劉澤博 李海南 杜雨萌 畢愿江

（一汽模具制造有限公司，長春 130013）

1 前言

隨著無人化工廠、黑燈工廠概念的推廣，焊裝車間越來越多的人工作業(yè)被自動化設(shè)備替代，本課題所研究的自動導航車（Automated Guided Vehi?cles，AGV）輸送技術(shù)，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的大背景下,有效地解決了工廠產(chǎn)線供貨緩慢的問題，且省去了大量的人工成本[1]。焊裝車間四門兩蓋總成下線到調(diào)整線的物料轉(zhuǎn)運是焊裝內(nèi)物流主要組成部分，傳統(tǒng)的輸送方式多為人工電瓶車、叉車轉(zhuǎn)運，從四門兩蓋轉(zhuǎn)運方案入手，探究焊裝車間內(nèi)物流采用AGV 輸送方案的規(guī)劃設(shè)計。AGV 輸送方案的設(shè)計應(yīng)該從AGV 路線規(guī)劃、AGV 輸送節(jié)拍、充電路徑、維修區(qū)規(guī)劃4 方面進行研究分析。

2 AGV輸送的路線規(guī)劃

2.1 AGV路線規(guī)劃前提

以某自主豪華車品牌新建工廠為案例，設(shè)計如下的規(guī)劃方案。

規(guī)劃前提：生產(chǎn)綱領(lǐng)24 萬/年，每天生產(chǎn)16 h，每年生產(chǎn)250 天，設(shè)備開動率85%，滿足4 車型切換。

此案例的四門兩蓋線分別布置在調(diào)整線的兩側(cè)（圖1），這樣布局可以使物料轉(zhuǎn)運路線最短，節(jié)省物流設(shè)備和物流面積，但是如果AGV 路線太短，路線上可緩存的零件數(shù)量有限，這樣就需要建立一定的緩存區(qū)，以保證線體的開動率，避免設(shè)備短時間停機造成其他線體的停滯。

圖1 門蓋線和調(diào)整線位置示意

器具的定位形式和AGV 的選型同樣影響AGV路線的規(guī)劃，常見的AGV和器具配合形式有牽引式和承載式。牽引式是AGV 拖動帶腳輪的器具在地面行走，AGV 不需要將器具舉升起來，這種形式成本低，但行駛方式單一，受限于場地和面積的影響；承載式是AGV 潛入器具下方，AGV 具備舉升功能，可以將器具舉升起來進行輸送這種形式成本高，但靈活性高，占地面積小適用范圍廣。本案例采用承載式AGV，器具定位（圖2）是這樣的：每個器具容量為8件，地面有4根定位立柱來定位工件器具，AGV舉升150 mm，將器具從定位立柱上舉升，背負器具轉(zhuǎn)運。器具的設(shè)計要保證AGV 能夠在器具下面任意方向穿梭，這樣不但可以節(jié)省器具的占地面積，同時也能縮短AGV行走路線，節(jié)省AGV的節(jié)拍。

圖2 后門器具與AGV配合形式

AGV 導航形式是AGV 選型的一個重要因素，目前國內(nèi)外常用的導航方式有磁導航、激光導航、色帶導航等。

磁導航方案耐污染，但易受電磁場（大功率電機、變頻器）的干擾，路線施工、變更困難（嵌入或埋入安裝，且需避開地面金屬）；路線成本高。

激光導航方案優(yōu)點是AGV 定位準確，路徑靈活多變，缺點是制造成本高，對環(huán)境要求較高（外界光線，地面要求，能見度要求等）。

色帶導航方案耐電磁干擾，路徑鋪設(shè)簡單，導引原理簡單可靠，導航精度高，后期也容易保養(yǎng)。但易受表面油污及環(huán)境光干擾。

考慮到本項目的應(yīng)用環(huán)境與項目特點，采用色帶混合二維碼的導航方式，通過在色帶上粘貼二維碼，來控制AGV 的運動，若AGV 的讀頭讀不到二維碼信息，則繼續(xù)循著當前色帶行走；若讀頭讀到二維碼，則讀取二維碼包含信息，判斷下一階段的運行模式。

AGV 的選型除了和器具的配合、導航形式這些因素之外，還需要考慮搬運物料的重量、物料的尺寸、工作的環(huán)境、預算等因素，表1 是本案例的AGV 選型表。

表1 AGV選型表

2.2 左后門AGV行走工藝規(guī)劃

四門兩蓋工藝一致，以左后門線為例，規(guī)劃AGV 行走工藝，在AGV 路線上設(shè)定6 個功能區(qū)（圖3），分別是A1-AGV 待命區(qū)1、A2-下件口、A3-下件滿料架緩存區(qū)、A4-下件空料架緩存區(qū)、A5-AGV 待命區(qū)2、A6-總成料架緩存區(qū)。

圖3 左后門AGV行走路線

正式生產(chǎn)的時候會有2 種循環(huán)方式。

a.上料呼叫：調(diào)整線邊料箱用完（一車8 件），人工按下叫料按鈕盒按鈕→AGV 空車從A5 充電待命區(qū)空車行駛至A6（料架底下穿行）→AGV 托盤頂升150 mm 搬運A6 調(diào)整線邊空料架至A4 下件空料架緩存區(qū)的空位置，托盤下降150 mm→AGV空車從A4 行駛至A3 下料滿料架緩存區(qū)（料架底下穿行）→AGV 托盤上升150 mm 把滿料架從A3 搬運至調(diào)整線邊A6 料架緩存區(qū)空位置上，托盤下降150 mm→AGV 空車從A6 回到A5 待命區(qū)充電（料架底下穿行）。

b.下料呼叫：左后門生產(chǎn)線邊料箱裝滿（一車8 件），人工按下呼叫AGV 按鈕盒按鈕→AGV 從A1 充電待命區(qū)空車行駛至A2 下件口（料架底下穿行）→AGV 托盤頂升150 mm 搬運滿料箱從A2行駛至A3，托盤下降150 mm→AGV 在滿料緩存位置來回轉(zhuǎn)運2 次料箱（轉(zhuǎn)運料箱過程見下一小節(jié)）→AGV 空車從A3 行駛至A4（料架底下穿行）→AGV 在空料緩存位置來回轉(zhuǎn)運2 次料箱（轉(zhuǎn)運料箱過程見下一小節(jié)）→AGV 托盤頂升150 mm搬運空料箱從A4 行駛至A2，托盤下降150 mm→AGV 空車從A2 返回A1 待命區(qū)充電（料架底下穿行）。

2.3 左后門AGV物料緩存區(qū)規(guī)劃

為了提高線體的開動率，必須設(shè)計物料的緩存區(qū)，緩存區(qū)的數(shù)量應(yīng)基于物流仿真的結(jié)果。如圖4 所示，A2 下料口至A3 緩存區(qū)為AGV 自動搬運，緩存區(qū)擺放4 種料，每種物料3 個緩存位，共12個緩存位置。緩存區(qū)采用來回轉(zhuǎn)運空滿料箱方式擺放料箱。

圖4 左后門下件緩存區(qū)

以物料A 為例轉(zhuǎn)運步驟如下。

a.②→③；

b.①→②。

A2 下料口安裝按鈕盒，人工按下按鈕，AGV 把對應(yīng)的物料搬運至料架緩存區(qū)；調(diào)整線邊緩存區(qū)，設(shè)置帶支架按鈕盒，采用按鈕人工叫料，系統(tǒng)記憶空滿料車位置。

左后門下件緩存工藝流程如下。

a.A1→A2：人工按下按鈕盒，AGV 從A1 充電待命區(qū)直行至A2 下件口，從料架底下穿行；

b.A2→A3：A2 下件口AGV 托盤頂升150 mm→橫移→直走→橫移→至A3 緩存區(qū)位置①，托盤下降150 mm；

c.A3→A3：AGV 空車從位置①直行至②→托盤頂升150 mm→從位置②直行至③→托盤下降150 mm→空車從位置③直行至位置①→托盤頂升150 mm→從位置①直行至位置②→托盤下降150 mm；

d.A3→A4：AGV 空車從A3 位置②直行至A4位置②，從料架底下穿行；

e.A4→A4：AGV 在A4 位 置②托 盤 頂 升150 mm→從位置②直行至①→托盤下降150 mm→空車從位置①直行至位置③→托盤頂升150 mm→從位置③直行至位置②→托盤下降150 mm→空車從位置②直行至位置①；

f.A4→A2：A4位置①AGV托盤上升150 mm→橫移→直走→橫移至A2下件口→托盤下降150 mm；

g.A2→A1：AGV 從A2 下件口直行至A1 充電待命區(qū)，從料架底下穿行。

2.4 左后門路徑充電機位置布置

AGV 分配作業(yè)任務(wù)的同時選擇合適的充電時機,在保證了自動化的作業(yè)效率的前提下,可以有效提高AGV 利用率、降低水平運輸系統(tǒng)作業(yè)成本[2]。充電機的布置要規(guī)劃在AGV 的行進路線上，在AGV 停靠時隨時充電，本案例中充電機布置于AGV 待命區(qū)，AGV 待命時充電。表2 為AGV 消耗電量計算，通過電量消耗與充電時間，進而計算出充電機數(shù)量，向上取整。

表2 左后門AGV消耗電量計算

2.5 節(jié)拍計算

表3 和表4 是AGV 運行的節(jié)拍計算表，從前面的規(guī)劃前提可知，每個器具容量為8 個工件，每個工件的生產(chǎn)節(jié)拍為49 s，單臺AGV 的節(jié)拍為49×8=392 s，通過計算可得出AGV 的總時間小于392 s 即可滿足生產(chǎn)需求。

表3 AGV路徑工藝節(jié)拍計算表

表4 AGV機構(gòu)運行節(jié)拍計算表

通過左后門的計算方式，同樣可計算出另外5個區(qū)域的AGV 路線方案，即可規(guī)劃出整個四門兩蓋到調(diào)整線的物流方案（圖5）。

圖5 四門兩蓋整體路線規(guī)劃（畫圈的為充電樁）

a.四門兩蓋共6 個環(huán)線，每個環(huán)線配置2 個充電機，其中一個充電區(qū)放置于調(diào)整線緩存區(qū)邊上，另一個充電區(qū)放置于下件緩存區(qū)，可立刻響應(yīng)滿足節(jié)拍；

b.四門兩蓋下件緩存區(qū)，每個下件區(qū)需要緩存四種不同的物料，四門線4 種物料通用一款料箱，兩蓋線4 種物料一一對應(yīng)每一款料箱。

3 AGV充電方案

當AGV 運行到充電區(qū)域且需要充電的時候，AGV 上安裝在刷板附件的接近開關(guān)會發(fā)送信號給側(cè)沖機構(gòu)上面的接受信號的光電開關(guān)，然后AGV和側(cè)充機構(gòu)進行了位置的一次交互，然后側(cè)充機構(gòu)另外一個光電開關(guān)會發(fā)送一個位置確認信號給AGV，AGV 確認以后，側(cè)沖機構(gòu)會伸出到預設(shè)的長度，刷板和刷塊進行對接，然后進行充電（圖6~圖7）。

圖6 充電機和AGV對接

圖7 充電樁和AGV對接

3.1 側(cè)充機構(gòu)功能說明

a.AGV 到位燈（黃色）：AGV 到位時常亮，離開時燈滅。

b.電源指示燈/故障閃爍燈（紅色）：待機信號時常亮，有故障告警時閃爍；

c.電極伸出到位燈（綠色）：電極頭不電極板接觸壓緊時燈亮；

d.自動/手動切換鈕：自動模式、手動模式選擇鈕；

e.伸出/縮回旋鈕：手動電極伸出、手動縮回選擇鈕；

f.復位按鈕：解除故障報警，恢復初始狀態(tài)；

g.急停按鈕：應(yīng)急保護；

h.門鎖：鎖上蓋；

i.充電刷塊：接觸式充電電極；

j.自適應(yīng)開關(guān)：壓力式開關(guān)，識別刷塊伸出到位；

k.光電對射傳感器：光電式開關(guān)，用于AGV、側(cè)充機構(gòu)之間信號交互；

l.腳杯：調(diào)節(jié)側(cè)充裝置高度。

3.2 充電機功能說明

AGV 充電機與充電樁為分離式，原則上充電機與充電樁（圖8）就近布置，提高充電效率。充電機應(yīng)該具備以下功能。

圖8 充電樁

a.自動充電：充電狀態(tài)安全可控，連接、脫離時處于非帶電狀態(tài)；

b.充電管理：充電樁具備狀態(tài)自檢及自我管理功能，信息通過小車定時上報到平臺實現(xiàn)充電站網(wǎng)絡(luò)管理；

c.安全防呆：充電器要具備多級安全防護，包括供電側(cè)異常供電防護（缺相保護、過壓保護、欠壓保護、過載保護等）；

d.人機交互：智能充電樁支持多級交互：帶有HMI 人機界面，能直觀顯示當前狀態(tài)、異常原因及處理提示。

e.刷頭處理：200 A 充電刷板及刷頭，在原紫銅材質(zhì)基礎(chǔ)上采用表面鍍錫工藝。

4 AGV維修方案

當AGV 在運行的時候發(fā)生了偶然的事故在線邊停車導致生產(chǎn)停滯的情況的時候，這時候會選用專業(yè)的AGV 維修和搬運設(shè)備將發(fā)生故障的AGV轉(zhuǎn)運到維修區(qū)域進行維修，同時也可以順利的讓生產(chǎn)線恢復運行。

4.1 AGV維修區(qū)和路徑規(guī)劃說明

維修區(qū)面積，12~20 m2，需提供3 kW 電源。維修區(qū)位置見圖9。

圖9 AGV維修區(qū)和路徑

4.2 AGV維修設(shè)備

維修區(qū)應(yīng)配備專用的AGV 維修工具，如果AGV 在轉(zhuǎn)運過程中發(fā)生故障無法運行，可以用軸承撬棍（圖10）將AGV 翹起來，然后配合搬運坦克車（圖11）將AGV 轉(zhuǎn)運到維修區(qū)域，然后用龍門吊（圖12）將AGV 吊裝到維修島（圖13）上面。

圖10 軸承撬棒滾輪撬杠

圖11 搬運坦克車

圖12 龍門吊

圖13 AGV維修島

5 結(jié)束語

四門兩蓋到調(diào)整線的物流輸送的規(guī)劃方案同樣適用于其他分拼到主線的物流輸送，如地板分拼線到下部線，門蓋線到主焊線，側(cè)圍線到主焊線等，進一步的，從沖壓件庫到焊裝生產(chǎn)線，從外物流庫到焊裝各線體，都可以用本文所闡述的思路來規(guī)劃AGV 輸送方案。相對于傳統(tǒng)的線間物流輸送形式，AGV 具有施工簡單、靈活性高、維修方便等特點。AGV 輸送技術(shù)已經(jīng)成為各大主機廠研究的方向，隨著AGV 應(yīng)用越來越廣，AGV 的成本會越來越低，投資低、靈活性高的AGV 輸送會逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)物流輸送形式。