某汽車工廠IPU分裝線搬送系統的設計

郭 峻

（湖北省機電研究設計院，武漢 430070）

自動導引小車（Automated Guided Vehicle，AGV）通常也簡稱為小車，指在工業應用中，裝備有自動導航裝置。按照預設的導引路線，沿著受控的導航路徑行駛，且具有安全保護裝置，以及擁有各種移載功能的不需要操作者的運輸搬運車。它一般都是以可充電的電池為其動力來源，通過電腦來管理其行進方向、行為等，也可利用可感知的軌道規劃其行進路線[1]。可感知的軌道敷設于地面或地下，依靠這個軌道所帶來的傳感信息進行移動或動作。

目前，我國的汽車整車制造業發展迅速，帶動了各大汽車整車制造集團的新建或者擴建。AGV技術也在汽車裝配制造業自動搬運、物流運輸方面不斷得以應用。其中，總裝車間主要是使用生產流水線，負責將整個車身與底盤、內飾與外飾、動力總成等部件進行整體安裝。這個過程中，需要技術人員與操作者互相配合，將大量零部件依照工藝要求組裝成為一輛整車。

汽車總裝車間的零部件，需要物流將其送至產線，使得產線能不間斷持續運行。生產開工率要求達到99.9%以上，每年開動天數超過246天，每年開動時間要達到19 h。通過使用小車（自動引導運輸車）并輔以導航裝置進行車身零部件的配送與裝配，是汽車行業主機廠的趨勢和要求。這種技術能顯著減少操作者的數量，通過采集設備的采集數據，并將加工工藝數據傳至車間級別的監控中心，可以完善產線的生產工藝數據（比如扳手的扭矩）的追溯。本次設計需求是進行搬送系統的設計。某汽車工廠的總裝車間的新建IPU分裝線的生產線邊裝置以及其管理系統，布置了多臺AVG小車，需要自動把裝配所需要的零部件及時傳送到各個加工工位或者檢測工位。本文主要介紹此次的AGV小車在某汽車工廠混動車型總裝領域IPU分裝線搬送系統的應用設計。

1 設備概要及設計要求（Design Dequirements）

整個加工生產系統區域約長100 m，寬30 m。為了滿足設備節拍需要，共需要16臺AGV和2套充電機。因為和人行通道交叉，還需要在AGV經過路口時進行交通紅綠燈的控制。

2 AGV小車設計

2.1 AGV小車整體方案簡介

AGV的部件包含PLC、通信模塊、升降銷、動力鋰電池、控制面板、障礙物檢測開關、機械防撞裝置、導向輪、導向傳感器、驅動裝置以及RFID讀卡器等[2]。根據生產需要和產品能力，對AGV的各項產品指標進行設計后采取如表1所示的規格參數。

表1 AGV的各項產品指標

2.2 AGV小車方案詳解

2.2.1 牽引形式

潛伏式牽引AGV小車，對物料車以及料架的限制性條件最少，所以在制造工廠中的應用是最廣泛的一種AGV小車。潛伏式牽引AGV小車，從裝滿物料的臺車的下方間隙，行走到物料臺車的底部。到位后，利用升降掛鉤裝置，掛上物料臺車底部的固定牽掛部件，從而帶動物料臺車前行。當裝滿物料的臺車被牽引到預設位置后，AGV小車感應到位置傳感器后，降下升降銷自動和物料臺車分離，然后行走到空臺車的底部把空的臺車帶走。潛入式牽引AGV具有自動聯結、擁有較小的轉彎半徑功能，不僅適用于箱式料車，也可運用于其他各種場合。

2.2.2 引導方式

AGV小車導航方式主要是有電磁、磁條、二維碼、激光以及視覺導航等。

2.2.2.1 電磁導航

電磁導航是一種比較成熟的引導方式。在AGV小車的行駛路徑上預先埋設金屬導體，然后在其上加載低頻低壓的電流，使金屬導體周圍產生交變磁場。AGV小車上的傳感器通過對此磁場強弱的檢測識別以及跟蹤，可以實現AGV小車的導航信息處理。電磁導航導引線隱藏地面下，不會被污染，不容易破損，導航原理簡單且穩定可靠，方便進行控制通信，沒有外界的聲光干擾，實施成本低廉，但更改線路布局麻煩，導引線的鋪設困難，施工周期長。本文設計因為生產實際需要靈活改變路徑，不采取此種方式。

2.2.2.2 磁導航

磁導航的技術與電磁導航原理相近，不同之處是磁導航采取了在地面上貼導航磁條來代替埋設在地面下的金屬導體，通過對磁條感應信號的變化來實現AGV的導航。磁導航定位相對精確，磁條以及路線布局容易，整體工程的成本較低。但是，導航磁條十分容易破損，需要保護與定時維護，線路更改需要重新鋪設磁條，AGV小車只能按磁條預設的線路前進，導致小車的智能避讓實現麻煩，無法實現通過控制系統完成生產任務。此設計采取磁導航方案，增加了技術手段，如對磁條采取保護措施，通過無線管控軟件實現避障、更改任務等，從而盡量避免其缺點。

2.2.2.3 二維碼導航

通過攝像頭視頻設別技術，讀取提前鋪設于地面的二維碼，通過二維碼信息實時獲取當前的位置信息。二維碼導航一般與慣性導航相結合，能實現相對精準的定位。慣性導航是利用光電編碼器、陀螺儀等位置傳感器來獲取小車位置，由于存在累計誤差，一般只作為區域范圍內的輔助定位。二維碼導航位置定位相對精確，定位模塊小巧靈活，路線布局更改較容易，控制方便，抗環境干擾能力強。但是，二維碼導航的線路需要維護。在復雜場地需要經常更換二維碼，且對陀螺儀等位置傳感器的精度、使用壽命要求嚴格，對整個場地平整度有要求，方案的整體成本相對較高。本設計中因為維護及使用成本過高，不選用這種方案。

2.2.2.4 激光導航

激光導航一般有反光板導航和自然導航兩種[3]。反光板導航是在AGV小車的前進路線的周圍安裝已知精確定位位置的光學反光板，同時將激光發射器安裝于AGV小車的本體上。激光發射器在AGV小車的前進過程中不斷發出激光束。這些發射的激光束會沿著AGV前進路線所鋪設的多個反光板反射回來。導航的中央控制系統收到這些反射回來的激光，檢測計算出激光發射器遇到反光板時的角度，且根據這些角度值與實際反光板的預設精確位置，可以計算出AGV小車的當前坐標坐標，實現精確的位置定位方式。自然導航是通過傳感器來檢測周邊的環境物體。與反光板導航不同之處，它不需要預先在AGV小車的路線布局的周圍安裝用于位置定位的反光裝置。自然導航的位置定位的參照物體，可以是生產環境中的生產設備、加工零部件、廠房墻面等信息。相比于反光板式導航，自然導航的工程成本相對較低，施工周期較短。激光導航使AGV小車能隨時規劃線路布局，準確定位小車位置，靈活改變前進路線方向，施工方便，能較好地適應各種各樣的生產環境，但工程成本較高，對使用環境有較高的要求。本次設計中因為此方案安裝成本過高、環境因素多變、人員走動頻繁，不選用這種方案。

2.2.2.5 視覺導航

視覺導航通過視覺傳感器獲取的圖像信息解析出環境與位置情況實現導航，需要視覺鏡頭、輔助補光照明硬件設備等。AGV小車在前進過程中，鏡頭獲取環境圖像信息后自動建立三維模型數據，再將實時獲取的環境圖像數據與預先建立的環境圖像數據進行綜合匹配計算對比，以計算AGV小車的當前實時位置，從而獲得AGV小車的位置信息。視覺導航整體硬件成本相對較低，定位相對精確，但對使用環境光照要求較高，且需要運行的生產環境有物體具有顯著的標志信息數據。當運行范圍較大的情況，繪制地圖的工作量較大。此外，它對處理器的實時運算能力和算法的快速穩定性要求高。從工程實際角度看，改技術還未足夠成熟。因為需要長期運行穩定可靠，本次設計不選用這種方案。

2.2.3 其他設計

負載能力根據所需牽引物料車和料架的最大質量確定。此數據過大，會造成“大馬拉小車”的情況，增加了系統成本。此數據過小，會使AGV小車拖動吃力，影響電池和電機的使用壽命，降低了可靠性與穩定度。一般需要預留10%～20%的裕量。對于行走方向，可根據現場項目的實際工藝要求確定。

3 AGV小車控制方案設計

3.1 AGV小車控制方案簡介

AGV小車控制由主控CPU、串口通信服務器、操作面板、觸摸屏、三色燈和喇叭等部分組成。其中：主控CPU負責AGV本體接收和處理信號，發出指令；串口通信服務器實現與主控制系統進行無線通信；操作面板負責AGV手動可操作部分；觸摸屏負責顯示AGV電量、運行狀態以及報警信息等；三色燈和喇叭負責AGV報警聲光提醒。

3.2 車載控制器主控單元

主控單元是AGV小車的電氣控制系統的核心單元。根據國家標準GBT 30030—2013中所定義的描述，AGV小車是由計算機控制的運輸工具。因此，主控單元從本質上看可以理解為一臺有特殊IO設備接口的計算機。目前，采用的AGV小車的主控單元基本上采取PLC、工控機和單板機3種方式。

PLC可靠穩定，主要用于邏輯控制，只能做簡單的運動控制、數值計算。開發語言以梯形圖為主，開發難度不大，對技術人員要求低。外部擴展IO有限，成本可控。

工控機實際上就是計算機，只是經過了專門的設計，具有較強的抗干擾能力，可以用于各種復雜惡劣的環境，如航空、軍用、工業等。工控機可以設計成體積小巧的嵌入式，可以運行在通用的操作系統上，如Windows、Linux[4]。它的硬件軟件兼容性好，應用靈活，擴展方便，開發資源多，但成本昂貴。

單板機一般是基于芯片或者核心板自主開發而成的，硬件成本低，軟件開發成本高，開發時間周期長，開發結果不可控，穩定性不高，可靠性不強，開發難度很高[5]。

根據應用實際，工業化流水線的大批量生產對于可靠性要求高，此次設計采取PLC。

3.3 無線通信模塊

無線通信模塊實現AGV小車與主控制柜之間的無線通信[6]。AGV將運行狀態等信息數據通過工業串口服務器定時傳遞給主控柜的無線通信模塊。主控柜收到數據后，通過無線通信模塊將控制指令發送給AGV小車。AGV小車根據指令進行操作。通信頻段采用5G，避開了工廠內其他設備的現有頻段，從而避免了無線信號之間的互相干擾。此次設計中采取了MOXA公司的NPort W2150A的串口服務器模塊。

3.4 操作面板

操作面板包括電源開關、啟動/停止按扭、手自動旋鈕開關、驅動上升/下降按鈕、升降銷上升/下降按鈕、復位按鈕蜂鳴器、急停按鈕、喇叭以及電量顯示計等。需要注意，所有部件不能突出AGV車體上表面。

4 結語

本系統實現了零部件配送的自動化與智能化，提升了效率，大大降低了人力成本，同時與工管MES系統緊密聯接，提升了車間層面的自動化與智能化水平。本系統穩定可靠，投入運行后未發生過故障，維護簡單，減輕了設備日常保全的工作強度。此外，系統操作簡單，無需復雜的操作培訓。