基于試車線的AGV物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張紅陽(yáng) 劉吉華 龔軍振

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊261000）

0 引言

AGV技術(shù)最先出現(xiàn)在美國(guó)，并得到廣泛應(yīng)用。AGV物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接影響企業(yè)的生產(chǎn)效率及企業(yè)的智能化、自動(dòng)化車間建設(shè)。1913年美國(guó)福特公司率先使用有軌AGV，開啟了AGV的應(yīng)用之路。1955年AGV系統(tǒng)在英國(guó)用于實(shí)際生產(chǎn)線，1969年瑞典首次在物流系統(tǒng)中采用了AGV。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的AGV物流系統(tǒng)技術(shù)還不夠成熟，建造成本較高，AGV物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 某制造廠試車線特點(diǎn)

我國(guó)企業(yè)國(guó)際化進(jìn)程加快，對(duì)中重型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的產(chǎn)量要求越來越高，目前的試車生產(chǎn)節(jié)拍已遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)間較多，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都需要至少40 min，且其間需要記錄試車數(shù)據(jù)，每個(gè)座臺(tái)試車隨機(jī)性強(qiáng)，這就對(duì)試車期間的AGV物流系統(tǒng)提出更高的要求。如果沒有合理有效的AGV物流系統(tǒng)作為支撐，提升整個(gè)生產(chǎn)線的智能化、自動(dòng)化水平，降低生產(chǎn)節(jié)拍，很難提高企業(yè)的試車效率，增強(qiáng)企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

某車間試車線規(guī)劃通道狹長(zhǎng)，運(yùn)輸較擁擠，此車間試車線的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試車線各項(xiàng)數(shù)據(jù)

2 AGV物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 AGV運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)

本文對(duì)AGV物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用中央任務(wù)管理和AGV運(yùn)行管理分開計(jì)算，優(yōu)化其軟件系統(tǒng)，明確其任務(wù)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。為實(shí)現(xiàn)AGV小車在試車線的全方位運(yùn)行，采用AGV激光導(dǎo)航的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。AGV物流系統(tǒng)由中央控制室監(jiān)控計(jì)算機(jī)、充電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、各型號(hào)設(shè)備PLC等組成。

2.2 AGV系統(tǒng)變換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.2.1 與托盤運(yùn)送線實(shí)際運(yùn)載的網(wǎng)絡(luò)交換

有工件需要試車時(shí)，由任務(wù)管理器通過無(wú)線電發(fā)送信號(hào)給AGV小車，AGV接收信號(hào)與托盤線接送轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行信號(hào)交換。AGV小車在托盤線運(yùn)輸中的接貨過程如圖1所示。

托盤線輸送轉(zhuǎn)臺(tái)：

（1）地面有貨：轉(zhuǎn)臺(tái)為復(fù)位狀態(tài)并且轉(zhuǎn)臺(tái)上有發(fā)動(dòng)機(jī)。（2）地面調(diào)準(zhǔn)完成：轉(zhuǎn)臺(tái)有貨并且在接到AGV到位信號(hào)后轉(zhuǎn)臺(tái)正轉(zhuǎn)到或反轉(zhuǎn)到。（3）地面停止：轉(zhuǎn)臺(tái)出錯(cuò)。

圖1 AGV小車在托盤線運(yùn)輸中的接貨過程

AGV信號(hào)包括：

（1）AGV到位；（2）轉(zhuǎn)臺(tái)方向；（3）AGV開始移栽；（4）AGV停止；（5）AGV結(jié)束。

在試車完成后，通過任務(wù)管理臺(tái)發(fā)布任務(wù)，AGV小車將試車的工件送入到托盤輸送線，在其交接時(shí)，托盤接收轉(zhuǎn)臺(tái)與AGV小車發(fā)生信號(hào)交互，在其信號(hào)交互過程中，具體的工作信息交互狀態(tài)如下：

托盤線輸送轉(zhuǎn)臺(tái)部分：

（1）地面就位：轉(zhuǎn)臺(tái)復(fù)位并且轉(zhuǎn)臺(tái)無(wú)貨。

（2）地面開始移栽：轉(zhuǎn)臺(tái)為復(fù)位狀態(tài)接到AGV到位轉(zhuǎn)臺(tái)滾道開始上貨。

（3）地面停止：轉(zhuǎn)臺(tái)出錯(cuò)。

（4）地面結(jié)束：地面轉(zhuǎn)臺(tái)接到發(fā)動(dòng)機(jī)。

AGV信號(hào)包括：

（1）AGV到位；（2）轉(zhuǎn)臺(tái)方向；（3）AGV停止；（4）AGV結(jié)束。

2.2.2 與臺(tái)架系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)載的網(wǎng)絡(luò)交換

當(dāng)臺(tái)架系統(tǒng)空機(jī)可以進(jìn)行試車時(shí)，操作者按下指令按鈕，臺(tái)架系統(tǒng)通過Profibus-DP通信總線與AGV的任務(wù)管理機(jī)進(jìn)行信息交換，把指令傳達(dá)給AGV小車，AGV小車按照指令將其輸送到此臺(tái)架系統(tǒng)。在完成試車后，操作者按下下貨控制按鈕，傳達(dá)給AGV小車指令，其指令為AGV小車接貨任務(wù)。AGV小車與臺(tái)架系統(tǒng)的運(yùn)送貨過程如圖2所示。

臺(tái)架系統(tǒng)：

（1）臺(tái)架下線：臺(tái)架下貨滾道有貨、臺(tái)架下線指示亮。（2）地面調(diào)準(zhǔn)完成：下貨滾道就位。（3）地面停止：地面出錯(cuò)，按滅自動(dòng)指示。

AGV信號(hào)包括：

（1）AGV到位；（2）臺(tái)架自動(dòng)指示點(diǎn)亮；（3）AGV開始移栽；（4）AGV停止；（5）AGV結(jié)束。

圖2 AGV小車與臺(tái)架系統(tǒng)的運(yùn)送貨過程

2.3 AGV路徑設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.3.1 AGV運(yùn)行路徑設(shè)計(jì)

根據(jù)試車線現(xiàn)狀，整條AGV小車運(yùn)行線有72個(gè)節(jié)點(diǎn)和路段，其中66、67、69為裝配線的3個(gè)接口，62、63為路線中間AGV充電樁，28、24、26等空心方塊為移栽節(jié)點(diǎn)，也是試車座臺(tái)的位置點(diǎn)，33、36等有斜線連接點(diǎn)為側(cè)移路線，28、33、36、25為一個(gè)局部循環(huán)，AGV小車可在局部循環(huán)里自由運(yùn)行及旋轉(zhuǎn)等。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，所有AGV小車只能按照?qǐng)D中標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)行，如圖3所示。

圖3 AGV行走路徑

經(jīng)總裝裝配線完成各零部件的安裝后，柴油機(jī)在測(cè)試口等待試車，在試車之前系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的信息進(jìn)行掃描，包括編號(hào)、機(jī)型、訂貨單號(hào)等，將掃描后的信息發(fā)送到中央控制系統(tǒng)，系統(tǒng)將柴油機(jī)與試車臺(tái)架匹配，然后進(jìn)入試車等待階段，試車臺(tái)架、預(yù)裝線、后整理線及返修線組成一個(gè)系統(tǒng)，通過CAN總線連接AGV運(yùn)行系統(tǒng)。待試車臺(tái)架需要試車時(shí)，進(jìn)入試車階段。試車完成后，AGV小車收到運(yùn)輸指令，一般為合格下線或返修下線。

2.3.2 AGV運(yùn)行路徑優(yōu)化

本試車線中兩節(jié)點(diǎn)之間的距離及初始發(fā)點(diǎn)距離為5 m，兩條車道上斜車道距離為m。試車柴油機(jī)上線口為O，試車合格的下線口為O1，試車不合格的下線口為O2，兩條平行車道分別為1號(hào)線路和2號(hào)線路，試車座臺(tái)表示i路線上t座臺(tái)任務(wù)指令。

（1）每條道路均為雙向單行道，允許AGV小車雙向行駛，但只能斜道變道。

（2）根據(jù)試車線實(shí)際情況，AGV小車速度為1 m/s；同一時(shí)間內(nèi)，每條道路最多允許一輛AGV小車，中央控制器只有在當(dāng)前任務(wù)完成后才能給AGV小車發(fā)送下一任務(wù)。

（3）AGV小車自身長(zhǎng)度和行車速度決定小車安全距離Ls；安全距離內(nèi)只允許有一輛AGV小車。

根據(jù)試車線規(guī)劃實(shí)際情況，試車線的生產(chǎn)特點(diǎn)是單工位單座臺(tái)試車、試車時(shí)間長(zhǎng)、AGV小車運(yùn)行距離遠(yuǎn)、與裝配線接口唯一、與下線接口唯一。根據(jù)此試車線特點(diǎn)，利用兩種邏輯保證小車運(yùn)行總距離最小化；當(dāng)任務(wù)時(shí)間在一定時(shí)間限定內(nèi)時(shí)，采用最短路線搜索算法，以首個(gè)站點(diǎn)為搜索目的地，以距離優(yōu)先原則排序，優(yōu)先執(zhí)行最短路線，可以大大減少AGV小車空駛的時(shí)間；當(dāng)任務(wù)時(shí)間超過一定時(shí)間限定時(shí)，拋棄距離優(yōu)先原則。這樣既可以保證系統(tǒng)運(yùn)行的總距離最小，又能兼顧距離較遠(yuǎn)的任務(wù)執(zhí)行，滿足現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)需求。其目標(biāo)函數(shù)（各階段距離之和）如下：

當(dāng)進(jìn)行最短路徑求解時(shí)，初始狀態(tài)確定，那么整個(gè)過程的邏輯也就確定了。目標(biāo)函數(shù)可表示如下：

根據(jù)以上算法，假設(shè)路線1上節(jié)點(diǎn)t1需要試車發(fā)出指令，即，中央管理系統(tǒng)對(duì)AGV物流系統(tǒng)發(fā)送指令，AGV物流系統(tǒng)對(duì)AGV小車進(jìn)行搜索，并在節(jié)點(diǎn)t2處釋放出空AGV小車，通過AGV物流系統(tǒng)下達(dá)指令，經(jīng)系統(tǒng)分析AGV小車從t2節(jié)點(diǎn)到t1節(jié)點(diǎn)需要做出|t2-t1+1|次路徑選擇，才能找到最短路徑。目標(biāo)函數(shù)表示如下：

每次路徑選擇都有兩種方案，假設(shè)第k次選擇路徑為：

依次遞推：

最終可以得出空AGV小車行程總距離的路徑?jīng)Q策，完成AGV小車將試車完的柴油機(jī)運(yùn)輸?shù)胶细衿方涌诘淖疃搪窂接?jì)算。

3 系統(tǒng)實(shí)施及效果分析

3.1 AGV物流系統(tǒng)工作流程效果確認(rèn)

每臺(tái)AGV小車開啟后，首先對(duì)自身所有構(gòu)件子系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格后，向AGV物流系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求，AGV物流系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)判斷是否允許此臺(tái)小車加入，在操作者確認(rèn)后，AGV小車加入當(dāng)前系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)可以對(duì)此臺(tái)小車進(jìn)行調(diào)度。

試車完成后，AGV控制系統(tǒng)對(duì)AGV小車發(fā)送運(yùn)輸指令，如此時(shí)無(wú)空閑小車，系統(tǒng)指令進(jìn)入等待狀態(tài)。如果試車為合格，AGV小車根據(jù)物流系統(tǒng)規(guī)劃的路線將柴油機(jī)運(yùn)輸?shù)胶细裣戮€接口；如果試車不合格，試車座臺(tái)會(huì)向系統(tǒng)發(fā)送返修信號(hào)，AGV小車將柴油機(jī)運(yùn)輸?shù)椒敌藿涌谶M(jìn)行返修。如試車座臺(tái)有試車需求時(shí)，向中央控制系統(tǒng)發(fā)出需求信息，則中央控制系統(tǒng)下達(dá)指令，AGV小車將柴油機(jī)運(yùn)輸?shù)皆囓囎_(tái)。

在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，AGV小車根據(jù)自身電量定期向系統(tǒng)發(fā)出充電申請(qǐng)，系統(tǒng)會(huì)不斷維護(hù)AGV小車發(fā)出的申請(qǐng)，當(dāng)小車發(fā)出申請(qǐng)又處于空閑狀態(tài)下，系統(tǒng)會(huì)通過維護(hù)的請(qǐng)求順序向AGV小車發(fā)出充電指令，當(dāng)小車充電完成后，再恢復(fù)到指令的空閑狀態(tài)。

3.2 AGV物流系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

本次AGV物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究將運(yùn)輸調(diào)度方式由全列式轉(zhuǎn)化為最短路徑算法，大大降低了系統(tǒng)的運(yùn)算工作量，提高了對(duì)AGV小車的調(diào)度準(zhǔn)確性，減少了AGV小車的碰撞次數(shù)及人工的現(xiàn)場(chǎng)操作頻次，從而降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度；本系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究將試車線的產(chǎn)量由720臺(tái)/天提升到800臺(tái)/天，大大提升了試車線生產(chǎn)效率。在整個(gè)AGV物流系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過軟件可實(shí)時(shí)對(duì)PLC狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。在運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常時(shí)，可隨時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)查檢。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)試車線特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與研究了AGV物流系統(tǒng)，滿足了試車線的生產(chǎn)實(shí)際需求，從而降低了生產(chǎn)成本。本文從AGV運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、變換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、運(yùn)行路徑及優(yōu)化方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過系統(tǒng)實(shí)施效果分析，論證了該試車線AGV物流系統(tǒng)的可行性及必要性，提高了試車線的生產(chǎn)效率，增強(qiáng)了企業(yè)對(duì)試車線試車情況的管理，為其他試車線的AGV物流系統(tǒng)應(yīng)用提供了一定參考。