物流自动化技术在机械加工中的应用

王莉 杨京兆 孟清 臧晓伟

（1上海市计量测试技术研究院，上海 201203；2活字科技（杭州）有限公司，杭州 310052）

0 引言

目前国内的机械加工，很多仍是通过人工作业进行物流搬运的，这不仅存在物流搬运误操作的风险，且效率低下。本研究利用无人搬运车（Automated Guided Vehicle,AGV)、关节机器人技术以及信息物理系统来实现机械加工中更为理想的智能自动化物流来替代人工。

1 原理介绍

1.1 AGV

AGV是指备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，并具有安全保护以及各种移载功能的运输车。其特点是：无需驾驶员；将可充电的蓄电池作为动力来源。

通常，可使用电脑控制AGV的行进路线及行为，或将电磁轨道（electromagnetic path-following system)黏贴在地板上，AGV则依循电磁轨道所带来的讯息进行移动和动作。

AGV的特征是轮式移动，较步行、爬行或其他非轮式的移动机器人具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势。

1.2 关节机器人

关节机器人（Robot joints)又称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一。自动化物流中，通过关节机器人搬运来连接加工中心与AGV，其优点是运动速度可控，距离、时间可预设，搬运精准；结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小；无需导轨，易密封，摩擦小，惯性小，可靠性高；所需关节驱动力矩小，能量消耗较小；替代人力无法完成、有害身体健康的工作。

1.3 信息物理系统

信息物理系统（CPS)是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统；是计算进程和物理进程的统一体；是集成计算、通信与控制于一体的智能系统。通过3C(Computing,Communication,Control)技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有更广泛的应用前景。

2 零件运送规划

以链轮生产加工为例，每一台车床需要设置三处工位以供AGV运送车使用。第一处为车床零件料仓，第二处为尺寸检测台，第三处为空料仓存储点。AGV小车沿着设定好的路径（在车间地面用白色油漆标识）前往车床零件料仓处，装载盛放待检测零件的料仓，然后将其运送至尺寸检测台处，卸载料仓。空载的AGV小车会继续行驶到空料仓存储点，装载空的料仓，然后将其运送至车床零件料仓处。在车床零件料仓处，通过自动装置，空料仓接入车床的零件出口，原来盛放零件的料仓则被AGV小车装载，运往尺寸检测台，从而完成一个循环动作。检测台不断检测零件，并将其分类。料仓被清空后，可以集中运送至空料仓处，亦可以由另一辆AGV依次将其运送至空仓处。AGV从检测台运送检测合格零件到打包处的流程，以及将检验不合格零件运送到次品处理处的流程与上述流程相似。

应用双向AGV快速导入可以替代人工重复往返生产线，极大地提高了运送效率，缩短了运送时间。在具体实施上可以由人工负责物料准备或者由工业机器人完成装料、卸料的动作，AGV负责物料上线、空料车回库工作。AGV能有效降低通道占有，节约空间，同时具备操作方便、控制简单、运行可靠等优势。

3 上下料规划

关节机器人控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度等。控制系统可根据上下料等动作要求，设计采用数字顺序控制。首先要编制程序加以存储，然后根据规定的程序，控制机械手臂进行工作。通过嵌入在机械手臂中的微型计算机，可以实现程序的快速改变和适应，并能让关节机器人完成复杂而又精确的动作。

将机械手臂的末端加装工业相机，在抓取零件时自动识别工件类型，并根据类型不同选择不同的上下料程序。同时将工件信息数据传递给测量工位，使之接下来可以调整识别模板与零件测量位置。机械手臂末端的工业相机具有零件定位的作用，可通过机器视觉校正位置误差，实现上下料与初始检测工位放置等操作。

4 信息物理系统的数据收集传输

链轮生产中信息物理系统的构成是将生产车间中的车床、链轮全检工位、AGV小车、无人货架等关键位置以及核心控制系统中部署或者嵌入各类传感器如电流电压传感器、温湿度传感器、光电计数传感器、压力传感器、红外感应传感器等，实现对设备运行状态、生产速度、产品良品率等数据进行实时采集，并通过RTU、DTU、网关主机、工业路由器等上传至企业中央服务器中。同时，HMI人机交互界面、SCADA系统的数据、操作记录、使用情况等信息也会通过网线连接至工业路由器，上传至企业中央服务器中。在企业的中央服务器中，会部署云平台应用，提供丰富的数据分析、调用接口，进而开发应用级软件，例如Web端应用、微信小程序、PC客户端等。

传感器工厂生产现场需要安装大量的传感器来感知每个工序的生产参数，PLC采集传感器并进行判断给出反馈输出PLC，再和其他仪表、电表、HMI一同接入SCADA系统，实现数据的本地汇总。

PLC采集传感器并进行判断给出反馈输出；HMI实现人机交互、逻辑计算、报警、控制；SCADA实现数据的本地监控、汇总、计算、分析，及时响应设备数据请求和控制设备行为；有效解决工业数据调度的一致性与完整性问题。

5 结语

综上所述，利用AGV、关节机器人技术以及信息物理系统在机械加工中进行更为理想的自动化物流的优点是：1）活动区域无需铺设轨道、支座架等固定装置，不受场地、道路和空间的限制，在自动化物流系统中，能充分地体现自动性和柔性，实现高效、经济、灵活的无人化生产；2）结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小；3）可以优化设备的使用频率，并替代人工；4）更安全、可靠、高效、实时地检测或者控制一个物理实体。