AGV智能系統在汽車焊裝車間的開發應用

摘要：重點介紹了自動導引車（AGV）系統在生產線之間的輸送存儲、排序以及作為調整線的應用場景下，在工藝規劃布局、智能化系統化設計方面的應用案例，包括上下循環、集配排序工藝創新及料停機不停、多路徑規劃智能相鄰調度、數字網聯化等方面的應用創新，其應用不僅減少了生產面積，而且可更加方便和低成本地應對日益加速的個性化定制汽車發展對柔性模塊化生產的汽車產線的改造需求。

關鍵詞：上下循環 集配排序 自動脫掛車 相鄰調度算法 多路徑選擇

中圖分類號：TP29 " "文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240300

Development and Application of AGV Intelligent System

in Automotive Body Shop

Wang Yongcai， Fang Bo， Gao Hong， Xu Jinlong， Tong Lei， Cui Hongliang

（Dongfeng Motor Co.， Ltd. Dongfeng Nissan Passenger Vehicle Company， Guangzhou 510800）

Abstract： This article mainly introduces the application innovation of Automatic Guided Vehicle （AGV） systems in the application scenarios of material transportation， storage， and sorting between production lines， in process planning layouts， intelligent system design， upward and downward circulation， consolidated sorting processes， and the technique of keeping materials moving continuously. Additionally， it covers multi-path planning with intelligent adjacent scheduling and digital network connectivity innovations. These advancements not only reduce the production area but also provide a more convenient and cost-effective response to the rapidly growing need for flexible， modular production lines in the automotive industry， driven by the increasing demand for personalized customized vehicles.

Key words： "Cycle up and down， Consolidated sorting， Automatic trailer detachment， Adjacent scheduling algorithm， Multi-path selection

1 前言

汽車的生產模式包括規模化的批量生產和個性定制化柔性生產。自動導引車（Automatic Guided Vehicle， AGV）電池續航、自動充電、高定位精度控制以及無線網絡和系統集成數字化智能制造等技術的發展，以及AGV智能系統在個性定制化多車型柔性模塊化生產、降低制造成本的優勢，使得AGV智能系統在汽車焊裝、總裝等領域的應用越來越廣泛。重點介紹AGV智能系統在汽車焊裝領域的技術應用。

2 應用場景

現階段，AGV智能系統在焊裝車間的應用，主要是替代傳統的搬運輸送和存儲緩沖（Buffer），如機器人第七軸搬運、 積放站 （Accumulating pallet Conveyor，APC）、往復桿、積放鏈、空中摩擦積放輸送線（Overhead conveyor，OHC）、板鏈等，包括分拼至分拼、分拼至主線、主線至調整線、調整線等，主要實現以下功能。

2.1 輸送存儲

汽車焊裝車間主要是將內外制的沖壓件，通過車身（焊接、涂膠、裝配等）制造加工工藝，制造成白車身的生產車間，如圖1所示。

如圖2所示，從上游工序到下游工序，包括機艙分拼、機艙總成，前地板分拼、前地板總成，后地板分拼、后地板總成，側圍分拼、側圍總成，頂蓋分拼、頂蓋總成，地板主拼、地板補焊，車身主拼、車身補焊，門蓋內板分拼、門蓋總成，以及門蓋裝配和調整。

為了避免設備故障、品質異常以及缺件等對各工序生產的相互影響，根據車間規劃的生產線關鍵評價指標（Key Performance Indicators，KPI）項目中的交車時間（Lead time，LT）、設備綜合稼動率（Overall Equipment Effectiveness，OEE）及工序的復雜性，各工序之間設定一定的庫存緩沖（Buffer）。以往，在AGV技術未發展成熟時，庫存是通過APC、積放鏈、摩擦線OHC等輸送線方式實現；現階段，可全部用AGV智能輸送系統替代。

2.2 柔性順序生產排序輸送

AGV智能輸送系統除了可實現正常的上游生產線工序向下游的生產線或部品的輸送和存儲外，因為同一條生產線生產的多車型汽車產品平臺和車型零件外形、材質等的差異，以及對應的制造工藝的差異，分拼及門蓋線無法實現通用化，所以一般對于特殊構造、特殊材質及特殊制造工藝，采用專用線生產應對；在順序柔性生產的前提下，各車型專用生產線生產的中間產品至下游工序通用化生產線的輸送，就需要排序輸送。

2.2.1 串行篩選排序輸送

例如，不同平臺車型的同一分拼A的相對獨立的A1、A2專用生產線生產的中間產品，向下游順序生產的通用化生產線B的輸送，根據生產順序，AGV智能系統自動到A1、A2對應生產線接專用生產線生產的中間產品，輸送到下游順序生產的B通用化線；串行篩選排序如圖3所示。

2.2.2 并行下游呼叫排序輸送

例如，不同平臺車型的同一分拼A的相對獨立的A1、A2專用生產線生產的中間產品，向下游順序生產的通用化生產線B的輸送，根據生產順序，AGV智能系統自動到A1、A2生產線接專用生產線生產的中間產品，分別將A1、A2車型產品分流送到對應產品存儲通道；下游B通用化線根據車型生產順序，將需求車型數據傳給AGV智能系統，AGV智能系統根據需求順序，放行A1或A2產品存儲通道上的產品輸送到下游順序生產的B通用化線；并行下游呼叫排序如圖4所示。

2.2.3 下游呼叫集配排序輸送

例如，不同平臺車型的同一分拼A的相對獨立的A1、A2專用生產線生產的中間產品，向下游順序生產的通用化生產線B的輸送；同時，B生產線作業還需要C部品，根據生產順序，AGV智能系統自動到A1、A2生產線接專用生產線生產的中間產品，分別將A1車型產品和A2車型產品送到存儲成套零件（KIT）集配區，同時部品C也由倉庫送到存儲KIT集配區；下游B通用化線根據車型生產順序，將需求車型數據傳給集配系統將A、C配對集配，由AGV智能系統配套輸送到下游順序生產的B通用化線；下游呼叫集配排序如圖5所示。

2.3 門蓋裝配調整線（替代板鏈）應用

傳統的門蓋裝配和調整作業的生產線為板鏈形式，因其為很長的直線生根設備，會形成工藝墻，導致車間物流規劃困難和物流成本增加（要避開工藝墻，物流線路增長）。同時，板鏈式調整線是連續運轉，有3個弊病：一是各作業工位因為作業節拍不平衡相互影響，經常由于單個工位的作業節拍異常使全線停線而降低整線設備綜合稼動率，降低生產效率；二是連續運轉向前移動，目前階段無法實現門蓋的隨動自動裝配和調整，只能手工作業；三是連續運轉，無法定義明確的工位，車體無法帶生產車型數據，作業指示電子化無法實現，只能用紙板方式。基于此，新建的焊裝車間都將調整線規劃為AGV形式。

3 工藝規劃

現階段AGV智能系統在汽車焊裝車間主要用于二次物流部品倉庫（集配區）至各生產線、各分拼生產線（集配區）至下游工序生產線以及調整裝配線的輸送、排序（集配）和存儲。工藝規劃主要包含主體線路規劃（含車間內各線體間以及不同車間倉庫或廠房間）、線頭線尾接送料規劃、生產順序排序（集配）規劃和各在制庫存（Buffer）規劃。

3.1 應用范圍

從投資和運行效率、成本＼改造便利性方面考慮，現階段AGV智能系統一般應用在二次物流輸送、排序（集配）存儲和作為調整線的輸送應用，AGV智能系統在焊裝車間的應用范圍如圖6所示。

3.2 工藝布局形式

根據工廠規劃生產平臺和車型、節拍、生產方式等前提條件，規劃各生產線及布局，并規劃AGV智能系統。

3.2.1 平面循環線路

根據工藝需求，設計AGV平面循環輸送線路：工藝簡單的點對點的輸送，設計簡單的循環線路，AGV沿循環固定線路輸送；工藝復雜的輸送點位、集配排序或存儲排序輸送，設計復雜的循環線路，AGV可智能選取最佳的不固定路線實現高效輸送[1]。AGV系統平面輸送路線如圖7所示。

3.2.2 雙層上下循環線路

當車間面積有限或設備改造時，需在有限的面積內實現生產要求，AGV輸送路線可設計為雙層立體循環，充分利用空中空間，減少平面的面積。通過在AGV輸送線的端頭設置提升機，實現空車AGV和實車AGV分層輸送，如圖8所示。

3.3 在制庫存及AGV數量

根據生產線節拍及整體設計KPI，一般設定15～30 min 在制庫存（Buffer），消除各個生產線系統的相互影響；AGV智能系統設計自動脫掛車，實現料停機不停，提升AGV系統輸送效率[2]。通過仿真模擬，進一步減少AGV數量，降低投資成本。

3.4 線頭線尾自動接送料

為了減少生產線線頭線尾的人工搬運，發揮AGV輸送的優勢，通過AGV智能系統設計，實現AGV自動到前序生產線的出料點接料并輸送至后續生產線的上線點上料，從而消除人工的搬運。線頭線尾自動接送料如圖9所示。

4 系統方案

AGV智能系統應用，一般從目標、思路、場景和方案及優化等方面考慮，滿足質量、成本、周期、安全、環保等各方面需求。

4.1 應用目標

通AGV智能系統方案需滿足如表1所列的目標。

4.2 設計思路

常用的設計方法有平臺模塊化設計、模擬仿真等；常用的評價分析優化工具有IFA平面布局改善和評價、智能化評價、QCTSE綜合評價等。

4.3 系統設計

從應用場景考慮，系統設計包括運行布局、導航形式、智能控制方案及模擬仿真進一步實現方案優化。

4.3.1 應用工況和選型方案

AGV智能系統在焊裝車間的應用場景和選型如表2所示。

4.3.2 運行布局規劃

根據工藝規劃，設計AGV智能系統的運行布局及線路，同時設計在線自動充電的位置和方案[1]。

4.3.3 運行導航方案

結合應用場景和工況，設計AGV智能系統運行導航方案如表3所示。

4.3.4 運行控制方案

AGV本體采用可編程控制器 （Programmable Logic Controller，PLC）控制，整個系統通過無線網絡控制AGV個體；（Information system，IS）設立并規劃頻段用途， AGV按規定的頻段接入，有效避免頻段交叉及干擾。另外，AGV系統均接入工廠自動化辦公（Office Automation，OA）網，可實現數據互通及大數據收集；AGV系統生產車型順序信息從生產中心控制系統（Centre Control Room，CCR）或下序生產線控制主站接入，每個AGV帶身頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）生產數據存儲卡和全自動讀取數據，接到車后和車體移出AGV后自動刷寫和刪除生產數據；AGV智能系統與作業指示系統相連，自動實時顯示當前車型數據，保證多車型順序生產作業防錯。

4.3.5 系統運行仿真

通過Plant simulation 軟件對設計的AGV智能系統進行仿真，找出方案中運行不暢區域并優化AGV數量，減少投資的同時，使系統處于最佳的高效運行狀態，AGV系統優化模擬仿真如圖10所示[4]。仿真模型通過遺傳算法建立并持續優化。

4.4 系統評價

對AGV智能系統的自動化集成布局（Integrated Factory Automation，IFA）進行綜合評價和改良，優化方案達成情況如表4、表5所示。

5 應用創新

5.1 系統運行布局優化

AGV智能系統的運行布局路線設計對AGV智能系統至關重要。好的布局路線設計，在滿足工藝要求前提下，可減少面積，提升系統運行效率，降低投資和減少運營成本。

5.1.1 AGV上下循環方式優化

通過改造調整線，將原板鏈調整線改造為雙層上下循環的AGV調整線，節省2/3的面積，消除了地面物流交叉；充分利用原板鏈的地坑，投資和工期大幅削減；將AGV提升機和車體的提升移載機集成在一個工位，精準完成白車身存儲（White Body Storage，WBS）輸送線的AGV接車及AGV和空臺車返回地坑的接車；AGV調整線及線頭線尾升降機如圖11所示。

5.1.2 AGV布局路線及集配工藝集成優化

開發設計不同材料4四門內板線內板總成向滾邊線輸送→內外板KIT集配→輸送的AGV智能系統工藝布局路線，通過系統的智能調度和路徑規劃，消除干涉、等待和逆行，提升效率50%，減少面積60%，AGV門蓋內外板集配輸送系統布局如圖12所示。

5.2 AGV本體防水和爬坡設計優化

通過將控制倉由前部改為中部，活動部分全部加裝密封圈，實現防水等級提升至IP65，可以實現室外運輸，應對雨天環境。將激光導航傳感器安裝在潛伏式AGV的車頭位置，使AGV底盤脫離地面介質制約，將底盤加高至80 mm，爬坡角度高達10°，極大提升了AGV的通過性，輕松應對高落差環境。AGV本體防水和爬坡能力改善如圖13所示。

5.3 AGV本體作業和安全提示優化

使用無線遙控，在零件下線檢查及測量時，無需彎腰操作，作業更便利；使用智能語音進行故障提醒及恢復指導，使AGV的使用更簡單。AGV本體作業改善和語音功能如圖14所示。

5.4 AGV智能系統優化

通過包含料車自動脫掛和自動接送料、自動交通管制和路線自動智能調度的全自動化、生產數據從下游產線的PLC自動獲取、數據存儲RFID自動讀寫數字化、物聯網（Internet of Things，IoT）互聯及生產和設備在線實時監控等，使系統高效運行。

5.4.1 自動化創新

設計托盤自動頂升，AGV自動與料車脫離，實現料停機不停功能， AGV使用效率提升一倍，AGV數量減少一半，從而降低成本。同時托盤頂升后自動旋轉，正對作業人員，方便作業。AGV自動運行到前序工位，通過料車自動固定加緊裝置，與前序自動化工作的自動搬運機器人配合，從而完成自動接料；同理，AGV自動運行到后序工位，完成自動送料。

復雜的運輸存儲（或含集配）系統，設置四通八達輸送存儲路徑，AGV根據任務通過就近調度原則自動調度AGV，從而實現AGV快速調度，減少等待[5]。需求任務型AGV調度和路徑規劃如圖15所示。

同時，通過利用管理協議（Service Level Agreement Management，SALM）地圖定位技術，在狹小空間設置避讓帶，通過兩車會車時其中一車自動進入避讓帶避讓，消除固定的交通管制帶來的長時間等待。AGV自動會車避讓功能如圖16所示。

圖16a中，當A、B處同時有AGV要通過該路段，采用交叉點管控，一處AGV處于等待狀態，直至另一處通行離開AB段，AB段長度越長，會車時間越長；圖16b中利用SALM地圖定位技術，將立柱間的狹小空間設置成避障帶，A、B車可同時進入，會車時B車進入避讓區，等待A車通過后匯入主路，僅用100 s即可完成會車；圖16c中使用全場景地圖定位技術，結合實際環境編制算法，實現狹窄道路智能避讓，縮短會車時間至100 s，滿足30 JPH/102 s的節拍要求。

5.4.2 數字網聯化創新

改變以往全部生產車型數據從CCR獲取的計劃型生產獲取方式，下游AGV智能輸送存儲（或含集配）系統和生產線的生產車型數據由下序生產線根據生產任務向上游傳輸，下游生產線的生產數據從CCR獲取；這種任務型的數據傳輸方式，減少了在制的庫存，從而也減少了AGV的需求數量。

AGV智能系統和AGV本體均由PLC控制，系統與AGV通過以太網和無線網絡進行通信；同時通過IoT數據平臺與外部終端相連。系統對生產狀態和AGV設備都實時監控，故障實時報警，通過設備運行情況統計分析，實現提前預防保全。智能AGV系統的網絡拓撲圖、共享及實時監控如圖17～圖19所示。

6 應用發展方向

隨著個性化定制化柔性生產需求的增加，結合視覺糾偏定位技術的發展應用，AGV智能系統在焊裝車間的應用會逐步擴展。

6.1 應用范圍

首先，通用化高的工位，包括車身主線的焊接工位、車身一級分拼總成的補焊工位等，可由AGV搭載通用的補焊定位工裝臺車和車身進行補焊作業和向下一個工位輸送進一步，所有的車身分拼連接工位均可通過AGV智能系統調度和輸送車型專用夾具進行相關連接、涂膠等作業。

6.2 發展方向

隨著汽車車身工藝的多樣化發展，以及車型造型的差異化的增加，在考慮高節拍和柔性生產的前提下，AGV智能系統的應用對于高效布局的設計要求更高，這包含2個方面，一是各車身生產線的整體布局，二是AGV智能系統以及夾具庫的布局設計。這需要根據節拍、車型數、車型差異等前提條件，結合工廠KPI指標進行專業設計。另外，AGV搭載定位夾具在作業工位對夾具整體的二次精確定位，為了不影響生產線的柔性和減少投資，必要時可導入視覺糾偏定位。

7 結束語

AGV智能系統由于其無生根的設備特性，無回避工藝墻、智能調度輸送效率高、后期新車型追加改造容易、投資低等優勢點，在焊裝車間、還是總裝車間，與傳統的物流輸送/存儲排序的解決方案，如板鏈、積放線、摩擦線等相比，都有很大的優勢。

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