基于AGV小車的柔性自適應裝配的設計與應用

張 彬 張海存 李 靜 楊 輝

(北京航空精密機械研究所精密制造技術航空科技重點實驗室，北京100076)

隨著制造業向數字化制造，智能化制造的方向發展，智能化的產品在生產線、裝配線等的應用也越來越普遍，使得制造業的自動化程度越來越高。

AGV(automated guided vehicle)小車，又名無人搬運車，自動導航車等，是一種目前廣泛應用的智能化產品。其顯著特點是無人駕駛。AGV上裝備有自動導向系統，AGV的行駛路徑可以根據位置要求，生產工藝流程等設置，可以保障系統在不需要人工引航的情況下就能夠沿預定的線路自動行駛，將貨物或物料自動從起始點運送到目的地[1］。

世界上第一臺AGV小車是一種牽引式小車，由美國Barrett電子公司于20世紀50年代初開發成功，可方便地與其他物流系統自動連接。20世紀80年代末，國外的AGV小車達到發展的成熟階段，其主要特點是采用更先進的計算機控制系統，運輸量更大，移載時間更短，小車和控制器的可靠性更高[2-3］。

某專用裝檢平臺用于某零部件的拆解→檢測→再裝配的流程。為了提高整個系統的自動化程度，在本系統中引入了AGV小車，用AGV移動小車將某部件搬運到裝檢平臺現場。

本文介紹了以AGV小車為基礎，設計了導向補償機構、柔性自適應機構，實現了某部件與裝檢平臺的精密對接裝配，并通過對接裝配試驗，得到了裝配力與裝配定位面的平行度精度曲線。

1 任務要求

利用AGV小車將某部件搬運到裝檢平臺底部，并與拆解平臺止口實現精確對接，如圖1所示，對接要求:①精度 ?336 H7/h6，平行度 0.05 mm，如圖 2所示；②保證對接的可靠性，無卡滯。

待裝配的某部件屬于精密級零部件，其尺寸及形位公差均為6～7級精度，工件及平臺上的?336 H7/h6內、外止口為裝配導向及定位面，配合間隙為0.06～0.012 mm[4］。要完成上述對接任務，需設計一套高精度的精密裝配作業平臺以及高精度、高可靠性的柔性自適應機構，保證系統的對接精度。

2 總體結構方案

根據上述任務分析，核心任務是保證工件與拆解平臺的對接裝配。整個任務動作分為兩步，第一步為搬運，第二步為升降對接。考慮到實現對接工件搬運智能化，采用AGV小車來執行搬動任務，上下對接利用升降裝置完成，升降裝置搭載于AGV運動小車之上，是將某部件精確定位到拆解工位的升降執行裝置，根據升降行程、負載情況及精度要求，選用WN03VA100型電動升降裝置，如圖3所示。由于AGV小車的搬動精度一般為±10 mm左右，因此，整個系統的定位由粗定位(毫米級)和精密定位(微米級)兩部分組成。

粗定位主要由AGV小車運動定位精度保證，小車導向應用磁條導向，應用磁卡進行定位控制，AGV小車本身有尋磁機構，可以根據輸入的磁卡卡號對其進行識別。在距離到達位置之前約30 cm處磁條上方放置一張磁卡，AGV小車到達此位置讀取磁卡信息，執行減速功能，以最低速前進，直至前方保險杠碰撞到臺體上的前擋板后，導致AGV小車自帶限位開關觸發后停止，此時停止的位置恰好處于升降孔的下方，從而降低了定位誤差，實現了粗定位功能，如圖4所示。

AGV小車路線由地板上粘貼磁性膠帶進行控制，起停控制由按鍵或電腦軟件操控，控制原理框圖如圖5所示。

2.1 AGV小車導向補償機構設計

AGV小車運動過程中存在±10 mm的精度誤差，為了保證AGV小車準確進入到裝檢平臺底部，設計了一套導向補償機構，如圖6所示。在平臺支架底部兩側安裝了補償機構的導向組件，進行AGV小車路徑導引。AGV小車頂部4個角分別安裝一個滾動導向支撐，通過補償機構的彈簧緩沖機構使其與導向組件的導向板始終保持接觸，在運動過程中即可保證小車始終沿著導軌規劃的路徑前進，碰到前方平臺支架擋板后停止，實現了±2 mm左右的較高精度定位。

2.2 柔性自適應機構設計

升降臺在執行升降動作時，考慮到由AGV小車及升降臺運動誤差對某部件精確定位的影響，需考慮到定位時的定位精度及頂緊力，因此在機械結構上加入一套專用的柔性自適應精密定位機構[5-6］，如圖7所示精密定位通過球頭與錐孔自動定心的原理設計的自動補償機構結構進行修正來實現。某部件的罐體放置在移動板(水平滾動調整組件)上，移動板與豎直固定板之間靠滾珠機構中的鋼球滾動保持相對運動。在上升過程中利用柔性自適應機構上的球頭定位導柱與裝檢平臺上的帶錐面導向孔的自定心作用進行自動對中，定位導柱與錐面導向孔配合精度為H7/h6[4］。在該機構中用6個力保護彈簧來控制升降裝配時產生的裝配力，用8個水平調節彈簧和4個豎直調整彈簧，進行位置自適應調整，水平與豎直自適應調整范圍均為±10 mm，滿足上述AGV小車經導向后的±2 mm左右精度調整要求。

3 控制系統設計

本對接任務的控制系統包括AGV小車的搬運控制和升降裝置的升降控制。AGV小車的控制如圖8所示。

AGV小車啟動、停止、升降臺上升、下降、停止、上下限位以及AGV小車故障都將發送對應狀態信息，以便上位機能夠及時監測，如圖9所示。

AGV小車帶動某部件移動到裝檢平臺底部后，計算機發出上升指令，升降臺裝置上升，帶動某部件升高，達到預設的裝配頂緊力后，觸發柔性自適應夾具上的電限位開關(如圖10所示)升降臺裝置停止上升。返回過程中，當升降臺下降至升降裝置的下限位位置時，觸發升降裝置的限位開關，升降臺停止下降，驅動AGV小車將某部件移出裝檢平臺，完成某部件的拆、裝流程。升降臺控制框圖，如圖11所示。

4 基于AGV小車的自適應柔性對接裝配試驗

利用上述的AGV小車進行了自適應柔性對接裝配試驗，如圖12所示。對接到位后，進行如圖13所示的精度檢測，得到柔性自適應裝置的6個力保護彈簧預緊力與裝配精度(平行度)的關系曲線，如圖14所示。當彈簧預緊力小于100 N時，可以進行軸孔定心裝配，但由于預緊力太小，尚未對接到位就觸發了限位，升降臺停止提升；預緊彈簧力從100～200 N時平行度誤差數值逐漸減小，預緊力達到200～300 N平行度基本不變，維持在0.04～0.046 mm。為防止升降裝置損壞，未進行＞300 N的對接裝配試驗。

分析產生上述現象的原因為，彈簧預緊力小于100 N時，預緊力過小，小于止口邊緣產生的摩擦力，從而導致未裝配到位。而預緊力大于100 N后，預緊力逐漸大于止口邊緣產生的摩擦力，裝配精度不斷提高，而當預緊力大于200 N時，預緊力遠大于止口處的摩擦力后，在柔性自適應裝置作用下，實現了某部件的精確對接裝配。

5 結語

(1)通過基于AGV小車設計的導向補償機構可以實現±2 mm左右的精密導向，設計的柔性自適應機構，可以實現±10 mm左右的精度調整，配合計算機精確控制定位技術，實現了尺寸?336H7/h6的精密裝配，有效的避免了精密止口裝配時易出現的卡滯現象，確保了某部件的柔性自適應裝配的順利實現。

(2)通過柔性自適應機構中的彈簧預緊力可以較精確控制某部件的裝配力，可以防止裝配力過大造成的零部件損傷。