AGV自動(dòng)輸送物料的精定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李海珍

（單縣職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，山東菏澤274300）

0 引 言

AGV(Automated Guided Vehicle)最早出現(xiàn)在美國(guó)，是自動(dòng)導(dǎo)引小車的英文縮寫(xiě)，20世紀(jì)的80年代AGV小車在世界范圍內(nèi)的各行業(yè)已經(jīng)裝備了數(shù)萬(wàn)臺(tái)。AGV小車制造商主要分布在美國(guó)、德國(guó)、日本、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。我國(guó)有部分高校及科研院所從20世紀(jì)70年代開(kāi)始對(duì)AGV小車技術(shù)進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)，并將研究的成果應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)[1]。

我國(guó)AGV小車行業(yè)市場(chǎng)持續(xù)保持著迅猛增長(zhǎng)的趨勢(shì)，自AGV小車在國(guó)內(nèi)興起以來(lái)，其每年銷量一直保持在30%以上增長(zhǎng)，AGV小車在國(guó)內(nèi)制造業(yè)的生產(chǎn)線中大顯身手，不但可以準(zhǔn)確、高效、靈活地完成各種物料的搬運(yùn)工作任務(wù)，并且可由多臺(tái)AGV小車組成柔性的物流搬運(yùn)系統(tǒng)，AGV小車的搬運(yùn)路線可以隨著生產(chǎn)工藝流程的調(diào)整而及時(shí)調(diào)整，使一條生產(chǎn)線在不增加設(shè)備的情況下就能夠制造出幾種甚至幾十種產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)線的柔性和企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)，作為基礎(chǔ)搬運(yùn)工具，AGV小車的應(yīng)用深入到機(jī)械加工、家電生產(chǎn)、微電子制造、卷煙等多個(gè)行業(yè)，其中生產(chǎn)加工制造領(lǐng)域成為AGV小車應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域[3]。

隨著制造業(yè)的自動(dòng)化率不斷提高，工業(yè)機(jī)器人與AGV協(xié)同作業(yè)也越來(lái)越普遍。目前AGV小車的定位精度普遍不高，當(dāng)AGV行走路徑比較長(zhǎng)，其接近送料位置時(shí)，局限于定位方式，無(wú)法滿足來(lái)料后直接與高精度機(jī)器人配合抓料及其他工藝功能的實(shí)現(xiàn)，這就需要對(duì)AGV運(yùn)載的物料進(jìn)行二次精確定位以滿足自動(dòng)工位的生產(chǎn)。目前AGV定位主要有以下幾種方式：埋線電磁感應(yīng)引導(dǎo)，它是利用傳感器探測(cè)埋在地面下的固定導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)定位，但是電磁場(chǎng)感應(yīng)此種方式，容易受外界干擾，定位精度低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精定位的自動(dòng)化；基于激光測(cè)距測(cè)角的方法，需要在AGV行走的特定位置布置激光感應(yīng)裝置，利用激光傳感器確定自身的位置從而實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)定位，此種方式容易受外界光線干擾，維修調(diào)試保養(yǎng)難度大，人機(jī)協(xié)同性不理想；機(jī)器人視覺(jué)引導(dǎo)，利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行特征識(shí)別，從而確定AGV小車的位置，不過(guò)此種系統(tǒng)成本較高，不利于大規(guī)模運(yùn)用[4]。AGV自動(dòng)輸送零件的精定位系統(tǒng)就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提出的一種通用的庫(kù)位精定位系統(tǒng)。AGV自動(dòng)輸送零件的精定位系統(tǒng)利用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)AGV料車的精定位，定位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，該系統(tǒng)與AGV小車配合使用，可以大大提高運(yùn)輸效率，釋放了AGV小車的等待時(shí)間，提高了利用率且節(jié)省成本。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)的迅猛發(fā)展，自動(dòng)化工廠對(duì)生產(chǎn)線的產(chǎn)能要求不斷提高，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度要求也越來(lái)越高，朝著全自動(dòng)化無(wú)人工廠的方向發(fā)展[2]。在全自動(dòng)工位上料過(guò)程中，對(duì)機(jī)器人設(shè)定的程序?yàn)閺哪硞€(gè)固定的位置抓取工件，運(yùn)輸?shù)教囟ǖ奈恢眠M(jìn)行安裝及其他工藝，因此對(duì)于物流來(lái)料的位置精度有很高的要求，如果位置稍有偏離，就可能會(huì)影響機(jī)器人的工件抓取造成工件變形，更有甚者可能導(dǎo)致最終工件安裝位置的偏差，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以在自動(dòng)抓料之前必須對(duì)AGV小車運(yùn)來(lái)的工件料架進(jìn)行準(zhǔn)確定位，但如果采用人工干預(yù)定位，耗時(shí)長(zhǎng)且無(wú)法保證位置的統(tǒng)一性。AGV自動(dòng)輸送零件的精定位系統(tǒng)，在料架定位完成后，AGV小車可以離開(kāi)，進(jìn)行其他物料的運(yùn)輸。當(dāng)料架內(nèi)工件即將用完時(shí)，還可以及時(shí)給物流系統(tǒng)發(fā)送指令，讓AGV小車及時(shí)帶走空料車。

1.1 基本結(jié)構(gòu)

自動(dòng)輸送零件的精定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，定位系統(tǒng)主要包括庫(kù)位及料車。其中庫(kù)位本體包括定位平臺(tái)、設(shè)置在定位平臺(tái)上的三向定位基準(zhǔn)單元，如圖2所示。庫(kù)位還包括設(shè)置在安全圍欄上的兩個(gè)光電傳感器，其中一個(gè)感應(yīng)最后一個(gè)工件，當(dāng)最后一個(gè)工件被抓走時(shí)，感應(yīng)器信號(hào)消失，作為工位空料報(bào)警傳感器，另外一個(gè)感應(yīng)倒數(shù)某個(gè)工件（例如第5個(gè)），當(dāng)工件被抓走、信號(hào)消失，提醒系統(tǒng)零件快用完了，提醒傳感器換料；另外還在庫(kù)位前端設(shè)置來(lái)料零件種類傳感器，用來(lái)識(shí)別來(lái)料種類。料車底部設(shè)有腳輪、與AGV小車相連的脫鉤及與三向定位基準(zhǔn)單元相匹配的三向定位單元，另外料車上設(shè)有用于固定放置不同工件的定位裝置。

圖1 自動(dòng)輸送零件的精定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 庫(kù)位本體

1.2 工作原理

1）送料過(guò)程。當(dāng)AGV小車收到物流系統(tǒng)送料信號(hào)，運(yùn)送裝載好工件的料車沿著電磁或光學(xué)導(dǎo)引到達(dá)自動(dòng)輸送零件的精定位系統(tǒng)。

a.AGV小車帶料在自動(dòng)輸送零件的精定位系統(tǒng)安全光柵外等待，發(fā)送到達(dá)信號(hào)，庫(kù)位X向夾緊機(jī)構(gòu)打開(kāi)，此時(shí)庫(kù)位X向間距比AGV料車大40 mm，定位機(jī)構(gòu)與AGV料車有足夠大的間隙，同時(shí)連桿機(jī)構(gòu)前段帶有斜坡形成一個(gè)粗導(dǎo)向；與此同時(shí)，Z向頂升縮回，Z向距離AGV料車底部間隙30 mm，小車能夠自由進(jìn)入庫(kù)位。

b.當(dāng)AGV接收到入庫(kù)信號(hào)后，AGV小車帶著裝載好工件的料車沿著電磁或光學(xué)導(dǎo)引倒車入庫(kù)，料車接觸到Y(jié)向限位后，到位感應(yīng)器感應(yīng)到信號(hào)，AGV小車停止倒車，X向定位機(jī)構(gòu)對(duì)中夾緊，X向連桿有兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，一個(gè)沿著X方向，一個(gè)沿著Y方向，把料車推到Y(jié)向限位的同時(shí)矯正到庫(kù)位中間位置，隨后打開(kāi)X向定位機(jī)構(gòu)從而形成X向和Y向預(yù)定位。

c.收到X向定位機(jī)構(gòu)打開(kāi)信號(hào)，隨后Z向定位頂升氣缸工作，Z向連桿有兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，一個(gè)沿著Z方向，一個(gè)沿著Y方向，當(dāng)連桿限位塊與庫(kù)位限位塊接觸頂升氣缸頂升到位，Z向頂升氣缸檢測(cè)開(kāi)關(guān)到位，Z向舉升使裝好工件的料車車輪離開(kāi)地面，Y向限位的到位傳感器也感應(yīng)到料車，Y向、Z向同時(shí)完成定位。

d.X向定位機(jī)構(gòu)再次對(duì)中夾緊，X夾緊氣缸檢測(cè)開(kāi)關(guān)到位，完成對(duì)料車的夾緊定位，AGV小車與料車連接的脫鉤縮回，AGV小車與料車脫離，AGV小車離開(kāi)，完成送料工作。

2)空車返回過(guò)程。當(dāng)料車內(nèi)倒數(shù)某個(gè)工件被機(jī)器人抓走（例如第5個(gè)），感應(yīng)倒數(shù)第5個(gè)工件的換料提醒傳感器信號(hào)消失，PLC系統(tǒng)提醒AGV小車需要沿著電磁或光學(xué)導(dǎo)引到自動(dòng)輸送零件的精定位系統(tǒng)帶走空料車，如圖3所示。

圖3 空料車返回

a.AGV小車在零件精定位系統(tǒng)安全光柵外等待，當(dāng)取料結(jié)束后，接收到進(jìn)入庫(kù)位信號(hào)，AGV小車沿著導(dǎo)引倒車到庫(kù)位停止位。

b.X向定位機(jī)構(gòu)釋放，Z向定位機(jī)構(gòu)釋放，工件料車在重力作用下放置在AGV小車上方。

c. 檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)X打開(kāi)氣缸檢測(cè)開(kāi)關(guān)到位，Z向縮回氣缸檢測(cè)開(kāi)關(guān)到位，說(shuō)明釋放料架過(guò)程結(jié)束，AGV小車與料車連接的脫鉤升起，AGV小車與料車連接，AGV小車帶著空料車離開(kāi)，完成空料返回工作。

2 主要裝置的設(shè)計(jì)

2.1 Z向定位機(jī)構(gòu)

料車總質(zhì)量約400 kg，選用SMC品牌CP96SDD63-125氣缸（如圖4），此系列雙作用氣缸具有空氣和減震器緩沖功能，可以通過(guò)空氣和減震器緩沖減少氣墊行程長(zhǎng)度，縮短周期和減少行程末端的噪聲，缸體四面均帶凹槽，易于安裝活塞位置傳感器，傳感器可從型面任一端輕松滑入到位,缸徑為φ63 mm，行程為125 mm，0.5 MPa氣壓下氣缸的拉力為1519 N，根據(jù)杠桿原理，此時(shí)氣缸拉升的力臂是物體下壓力臂的4倍，作用在提升接觸面的頂升力為6566 N。頂升軸承導(dǎo)輪開(kāi)始接觸料車底部后（如圖5），氣缸開(kāi)始工作。當(dāng)頂升到最高點(diǎn)時(shí)，由于壓力的力臂較短，此時(shí)頂升力接近最大值，當(dāng)頂升到過(guò)最高點(diǎn)后，由于右邊有死擋擋住，料架的重力全部壓在機(jī)械機(jī)構(gòu)上，氣缸反而沒(méi)有受到多少的拉力，主要力量作用在了X向的定位上，大大保護(hù)了氣缸。Z向舉升機(jī)構(gòu)上設(shè)置了軸承導(dǎo)輪（如圖6），當(dāng)軸承導(dǎo)輪開(kāi)始接觸料車底部，Z向頂升連桿機(jī)構(gòu)舉升時(shí)有沿Y向的位移，防止了Y向移動(dòng)對(duì)物料產(chǎn)生的摩擦。

同時(shí)在連桿的頂端設(shè)置連桿限位（如圖4），限位與連桿之間預(yù)留墊片，通過(guò)調(diào)整墊片來(lái)調(diào)整連桿庫(kù)位限位的位置來(lái)調(diào)節(jié)杠桿角度，以此實(shí)現(xiàn)Z向高度的微調(diào)。

圖4 Z向定位氣缸

圖5 Z向定位機(jī)構(gòu)

圖6 Z向定位機(jī)構(gòu)軸承導(dǎo)輪

受力分析如下：當(dāng)升降機(jī)構(gòu)接觸料車底部時(shí)機(jī)構(gòu)和氣缸受力最大，所需要克服料車重力也是最大的，此時(shí)提升力的力臂長(zhǎng)度a2=20 mm，氣缸的拉力力臂a1=90 mm，受力分析如圖7所示。

在0.5 MPa氣壓狀態(tài)下，φ63 mm缸徑氣缸的拉力F=πr2Pg=3.14×31.53×31.53×0.5×9.8=15 296 N。根據(jù)杠桿原理Fa1=F提升a2,得出F提升=68 832 N。

2.2 X向定位機(jī)構(gòu)

X向連桿機(jī)構(gòu)（如圖8）打開(kāi)時(shí)，同時(shí)兼做料車導(dǎo)向又可以方便AGV小車進(jìn)出，夾緊時(shí)，沿XY兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，定位物料X方向的同時(shí)還可以輔助定位Y方向。

圖7 受力分析

圖8 X向定位機(jī)構(gòu)

2.3 Y向定位機(jī)構(gòu)

Y向定位機(jī)構(gòu)如圖9所示，當(dāng)AGV小車帶料進(jìn)入庫(kù)位，先接觸緩沖器2，以減少碰撞，AGV小車?yán)^續(xù)倒車，接觸Y向限位2，電感式傳感器3接觸到信號(hào)，Y向定位完成。

2.4 工件料車

AGV工件料車如圖10所示，在工件定位功能擴(kuò)展區(qū)安裝不同工件的定位單元可以實(shí)現(xiàn)料車的一車多用，滿足多種工件共用料車。在料車的底部設(shè)置X、Y、Z三個(gè)方向的限位，限位與料車本體之間預(yù)留5 mm墊片，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)料車X、Y、Z三個(gè)方向的精度調(diào)整。料車底部設(shè)置AGV小車脫鉤，脫鉤采用浮動(dòng)式設(shè)計(jì)，增加了連接過(guò)程的可靠性。

圖9 Y向定位機(jī)構(gòu)

圖10 工件料車

2.5 安全系統(tǒng)

在現(xiàn)代化的工廠里，處處存在人機(jī)協(xié)同工作，在一些比較危險(xiǎn)的機(jī)械設(shè)備上，如金屬切削設(shè)備、沖壓設(shè)備、剪切設(shè)備、自動(dòng)化裝配線、自動(dòng)化焊接線、機(jī)械傳送設(shè)備，容易造成操作人員的傷害。目前主要解決措施是安裝接觸式安全防護(hù)門(mén)，但是此種方式需要操作人員頻繁地開(kāi)關(guān)防護(hù)門(mén)，因此不但增加了操作人員的工作量，又降低了生產(chǎn)的效率。該系統(tǒng)采用光柵，在操作人員工作時(shí)，只要有身體的任何一部分遮斷光線，就會(huì)導(dǎo)致本區(qū)域設(shè)備進(jìn)入安全急停狀態(tài)，從而不會(huì)給操作人員帶來(lái)傷害。

自動(dòng)輸送零件的精定位系統(tǒng)的安全系統(tǒng)由兩側(cè)安全圍欄防護(hù)（如圖1），前部上料口安置豎直安全光柵和水平安全光柵。在工位運(yùn)行時(shí)，若操作工伸手或者進(jìn)入自動(dòng)工位必定觸發(fā)豎直安全光柵，工位系統(tǒng)報(bào)警停止工位運(yùn)行保護(hù)操作工。水平安全光柵防止上料口有操作工未離開(kāi)，員工誤操作復(fù)位引起設(shè)備運(yùn)行造成誤傷。

3 主要優(yōu)點(diǎn)

1)通過(guò)庫(kù)位上的三向定位基準(zhǔn)單元和料車上的三向定位單元，可以精確地將料車定位，定位精度提高到±1 mm，提高了機(jī)器人在取件時(shí)的作業(yè)精度，降低因工件定位不準(zhǔn)引起的故障率；2)同一庫(kù)位，料車上部設(shè)置不同零件的定位機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)多車種工作，減少了料車的種類；3）大大減少人力勞動(dòng)，并提高人的安全性和作業(yè)效率；4）在物料即將使用完時(shí)，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)判，當(dāng)物料用完時(shí)報(bào)警，提高AGV小車的利用率；5)使用連桿機(jī)構(gòu)，減輕了氣缸負(fù)載，延長(zhǎng)了使用壽命。

4 結(jié) 語(yǔ)

在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，現(xiàn)代物流已應(yīng)用于世界各國(guó)的各個(gè)領(lǐng)域，自動(dòng)化物流系統(tǒng)已成為現(xiàn)代化工廠不可缺少的重要組成部分。隨著我國(guó)汽車制造業(yè)的發(fā)展，行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，如何降低制造成本，如何推出更多的新款車型甚至是定制車型是每個(gè)汽車制造商都必須面對(duì)的問(wèn)題。然而物流成本就是降低生產(chǎn)管理成本的最有效方法，該定位系統(tǒng)利用機(jī)械定位料車，實(shí)現(xiàn)一車多用，減少了AGV小車的空閑等待時(shí)間，無(wú)需人工操作，能實(shí)現(xiàn)與AGV小車配合自動(dòng)化上料，并能實(shí)現(xiàn)空料提前報(bào)警。與現(xiàn)有的定位方式相比，該定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、節(jié)約人力，AGV小車配合自動(dòng)輸送零件的精定位系統(tǒng)更是實(shí)現(xiàn)柔性制造和柔性裝配的最佳運(yùn)輸工具，具有良好的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。