数字化总装车间智能物流配送系统的应用

卢扬扬，戴勇波，范秀斌

（北京星航机电装备有限公司，北京 100074）

数字化总装车间智能物流配送系统的应用

卢扬扬，戴勇波，范秀斌

（北京星航机电装备有限公司，北京 100074）

航天器的装配技术是航天制造技术的重要组成部分，基于数字化制造模式下的柔性装配技术，是实现航天产品快速高效研制的有效途径。针对航天产品总装过程中要实现自动化、数字化装配的要求，设计了基于麦克纳姆轮视觉导航技术的物料配送系统，在调度管理系统路径规划下完成部件、成件和产品的转运、自动对接等任务。

数字化；装配；麦克纳姆轮；自主导航；调度系统

0 引言

数字化装配系统需要完成对部件、成件，标准件的安装及转运的任务。数字化装配系统包含装配工作站和全向智能转运系统，装配工作站完成产品总装过程的生产准备及部件对接、分系统及成件安装等工作内容。智能物流配送系统完成部件、成件及产品的转运任务。

图1 装配系统安装工序及物料转运图

数字化装配系统从零部件出库到产品入库，实现了智能转运、自动化装配，具有以下功能：

1）数字化装配工作台能够完成部件的自动对接，成件的自动装配。

2）全向智能转运车具有遥控和自主导航功能，库房有三个区域即部件库房，成件、标准件库房和产品库房，智能转运车需要完成不同转运导航功能。

3）全向智能转运车导航到达工位处能够完成与工位自动对接。

4）装配工位产品实现360°自动清仓。

1 智能物流配送系统原理

智能物流配送系统包含全向智能转运车平台，主控调度系统，自主导航系统，安全防撞系统等，物流配送系统组成结构如图2所示。

1）全向车智能转运平台包含车体及车架、控制系统、伺服驱动系统和无线遥控系统。

2）主控调度系统完成多台车转运调度及在线监控的功能。

3）自主导航系统通过视觉传感器实时测量地面颜色带的角度和偏移量，并反馈到车体控制器中。

4）自动对接系统完成车体与工位导轨的精确对接，部件及产品能够顺利渡过。

5）安全防撞系统能够测量障碍物距离进行减速或停止。

2 全向智能转运车平台原理

全向智能转运车采用麦克纳姆轮设计，能够实现前后，左右和原地旋转的运动，既能满足空间狭窄车间舱段及成件的转运，又能满足物料自主导航配送。要实现车体全方位运动必须四个麦克纳姆轮组合运动完成，动力系统是通过48V200AH电池组逆变成220V给伺服驱动轮供电，其运动分析[1]如图3所示。

图2 物流转运车系统结构图

图3 麦克纳姆轮全向车结构图

通过以车体中心为原点建立xoy坐标系，其中ω为小车以O点为中心的角速度且令顺时针方向为正，v'ixv'iy为x'o'y'坐标系下点O'点的广义速度，ωi为轮子角速度，vig为辊子（小轮）的速度，α为辊子（小轮）轴中心线与轮子的轴中心线的夹角，r为轮子半径，得到轮转速到中心的逆运动学公式如下：

其中r=0.2m，lx=0.75m，ly=1.4m，可得：

通过设定车体vx，vy，ω可以推算出个轮子的角速度，从而可以实现全方向移动。

当车体实现前进后退时，令vx=0，ω=0得出：ω1=ω2=ω3=ω4；

当车体实现左右横移时，令vy=0，ω=0得出：ω1=-ω2=-ω3=ω4；

当车体实现原地旋转时，令：

得出：-ω1=ω2=-ω3=ω4。

3 自主导航系统

全向智能转运车搭载自主导航系统可以实现从库房到工位间的自动转运，导航系统采用视觉导航原理，通过实时上传车体位置信息，车载控制器根据姿态实时调整车体位置，图4为导航控制结构原理图。

图4 导航控制结构原理图

视觉导航传感器安装在车体中心位置O2处，通过实时扫描地面颜色带计算车体中心位置与颜色带中心左右相对偏差值d和偏转角度α，导航传感器每40ms左右反馈偏差值和和角度到控制器里。

根据现场测试得出车体行走既要保证稳定又要保证精度，控制精度越高，调节频率越大，车体易出现抖动不稳定现象，因此在控制算法中加上带死区的PID控制[2]：

1）当d≤｜4∣，α=0时，不进行调节控制；

2）当d≤∣4∣，α≠0时，只进行角度调节，左右不调节；

3）当d≥∣4∣，α=0时，只进行左右调节，角度不调节；

4）当d≥∣4∣，α≠0时，左右、角度同时进行调节；

5）当d≥∣30∣，α≥∣6∣时，超出导航控制范围，停止运动。

根据五种情况列出程序流程图如图5所示。

图5 导航控制流程图

4 自动对接系统

在转运车导航控制站点中，部件上工位，产品下工位等需要转运车导轨与工位到位自动对接，完成部件及产品通过导轨上工位，由于导轨对接精度需要保证在±0.5mm范围内，目前视觉导航系统在1mm左右，因此需要辅助对接传感器系统完成末端自动对接功能。

在车架前端安装三个激光位移型传感器，其中测量范围为100±35mm，测量精度为70μm，图6为自动对接原理图，其中D1为传感器1测量车架前端面到工位的距离，D2为传感器2测量车架前端面到工位的距离，D3为传感器3测量车架到工位侧面偏移的距离，可以得出：

其中D作为车头角度偏移误差值，D'作为车架与工位左右偏移误差值，根据测量角度与左右偏移误差值来进行调节车体自转与横移，完成自动对接。

图6 自动对接原理图

5 主控调度系统

主控调度不仅可以对每台转运车进行路径设置，还可以实时监测车达到位置，下一站点等信息。路径设置界面中具有实际路线图，红色闪烁表示当前站点，点击站点号设置为终点，启动导航按钮全向车开始运动，界面路径设置图如图7所示。

图7 主控调度系统路径设置界面图

1）部件转运起点为1号，目的站点为5、8、9、13、15号站点。

2）成件及标准件起点为7号，停靠站点为8、9号站点。

3）产品转运起点为15号站点，停靠站点为18～27号站点。

4）起点为黄色，当前站点显示红色闪烁，终点为绿色，车体移动到每个站点都可以实时监测到。

6 安全防撞系统

全向智能转运车在转运过程中，需要前后安装安全防撞系统，红外光电扫描避障传感器选用北阳PBS-03JN，扫描角度为180°，宽度为2m，长度为0.2～3m可调，传感器具有三路检测输出，每路输出都可以设定检测区域。

1）避障传感器设定两个信号输出范围，1.5×2m范围为警告减速区域，0.7×2m范围为停止区域。

2）导航过程中如遇到前后端任一传感器到达减速区时，车体开始减速，障碍物撤离后继续按导航速度行走。

3）当遇到障碍物在停止区域时，车体立即停止报警，直到障碍物撤离继续导航。

7 结束语

基于麦克纳姆轮的视觉导航物流配送系统经过在现场测试，得到以下结论：

1）采用颜色条与二维码组合方式实现导航行走及转弯；

2）满载2t产品导航精度达到±3mm，原地转弯精度达到±6mm；

3）转运车与装配工位自动对接精度左右0.5mm，偏角0.5mm，部件产品托架能够顺畅平稳度过对接区域；

4）安全防撞系统安全可靠，遇到障碍物能够及时停止运动；

5）通过设定转运速度，能够满足生产装配节拍，调度系统路径优化合理。

图8为全向智能转运车携3m托架与工位对接现场图片，通过现场不断测试得出总装数字化装配转运系统能够实现无人自动化转运，降低了劳动成本，提高了生产装配效率，特别是对大尺寸部件产品来说具有一定的应用价值。

图8 全向智能转运车现场图片

[1] 杨文军,毛玉良.Mecanum轮移动机器人循迹控制及调度研究[D].东南大学,2014.

[2] 蒋慧略,周忠海,蒋慧.廉月仙.数字PID控制的改进算法[J].中国水运月刊,2008.06,08(6):117-118.

The intelligent logistics system research in digital fnal assembly workshop

LU Yang-yang, DAI Yong-bo, FAN Xiu-bin

TP242.2

：A

1009-0134(2017)06-0012-03

2017-01-09

卢扬扬（1986 -），男，山东枣庄人，硕士，主要从事非标装备设计的研究。