自动导引运输车在自动化仓储系统中的应用

2021-06-04谢时军邸建亚

制造业自动化 2021年5期

任楠，谢时军，李福，邸建亚

（北自所（北京）科技发展有限公司，北京 100120）

0 引言

随着科学技术和自动化生产的不断发展，自动化仓储系统正逐步取代人工操作，其能够充分利用存储空间，并通过控制系统实现设备的联机控制，以先入先出为原则，迅速、准确地处理物料，合理地进行库存管理及数据处理，完成产品自动化输送及出入库工作。其准确性、空间利用率和工作效率的大幅提升是企业进入工业4.0时代智能工厂的关键部分。自动导引运输车（AGV）作为一种自动化搬运设备，正根据不同工作需求逐步适用于自动化仓储系统中。其能够在自动化仓储系统中实现货物在仓库中的自动化转运工作，完成由上位系统下发的入库、出库任务，具有自动化程度高、灵活性强、作业环境要求低等优势。

自动化仓储系统由立体货架和多种自动化搬运设备构成。自动化搬运设备主要包括输送设备、提升机、堆垛机、穿梭车、子母车等，通过上位控制系统进行协调控制，在设定好的轨道内执行物料的转运、入库、出库等作业。自动导引运输车的引入，填补了系统中无轨搬运方面的缺失。

本文结合自动化仓储系统的工作环境、工作模式及工作需求，对自动导引运输车进行结构、功能上的设计及优化，使其适用于自动化仓储系统，实现通过自动引导运输车完成货物在窄巷道内的无轨运输及出入库位作业。

1 自动导引运输车结构及工作原理

自动引导运输车主要由车体、导航控制器、激光导航仪、无线通讯模块、车辆控制器、安全传感器、支撑脚、载货台、货叉及相应附件构成（如图1所示），其中导航控制器（如图2所示）、无线通讯模块（如图3所示）安装于车体内部。

图1 自动引导运输车结构示意图

图2 无线通讯模块

图3 导航控制器

其工作原理是通过无线通讯模块实现与上位机的信息交互，接收任务并反馈执行进度，激光导航仪进行路径识别，将信息传输给导航控制器，进而进行路径规划，以实现车辆的行走与定位。载货台通过油缸驱动，实现在车体上的上升与下降；货叉安装于载货台上，通过伸出和收回的动作实现取货、放货。车辆控制器能够实现车辆自动与手动模式的切换，以及手动模式下动作命令的输入。

1.1 导航系统

导航系统由导航控制器和激光导航仪组成，导航控制器负责路线规划，激光导航仪负责位置判断，二者协作实现车辆导航。

导航控制器用于自动引导运输车沿着虚拟的导引轨迹进行识别和追踪，主要包括确定当前位置、规划路径及轨迹引导三方面。定位方式包括：通过定位电子标签、GPS或外部系统确定当前位置。本文中设计的自动引导运输车采用通过定位电子标签的方式进行路径识别，其优势在于可以通过写入程序文件的方式对运行路线进行规划，并沿着虚拟轨迹导引追踪。导航轨迹路线是由被定义的多个连续的线段所构成（如图4所示），每个线段至少由四个参考支撑点组成。导航控制器利用参考支撑点计算出被定义车辆的虚拟路线。对于每个参考支撑点，都可以定义车辆的行驶速度，导航控制器是线性插值的，因此可以用一条平滑的轮廓线来呈现车辆的运行轨迹。另外还可以对每一个参照支撑点进行属性特征设置。

图4 导航轨迹路线图

激光扫描仪通过扫描固定于货架上的反光板进行定位，并将位置信息反馈给导航控制器。在货架的顶端以每个货格为单位，各安装一块反光板，且均匀分布在巷道两侧，作为路标用于激光扫描定位，反光板分布较为密集，需保证激光头每次扫描到的反光板数量大于3，如遇到扫描反光板数量低于3的情况需立即停止使用车辆，防止因位置出现偏差而引起事故。

激光导航仪安装在车体顶端，在整个运行路径范围内，扫描仪频繁的以较高的测量速率对车身的位置进行检查以确保其可靠性，其测量速率最高可达18次/秒。同时其定位精度也较高，能够满足自动传输负载时所需达到的要求。

1.2 网络环境

自动引导运输车（AGV）采用相对独立的无线局域网与主机进行作业任务的发布与任务执行进度的反馈，实现信息的交互。以AGV管理监控计算机作为主机，其需要读取AGV小车的运行状态，以及及时读取到小车的故障和报警，并针对不同的状况控制AGV小车的具体动作。AGV车辆监控系统主要由组态控制软件、无线通讯系统及车载PLC三部分组成，其中，通讯系统由无线AP、无线串口服务器产品构成，无线AP安装于车间的不同区域，无线串口服务器安装在AGV车体内部，建立起无线连接。系统具备快速漫游功能，可使无线串口服务器快速地连接信号强度最佳的无线AP，确保监控主机与现场运动中AGV车辆的可靠通讯。主机通过无线局域网与AGV通信，实现信号的实时传输。同时，主机作为接口与调度系统进行交互，负责接收任务传递给AGV车辆，并将执行进度反馈给调度系统。

AGV操作模式分为手动、半自动、自动三种模式。手动模式下AGV车体与AGV管理监控计算机脱离，通过车上手动控制器可实现对车体的独立操纵与控制。半自动模式下AGV车体通过车上控制面板输入作业类型和站点地址可实现AGV小车的自动运行。自动状态模式下AGV小车完全由AGV管理监控计算机进行调度与控制。

1.3 机械结构

1.3.1 车辆地面行走

车辆的行走是以车辆整体为单元，进行基于地面的平面运动。AGV车体采用钢结构搭建，轮子安装在车体下面，采用三轮式设计，一个主动轮放置在前，其既是舵轮又是行走驱动轮，两个从动轮放置在后方，构成稳定的等腰三角形结构（如图5所示），实现前进、后退和转向的功能。主动轮装有两个驱动电机，分别为直线行走驱动电机和转向角度控制电机。两个电机通过车体PLC控制实现相应功能。

图5 局域网连接模式简图

此外，为保证车辆在行进到达指定位置后停止后，进行后续动作时能够保证车体的稳定性，在车体底部主动轮位置设计有两个支撑脚，其安装位置为主动轮的两侧对称布置（如图6中所示），其采用油缸进行驱动以实现竖直方向的直线运动，支撑脚撑起后，两个支撑脚配合两个从动轮构成稳定的四点支撑，防止停准后载货台运动可能导致的水平方向窜动。

图6 车轮及支撑脚布局示意图

1.3.2 载货台和货叉

相对于车辆整体基于地面的平面运动，载货台和货叉则负责在车辆停止时，实现基于车体的取货、放货动作。载货台的升降由油缸驱动，油缸采用对称的布置方式固定于车体上，其伸出和收回的长度决定载货台上升和下降的高度，因此通过对油缸油路的控制即可实现载货台升降高度的控制，但尤其要注重的是两油缸的同步性。同时，车体上还装有拉绳位移传感器，其拉绳端固定于载货台上，通过其对载货台的升降位移进行测量，进而反馈给上位系统以确认载货台高度。

货叉选用定制化的齿轮齿条式伸缩货叉，可根据所需叉取的托盘大小及伸缩极限距离进行相应定制。本文中选用三节式齿轮齿条伸缩式货叉，是由前叉、中间叉、固定叉以及导向滚子等构成的货叉伸缩机构。固定叉安装在载货台上，中间叉可在齿轮、齿条的驱动下，从中间叉的中点，向外移动大约自身长度的一半。前叉可从中点叉的中点向外伸出比自身稍长的长度。

1.4 充电系统

AGV的充电模式为自动充电，采用VAHLE充电装置，电池的充放比为2:8。其自动充电功能是指：当车辆一定闲置时间内未接到入库或出库任务，或电量低于某一设定值时，车辆自行行走到充电工位进行充电的设置。从而确保车辆在工作时不会由于电量过低而导致抛锚。闲置时间和低电量值可根据车辆的实际应用情况进行系统设置。

2 仓储系统中自动导引运输车的应用

2.1 货架及输送设备

自动导引运输车作为托盘货物搬运的执行设备，需要与仓储系统中的其他设备、设施相关联，配合构成相对完善的物流系统，从而执行生产方要求其实现的功能。

本文中所设计的以自动引导运输车为核心的物流系统，与其配合的设备、设施包括链条式输送机和横梁式货架。输送机负责将托盘货物由生产车间输送到AGV固定的取货工位，和将AGV取出的托盘货物输送到发货车间，而货架则负责托盘货物的存储。输送机和货架构成了AGV进行托盘货物搬运的基础，其设计原则是在实现相应功能的基础上，参照仓库空间条件进行合理布局，从而实现有效空间的最大化利用。

在本方案中，货架以两列为一组，其中间位置作为巷道供AGV行走（如图7所示），每组货架的一端设置两个单向输送机作为托盘货物的接收口，功能分别是将托盘货物输送给AGV和将AGV取出的托盘货物发送走。货架的另一端作为空白区域，可供AGV车辆实现换巷道动作。货架采用横梁式结构，结合作业环境空间条件和托盘货物码放高度，将其层数定义为四，其中下三层为低货位，顶层为高货位（如图8所示），满足使用需求。

图7 输送机与货架布局示意图

通过输送机、货架和AGV的配合工作，可以完整实现托盘货物的存储流程。以此作为货物存储的功能单元，结合作业空间对其进行规划，并加入输送设备进行连接，可满足不同规模的使用需求。同时，由于AGV车辆可实现灵活换巷道作业，可从效率需求方面出发确定AGV车辆数量，在满足效率的基础上对成本进行控制。

2.2 工作方式

AGV车体的行进方式包括前进、后退和转向，前进和后退是在两列货架间的巷道中与货架平行进行的，每列货位作为一个站点，停车定位误差控制在±30mm以内，在巷道内，AGV车体只有前进和后退两个动作，在车体停准后通过载货台和货叉的配合动作完成取货、放货动作。转向则用于AGV车体换巷道作业，需要换巷道时车体先开出所在巷道，然后按照所规划的曲线路径，完成转弯动作并回正车头，进入到另一巷道之中。

AGV在自动状态下，其作业类型可分为托盘货物的入库、出库作业（如图9所示）。入库作业是以托盘货物到达入库点并将信号传递给上位机为起始点；上位机接到信号后向AGV车辆发出调度指令，AGV开始执行取货作业；取到货物后，对货物高度进行判断并将信息反馈给上位机，上位机根据货物高度进行货位分配，AGV执行放货作业；完成后，上位机将托盘条码信息和货位信息绑定反馈给WMS系统；其中若判断为高货，而此巷道并没有高货位，则直接放到出库站台流入缓存线进行入库点再分配。当有出库需求时，由上位机接受出库任务，将任务发送给所在巷道的AGV，AGV进行取货作业并将取到的托盘货物放置到出库站台，同时将出库完成的数据信息传输给WMS系统进行库存信息更新，后由输送机输送到装车发货区完成出库作业。

图9 自动导引运输车工作流程图

2.3 计算机信息系统

系统整体结构由托盘输送系统、AG V 存取系统、电控系统、计算机信息系统组成，其中计算机信息系统是其核心的管理系统和调度系统，包括仓库管理系统（WMS）和仓库控制系统（WCS）两部分。其硬件结构采用客户机/服务器模式，通过以太网工业控制网络和现场总线控制网络相结合的方式进行通讯。

仓库管理系统（WMS）是通过入库管理、出库管理、库存管理等功能，综合批次管理、物料对应、库存盘点、之间管理、虚仓管理和即时库存管理等功能综合运用的管理系统，有效控制并跟踪仓库业务的物流和成本管理全过程，实现完善的企业仓储信息管理。该系统可以独立执行库存操作，与其他系统的单据和凭证等结合使用，可提供更为完整全面的企业业务流程和财务管理信息。WMS能够提高整体系统的信息化和自动化程度，降低操作的复杂性，并对物流传输过程实施全程快速的信息跟踪和信息反馈，保证系统信息的实时性和信息的准确性。以WMS作为基础对AGV在自动仓储系统的应用进行管理，实现出库、入库指令的接收，入库流水账、库存账、单据账务等相关信息的管理工作。

仓库控制系统（WCS）的主要功能是对出入仓库的物流信息动态管理和AGV的调度，及时、准确的完成产品的出入库，同时对物流信息进行记录并反馈给WMS进行管理。WCS需要对出入库作业进行最佳分配、调度和监控，对出入库输送机和AGV等各种设备的运行转台进行动态显示及在线监控。其具有良好的扩充性和开放的数据结构，能够与其他信息系统进行数据交互，在服务器上实现远程数据与信息资源管理共享。