AGVS在包裝印刷行業(yè)的應(yīng)用

文/劉之舟 孔祥震 曲順 邵安寧 牛海頤 王凱

一、AGVS概述

1. AGVS內(nèi)涵與功能

AGV是指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)以及多種移載功能的運(yùn)輸車。與物料輸送中常用的其他設(shè)備相比，AGV活動(dòng)區(qū)域無需鋪設(shè)軌道、支座架等固定裝置。AGVS是自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，具有工作效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，在自動(dòng)化物流系統(tǒng)中，AGVS最能充分地體現(xiàn)其自動(dòng)性和柔性，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)和靈活的無人化作業(yè)。

2.AGV總體結(jié)構(gòu)及AGVS地面控制部分結(jié)構(gòu)

AGV小車通過無線網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控機(jī)、管理機(jī)，AGV小車總體結(jié)構(gòu)如圖1。

AGVS地面控制部分如圖2，主要由物流系統(tǒng)管理機(jī)、AGV系統(tǒng)管理監(jiān)控主機(jī)組成，其中AGV管理和監(jiān)控計(jì)算機(jī)是AGV系統(tǒng)運(yùn)行的核心，主要功能有：接收來自WMS的任務(wù)命令；按照任務(wù)類型分配相應(yīng)AGV車型；為不同運(yùn)輸任務(wù)分配最優(yōu)AGV小車；為每個(gè)運(yùn)輸任務(wù)安排運(yùn)輸路線；控制AGV系統(tǒng)中多臺(tái)AGV小車交通；與取卸貨對(duì)接設(shè)備PLC進(jìn)行信號(hào)交互；與現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)門交互；處理現(xiàn)場(chǎng)輸入、輸出信號(hào)。

AGVS是自動(dòng)化物流系統(tǒng)中核心組件之一，隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高，它在包裝印刷行業(yè)得到一定應(yīng)用。

二、 某包裝印刷企業(yè)物流項(xiàng)目中AGVS的應(yīng)用

某包裝印刷企業(yè)物流項(xiàng)目中的AGVS，包含背駝式AGV和叉式AGV兩種車型，分別負(fù)責(zé)搬運(yùn)卷料和托盤貨物，用于立體庫(kù)與印刷線工位邊的倉(cāng)位、立體庫(kù)與復(fù)合線工位邊的倉(cāng)位、立體庫(kù)與品檢線工位邊的倉(cāng)位、立體庫(kù)與熟化線工位邊的倉(cāng)位、印刷線工位邊的倉(cāng)位等環(huán)節(jié)的原膜料卷和成品料卷以及版輥轉(zhuǎn)用，體現(xiàn)了技術(shù)先進(jìn)、可靠實(shí)用、并留有適當(dāng)?shù)陌l(fā)展余地，達(dá)到了生產(chǎn)方式柔性化、生產(chǎn)運(yùn)行集約化及生產(chǎn)控制智能化，有利于企業(yè)持續(xù)發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化、管理信息化、降低生產(chǎn)成本等創(chuàng)造了條件。

圖1：AGV總體結(jié)構(gòu)圖

圖2：AGVS地面控制部分

圖3：項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)正在工作的AGV小車

物流WMS系統(tǒng)下達(dá)任務(wù)給AGVS，AGVS根據(jù)任務(wù)類型自動(dòng)調(diào)度AGV小車從待命站點(diǎn)運(yùn)行至取貨位，按照交互信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作對(duì)接，取上卷料或托盤貨物，自動(dòng)搬運(yùn)至請(qǐng)求要料的生產(chǎn)線工位站點(diǎn)，按照交互信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作對(duì)接，完成任務(wù)并給出任務(wù)完成信號(hào)。AGV完成前一作業(yè)任務(wù)后，AGV系統(tǒng)會(huì)根據(jù)WMS自動(dòng)調(diào)度AGV小車執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)，若系統(tǒng)中沒有待執(zhí)行的任務(wù)，則自動(dòng)調(diào)度AGV小車回到待命站點(diǎn)。工作現(xiàn)場(chǎng)如圖3。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和技術(shù)創(chuàng)新

1.系統(tǒng)優(yōu)化

（1）柔性曲線及其優(yōu)化工具

由于項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)空間特別狹小，支路通道狹窄，采用常規(guī)模式規(guī)劃轉(zhuǎn)彎、并線等曲線時(shí)，線路容易被干涉，不能滿足要求。采用柔性曲線，能夠在規(guī)劃線路時(shí)自動(dòng)分析線段起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)，并且結(jié)合相應(yīng)AGV車型的最大轉(zhuǎn)向角速度、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)模型、車體尺寸、輪系位置和最大速度等物理特性，把曲線線路分成若干小段，然后通過優(yōu)化工具對(duì)每一段的弧度以及AGV的轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行優(yōu)化，使AGV行駛軌跡符合現(xiàn)場(chǎng)要求。圖4為背駝式AGV柔性曲線模式和常規(guī)模式產(chǎn)生的包絡(luò)線，它們的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)均相同，如紅框所示，柔性曲線模式AGV轉(zhuǎn)向模式優(yōu)化為平移模式，運(yùn)行軌跡更平順，占用空間更小。

由于支路通道狹窄，并且某些站臺(tái)存在的物理干涉較多，單純地采用柔性曲線無法完全避開干涉區(qū)域，難以滿足現(xiàn)有的條件。結(jié)合Drawing Line Tool工具優(yōu)化，將線段的包絡(luò)線限制在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，占用的空間更小。Drawing Line Tool工具相當(dāng)于在無法移動(dòng)的固定“障礙物”周圍加了一層保護(hù)，結(jié)合優(yōu)化工具進(jìn)行優(yōu)化，使占用空間更小，保證AGV小車可以順利通過。圖5為叉式AGV未使用Drawing Line Tool工具和使用Drawing Line Tool工具產(chǎn)生的包絡(luò)線，它們的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)均相同，如圖5所示，使用Drawing Line Tool工具占用的空間明顯較小。

（2）復(fù)合動(dòng)作和復(fù)合任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于叉式AGV，貨叉的升降和小車的行走等可以單獨(dú)控制，考慮到系統(tǒng)效率和觀賞性等因素，本項(xiàng)目中叉式AGV小車在行走過程中調(diào)整貨叉高度時(shí)，可邊走邊升貨叉，邊走邊降貨叉，實(shí)際使用顯示效果比較明顯。

對(duì)于背駝式AGV，頂升機(jī)構(gòu)升降和小車行走可以單獨(dú)控制，但考慮到車體自重較輕、高度較低，貨物較重并且頂升高度較高，現(xiàn)場(chǎng)地面條件較差，在行走過程頂升機(jī)構(gòu)可能存在安全隱患；為保證背駝式AGV安全平穩(wěn)運(yùn)行，本項(xiàng)目中背駝式AGV小車在行走過程中頂升機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，到達(dá)指定動(dòng)作位置停下后，經(jīng)過與對(duì)接設(shè)備信號(hào)對(duì)接確認(rèn)后，才頂升或下降到指定高度。經(jīng)過實(shí)際的使用測(cè)試，效果比較明顯。

在任務(wù)分配和調(diào)度方面，可根據(jù)待分配任務(wù)類型、相應(yīng)類型AGV小車實(shí)際位置、是否有正在執(zhí)行的任務(wù)、待分配任務(wù)的距離和時(shí)間、待分配任務(wù)的優(yōu)先級(jí)等因素，自動(dòng)將任務(wù)分配給相應(yīng)AGV小車。

圖4：柔性曲線產(chǎn)生的包絡(luò)線 常規(guī)模式產(chǎn)生的包絡(luò)線

圖5：未使用Drawing Line的包絡(luò)線 使用Drawing Line的包絡(luò)線

圖6：AGV小車執(zhí)行任務(wù)流程

在任務(wù)分配和調(diào)度方面，可根據(jù)待分配任務(wù)類型、相應(yīng)類型AGV小車實(shí)際位置、是否有正在執(zhí)行的任務(wù)、待分配任務(wù)的距離和時(shí)間、待分配任務(wù)的優(yōu)先級(jí)等因素，自動(dòng)將任務(wù)分配給相應(yīng)AGV小車。AGV完成前一輪作業(yè)任務(wù)之后，AGV調(diào)度系統(tǒng)會(huì)根據(jù)物流系統(tǒng)的任務(wù)指令，自動(dòng)調(diào)度AGV小車執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。若系統(tǒng)中沒有待執(zhí)行的任務(wù)，則自動(dòng)調(diào)度AGV小車回到待命站點(diǎn)，有效地提高了系統(tǒng)的效率，減少了AGV小車空車運(yùn)行和往返運(yùn)行時(shí)間。

圖7：復(fù)雜的交叉路口

2.信息交互

AGV小車與立體庫(kù)、輸送機(jī)、提升機(jī)、印刷機(jī)、翻卷機(jī)、自動(dòng)門等設(shè)備有信息交互。為保證安全生產(chǎn)，AGV小車在到達(dá)取貨站入口點(diǎn)、到達(dá)取貨位置、執(zhí)行取貨動(dòng)作、執(zhí)行取貨動(dòng)作完成、到達(dá)卸貨站入口點(diǎn)、到達(dá)卸貨位置、執(zhí)行卸貨動(dòng)作、執(zhí)行卸貨動(dòng)作完成、取貨完成、卸貨完成、進(jìn)入自動(dòng)門區(qū)域、通過自動(dòng)門等時(shí)，均會(huì)向上級(jí)系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)行到位、動(dòng)作請(qǐng)求、動(dòng)作完成以及任務(wù)完成等信息，待上級(jí)系統(tǒng)回復(fù)相應(yīng)的允許進(jìn)入、允許動(dòng)作、允許離開以及任務(wù)完成確認(rèn)等指令后，AGV小車方可執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，具體流程如圖6。如果上級(jí)系統(tǒng)連接中斷或者沒有在設(shè)定時(shí)間內(nèi)給出相應(yīng)回復(fù)指令，AGV小車則會(huì)停止運(yùn)行并顯示相應(yīng)報(bào)錯(cuò)信息。

3. 取消任務(wù)機(jī)制

如果上級(jí)系統(tǒng)下發(fā)指令有誤或者人為干預(yù)，導(dǎo)致AGV小車接受到錯(cuò)誤任務(wù)，可以在AGV調(diào)度系統(tǒng)上手動(dòng)將該任務(wù)取消。

4.復(fù)雜交叉路線

圖7為復(fù)雜的交叉路口，匯集了背駝式AGV和叉式AGV兩種車型在立體庫(kù)與印刷線各個(gè)工位邊的倉(cāng)位、立體庫(kù)與復(fù)合線工位邊的倉(cāng)位、立體庫(kù)與品檢線工位邊的倉(cāng)位、立體庫(kù)與翻卷機(jī)、立體庫(kù)與熟化線工位邊的倉(cāng)位、印刷線工位邊的倉(cāng)位與印刷機(jī)、版輥庫(kù)與印刷機(jī)等多個(gè)方向路線的交叉。為避免多車在復(fù)雜交叉路口發(fā)生堵塞并減少多車在路口周邊區(qū)域等待通過時(shí)間，本項(xiàng)目對(duì)路線設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)度進(jìn)行了優(yōu)化。

5.車載鋰電池充電管理功能

由于本項(xiàng)目生產(chǎn)任務(wù)比較繁瑣，設(shè)置了5個(gè)充電站。AGV小車在正常運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓，當(dāng)電池電壓低于程序中預(yù)先設(shè)定值時(shí)，AGV小車將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“低電量報(bào)警”信號(hào)，“低電量報(bào)警”警示燈閃爍，并自動(dòng)生成充電任務(wù)。待AGV小車執(zhí)行完當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)后，自動(dòng)運(yùn)行到充電站進(jìn)行充電，待充電完成后，AGV小車可以繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

四、 總結(jié)

本項(xiàng)目通過對(duì)AGVS的研究和技術(shù)創(chuàng)新，根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境，采用合理路線設(shè)計(jì)，優(yōu)化了系統(tǒng)效率，有效地減少AGV小車空跑時(shí)間和等待時(shí)間，提高了工作效率，使系統(tǒng)更穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

本項(xiàng)目的成功實(shí)施，為我國(guó)印刷行業(yè)現(xiàn)代化大型生產(chǎn)企業(yè)提供了范本，促進(jìn)了印刷行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和信息化基礎(chǔ)建設(shè)，為我國(guó)現(xiàn)代化印刷行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供有效案例。