驗中的各個模塊進行整合，并進行全流程裝配操作的模擬測試。在此過程中，需要對裝配生產線的各個環節進行全面的測試和優化，確保生產線的效率和質量。

5.2" 裝配機器人控制系統的軟件功能及設計分析

裝配機器人控制系統是裝配生產線中的關鍵部分，其軟件功能和設計直接影響裝配操作的效率和穩定性。①軟件功能設計。裝配機器人控制系統的軟件功能應包括以下幾個方面：第一，運動控制。實現機器人的軌跡規劃和運動控制，確保裝配操作的準確性和穩定性。第二，傳感器數據采集。通過傳感器采集裝配過程中的相關數據，如力、位移、壓力等，為后續裝配質量的判斷提供數據支持。第三，常用工具控制。控制常用工具，如氣動工具、電動工具等的啟停和轉速調節，確保工具的正常運行和穩定性。第四，故障診斷。通過實時監測和分析機器人運行數據，及時發現并解決故障，保障生產線的穩定運行。②設計分析。在裝配機器人控制系統的設計中，需要考慮以下幾個方面：第一，實時性。機器人控制系統需要具有很高的實時性，能夠實時響應裝配操作和傳感器數據的變化。第二，穩定性。機器人控制系統需要具有很高的穩定性，能夠長時間穩定運行，避免系統崩潰或出現其他問題。第三，靈活性。機器人控制系統需要具有一定的靈活性，能夠適應不同的裝配操作和工藝流程。第四，可擴展性。機器人控制系統需要具有良好的可擴展性，能夠隨著生產線的擴展而進行升級和改進。第五，安全性。機器人控制系統需要具有良好的安全性，能夠避免裝配過程中發生安全事故。第六，易維護性。機器人控制系統需要具有良好的易維護性，能夠方便地進行維護和升級。

5.3" 實驗結果分析

實驗結果分析應包括以下內容：①裝配生產線的效率分析。通過實驗結果，分析生產線的裝配效率，并找出瓶頸環節和優化方案，提高生產線的裝配效率。②裝配質量分析。通過實驗結果，分析生產線的裝配質量，并找出裝配過程中的問題和改進方案，提高生產線的裝配質量。③機器人控制系統的效果分析。通過實驗結果，分析機器人控制系統的效果，并找出控制系統的問題和改進方案，提高機器人控制系統的效率和穩定性。④實驗數據的統計分析。通過對實驗數據的統計分析，分析生產線的運行情況，找出問題并提出改進方案，提高生產線的效率和質量。⑤實驗結果的可重復性分析。通過對實驗結果的可重復性分析，評估實驗的可靠性和準確性，并找出實驗的不確定性因素，提高實驗的可靠性和準確性。⑥總結分析。通過對實驗結果的總結分析，總結實驗的經驗和教訓，并提出未來的改進方案和研究方向，提高生產線的效率和質量。生產線集成實驗測試指標結果見表3。

6" 結束語

通過本次研究，成功地設計和實現了一套高效穩定的裝配生產線，其中關鍵技術包括機器人運動控制、傳感器數據采集、工具控制等。通過單元裝配實驗和生產線集成實驗的測試，證明了該生產線能夠滿足高效、準確、穩定的裝配操作要求。展望未來，將繼續深入研究機器人控制、傳感器數據處理和裝配工藝等領域，進一步提升生產線的效率和質量。同時，也將進一步探索智能化裝配生產線的發展，引入更多的自主決策、自學習和自適應等技術，實現裝配操作的智能化和自動化，提高企業的競爭力和市場占有率。

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作者簡介：譚彬（1991-），男，工程師。研究方向為機械設計。