某汽车工厂IPU分装线搬送系统的设计

2021-07-02郭峻

现代制造技术与装备 2021年5期

郭峻

（湖北省机电研究设计院，武汉 430070）

自动导引小车（Automated Guided Vehicle，AGV）通常也简称为小车，指在工业应用中，装备有自动导航装置。按照预设的导引路线，沿着受控的导航路径行驶，且具有安全保护装置，以及拥有各种移载功能的不需要操作者的运输搬运车。它一般都是以可充电的电池为其动力来源，通过电脑来管理其行进方向、行为等，也可利用可感知的轨道规划其行进路线[1]。可感知的轨道敷设于地面或地下，依靠这个轨道所带来的传感信息进行移动或动作。

目前，我国的汽车整车制造业发展迅速，带动了各大汽车整车制造集团的新建或者扩建。AGV技术也在汽车装配制造业自动搬运、物流运输方面不断得以应用。其中，总装车间主要是使用生产流水线，负责将整个车身与底盘、内饰与外饰、动力总成等部件进行整体安装。这个过程中，需要技术人员与操作者互相配合，将大量零部件依照工艺要求组装成为一辆整车。

汽车总装车间的零部件，需要物流将其送至产线，使得产线能不间断持续运行。生产开工率要求达到99.9%以上，每年开动天数超过246天，每年开动时间要达到19 h。通过使用小车（自动引导运输车）并辅以导航装置进行车身零部件的配送与装配，是汽车行业主机厂的趋势和要求。这种技术能显著减少操作者的数量，通过采集设备的采集数据，并将加工工艺数据传至车间级别的监控中心，可以完善产线的生产工艺数据（比如扳手的扭矩）的追溯。本次设计需求是进行搬送系统的设计。某汽车工厂的总装车间的新建IPU分装线的生产线边装置以及其管理系统，布置了多台AVG小车，需要自动把装配所需要的零部件及时传送到各个加工工位或者检测工位。本文主要介绍此次的AGV小车在某汽车工厂混动车型总装领域IPU分装线搬送系统的应用设计。

1 设备概要及设计要求（Design Dequirements）

整个加工生产系统区域约长100 m，宽30 m。为了满足设备节拍需要，共需要16台AGV和2套充电机。因为和人行通道交叉，还需要在AGV经过路口时进行交通红绿灯的控制。

2 AGV小车设计

2.1 AGV小车整体方案简介

AGV的部件包含PLC、通信模块、升降销、动力锂电池、控制面板、障碍物检测开关、机械防撞装置、导向轮、导向传感器、驱动装置以及RFID读卡器等[2]。根据生产需要和产品能力，对AGV的各项产品指标进行设计后采取如表1所示的规格参数。

表1 AGV的各项产品指标

2.2 AGV小车方案详解

2.2.1 牵引形式

潜伏式牵引AGV小车，对物料车以及料架的限制性条件最少，所以在制造工厂中的应用是最广泛的一种AGV小车。潜伏式牵引AGV小车，从装满物料的台车的下方间隙，行走到物料台车的底部。到位后，利用升降挂钩装置，挂上物料台车底部的固定牵挂部件，从而带动物料台车前行。当装满物料的台车被牵引到预设位置后，AGV小车感应到位置传感器后，降下升降销自动和物料台车分离，然后行走到空台车的底部把空的台车带走。潜入式牵引AGV具有自动联结、拥有较小的转弯半径功能，不仅适用于箱式料车，也可运用于其他各种场合。

2.2.2 引导方式

AGV小车导航方式主要是有电磁、磁条、二维码、激光以及视觉导航等。

2.2.2.1 电磁导航

电磁导航是一种比较成熟的引导方式。在AGV小车的行驶路径上预先埋设金属导体，然后在其上加载低频低压的电流，使金属导体周围产生交变磁场。AGV小车上的传感器通过对此磁场强弱的检测识别以及跟踪，可以实现AGV小车的导航信息处理。电磁导航导引线隐藏地面下，不会被污染，不容易破损，导航原理简单且稳定可靠，方便进行控制通信，没有外界的声光干扰，实施成本低廉，但更改线路布局麻烦，导引线的铺设困难，施工周期长。本文设计因为生产实际需要灵活改变路径，不采取此种方式。

2.2.2.2 磁导航

磁导航的技术与电磁导航原理相近，不同之处是磁导航采取了在地面上贴导航磁条来代替埋设在地面下的金属导体，通过对磁条感应信号的变化来实现AGV的导航。磁导航定位相对精确，磁条以及路线布局容易，整体工程的成本较低。但是，导航磁条十分容易破损，需要保护与定时维护，线路更改需要重新铺设磁条，AGV小车只能按磁条预设的线路前进，导致小车的智能避让实现麻烦，无法实现通过控制系统完成生产任务。此设计采取磁导航方案，增加了技术手段，如对磁条采取保护措施，通过无线管控软件实现避障、更改任务等，从而尽量避免其缺点。

2.2.2.3 二维码导航

通过摄像头视频设别技术，读取提前铺设于地面的二维码，通过二维码信息实时获取当前的位置信息。二维码导航一般与惯性导航相结合，能实现相对精准的定位。惯性导航是利用光电编码器、陀螺仪等位置传感器来获取小车位置，由于存在累计误差，一般只作为区域范围内的辅助定位。二维码导航位置定位相对精确，定位模块小巧灵活，路线布局更改较容易，控制方便，抗环境干扰能力强。但是，二维码导航的线路需要维护。在复杂场地需要经常更换二维码，且对陀螺仪等位置传感器的精度、使用寿命要求严格，对整个场地平整度有要求，方案的整体成本相对较高。本设计中因为维护及使用成本过高，不选用这种方案。

2.2.2.4 激光导航

激光导航一般有反光板导航和自然导航两种[3]。反光板导航是在AGV小车的前进路线的周围安装已知精确定位位置的光学反光板，同时将激光发射器安装于AGV小车的本体上。激光发射器在AGV小车的前进过程中不断发出激光束。这些发射的激光束会沿着AGV前进路线所铺设的多个反光板反射回来。导航的中央控制系统收到这些反射回来的激光，检测计算出激光发射器遇到反光板时的角度，且根据这些角度值与实际反光板的预设精确位置，可以计算出AGV小车的当前坐标坐标，实现精确的位置定位方式。自然导航是通过传感器来检测周边的环境物体。与反光板导航不同之处，它不需要预先在AGV小车的路线布局的周围安装用于位置定位的反光装置。自然导航的位置定位的参照物体，可以是生产环境中的生产设备、加工零部件、厂房墙面等信息。相比于反光板式导航，自然导航的工程成本相对较低，施工周期较短。激光导航使AGV小车能随时规划线路布局，准确定位小车位置，灵活改变前进路线方向，施工方便，能较好地适应各种各样的生产环境，但工程成本较高，对使用环境有较高的要求。本次设计中因为此方案安装成本过高、环境因素多变、人员走动频繁，不选用这种方案。

2.2.2.5 视觉导航

视觉导航通过视觉传感器获取的图像信息解析出环境与位置情况实现导航，需要视觉镜头、辅助补光照明硬件设备等。AGV小车在前进过程中，镜头获取环境图像信息后自动建立三维模型数据，再将实时获取的环境图像数据与预先建立的环境图像数据进行综合匹配计算对比，以计算AGV小车的当前实时位置，从而获得AGV小车的位置信息。视觉导航整体硬件成本相对较低，定位相对精确，但对使用环境光照要求较高，且需要运行的生产环境有物体具有显著的标志信息数据。当运行范围较大的情况，绘制地图的工作量较大。此外，它对处理器的实时运算能力和算法的快速稳定性要求高。从工程实际角度看，改技术还未足够成熟。因为需要长期运行稳定可靠，本次设计不选用这种方案。

2.2.3 其他设计

负载能力根据所需牵引物料车和料架的最大质量确定。此数据过大，会造成“大马拉小车”的情况，增加了系统成本。此数据过小，会使AGV小车拖动吃力，影响电池和电机的使用寿命，降低了可靠性与稳定度。一般需要预留10%～20%的裕量。对于行走方向，可根据现场项目的实际工艺要求确定。

3 AGV小车控制方案设计

3.1 AGV小车控制方案简介

AGV小车控制由主控CPU、串口通信服务器、操作面板、触摸屏、三色灯和喇叭等部分组成。其中：主控CPU负责AGV本体接收和处理信号，发出指令；串口通信服务器实现与主控制系统进行无线通信；操作面板负责AGV手动可操作部分；触摸屏负责显示AGV电量、运行状态以及报警信息等；三色灯和喇叭负责AGV报警声光提醒。

3.2 车载控制器主控单元

主控单元是AGV小车的电气控制系统的核心单元。根据国家标准GBT 30030—2013中所定义的描述，AGV小车是由计算机控制的运输工具。因此，主控单元从本质上看可以理解为一台有特殊IO设备接口的计算机。目前，采用的AGV小车的主控单元基本上采取PLC、工控机和单板机3种方式。

PLC可靠稳定，主要用于逻辑控制，只能做简单的运动控制、数值计算。开发语言以梯形图为主，开发难度不大，对技术人员要求低。外部扩展IO有限，成本可控。

工控机实际上就是计算机，只是经过了专门的设计，具有较强的抗干扰能力，可以用于各种复杂恶劣的环境，如航空、军用、工业等。工控机可以设计成体积小巧的嵌入式，可以运行在通用的操作系统上，如Windows、Linux[4]。它的硬件软件兼容性好，应用灵活，扩展方便，开发资源多，但成本昂贵。

单板机一般是基于芯片或者核心板自主开发而成的，硬件成本低，软件开发成本高，开发时间周期长，开发结果不可控，稳定性不高，可靠性不强，开发难度很高[5]。

根据应用实际，工业化流水线的大批量生产对于可靠性要求高，此次设计采取PLC。

3.3 无线通信模块

无线通信模块实现AGV小车与主控制柜之间的无线通信[6]。AGV将运行状态等信息数据通过工业串口服务器定时传递给主控柜的无线通信模块。主控柜收到数据后，通过无线通信模块将控制指令发送给AGV小车。AGV小车根据指令进行操作。通信频段采用5G，避开了工厂内其他设备的现有频段，从而避免了无线信号之间的互相干扰。此次设计中采取了MOXA公司的NPort W2150A的串口服务器模块。