AGV物流系統(tǒng)在注塑車間應(yīng)用實(shí)踐

付紅素 杜金丹

北京隆軒橡塑有限公司 北京 100092

0 引言

在工業(yè)4.0和中國制造2025國家戰(zhàn)略發(fā)展趨勢下，機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于企業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型的各個(gè)領(lǐng)域。作為機(jī)器人的一個(gè)重要分支，移動(dòng)機(jī)器人強(qiáng)調(diào)移動(dòng)的特性，是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和本身狀態(tài)實(shí)現(xiàn)在有障礙物環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成一定作業(yè)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。相對于固定式機(jī)器人，移動(dòng)機(jī)器人以其可自由移動(dòng)的特性而應(yīng)用場景更廣泛，潛在功能更強(qiáng)大。移動(dòng)機(jī)器人泛指具有移動(dòng)功能的機(jī)器人，主要采用人類制造的移動(dòng)車輛結(jié)構(gòu)或模擬人類/動(dòng)物的移動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能，可有效擴(kuò)大機(jī)器人的工作范圍和活動(dòng)空間，使機(jī)器人能夠移動(dòng)到固定式機(jī)器人無法到達(dá)的空間位置，完成要求的操作任務(wù)。

AGV以電池為動(dòng)力，裝備有電磁或光學(xué)等非接觸自動(dòng)導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，是具有安全保護(hù)以及各種移載功能的無人駕駛運(yùn)輸車。車體在軟件系統(tǒng)的控制下按導(dǎo)航規(guī)劃路徑和任務(wù)要求，精確地運(yùn)行到在指定任務(wù)站點(diǎn)，完成一系列動(dòng)作任務(wù)。通過與生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES、倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)WMS等工業(yè)軟件通訊，AGV可實(shí)現(xiàn)倉儲(chǔ)的自動(dòng)化搬運(yùn)管理，貨位柔性動(dòng)態(tài)分配；通過與自動(dòng)化設(shè)備PLC信號(hào)交互，AGV可實(shí)現(xiàn)工位間物料的自動(dòng)配送管理，由人到貨變?yōu)樨浀饺说墓ぷ髁魈岣吡斯ぷ餍?，降低了勞?dòng)強(qiáng)度。在工業(yè)4.0背景下，生產(chǎn)企業(yè)通過引進(jìn)AGV物流系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)人工分揀、人工搬運(yùn)模式，有效地實(shí)現(xiàn)了物流自動(dòng)化。

傳統(tǒng)制造型企業(yè)通過引進(jìn)AGV物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車間各工位間物到人、點(diǎn)到點(diǎn)的自動(dòng)物流配送方式，以提高車間物流效率和智能化水平。項(xiàng)目引進(jìn)過程應(yīng)在既有生產(chǎn)環(huán)境和工藝流程基礎(chǔ)上優(yōu)化工藝路徑和物料流，具體實(shí)施路徑覆蓋生產(chǎn)過程評估、生產(chǎn)流程再造、AGV選型及技術(shù)參數(shù)符合性評估、自動(dòng)化設(shè)備和專用載具設(shè)計(jì)開發(fā)、設(shè)備間互聯(lián)互通、供方管理和采購過程管理等。

1 生產(chǎn)過程評估

生產(chǎn)過程評估包括梳理生產(chǎn)流程、現(xiàn)有物流周轉(zhuǎn)方式、工作環(huán)境和既有設(shè)備評估。注塑車間生產(chǎn)流程為原材料供料→干燥→注塑→出模/裝箱→集中/后處理→檢測→包裝→入庫；物料流在注塑工位、集中處理工位、檢測室、后處理工位和庫房各車間生產(chǎn)區(qū)域流轉(zhuǎn)。其中，注塑工位到集中/后處理工位、各工位到檢測室、后處理工位到庫房的產(chǎn)品流和物料流均由人工完成。周轉(zhuǎn)用推車可容納每班次工序產(chǎn)品，周轉(zhuǎn)節(jié)拍為12 h/次。

項(xiàng)目啟動(dòng)階段充分收集溫度、濕度、地面平整度、坡度、臺(tái)階落差、地面縫隙區(qū)和水污、油污區(qū)域等環(huán)境信息；核實(shí)設(shè)備型號(hào)、尺寸和外部設(shè)備通訊協(xié)議，編制車間設(shè)備布局圖，確認(rèn)AGV工作空間。注塑生產(chǎn)過程流程圖如圖1所示。

圖1 注塑車間生產(chǎn)流程圖

2 生產(chǎn)流程再造

生產(chǎn)流程再造包括評估自動(dòng)物流配送的點(diǎn)位和路徑、優(yōu)化物流路徑、定義AGV工作流程、測算生產(chǎn)節(jié)拍和物流節(jié)拍。移動(dòng)機(jī)器人自主移動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)需要解決3個(gè)關(guān)鍵問題：確定當(dāng)前位置、確定目的地、實(shí)現(xiàn)流程。確定當(dāng)前位置是確定機(jī)器人在環(huán)境中的位置，通常是在所給定環(huán)境地圖的坐標(biāo)系中確定機(jī)器人的位置，即定位問題；確定目的地是目標(biāo)規(guī)劃問題，與任務(wù)相關(guān)；實(shí)現(xiàn)流程則需尋找從機(jī)器人當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的移動(dòng)規(guī)劃和控制，即導(dǎo)航規(guī)劃。

這三者需要統(tǒng)一在環(huán)境地圖坐標(biāo)系中進(jìn)行描述，涉及地圖表示與構(gòu)建問題。如果在環(huán)境中設(shè)置人工標(biāo)識(shí)，地圖構(gòu)建和定位問題可大大簡化，但一般應(yīng)用環(huán)境中難以設(shè)置人工標(biāo)識(shí)，且存在物體移動(dòng)、光照/季節(jié)/氣候等動(dòng)態(tài)變化，使這2個(gè)問題成為約束機(jī)器人在一般環(huán)境中可靠魯棒移動(dòng)的瓶頸問題。

按照車間布局和物流路徑，AGV小車取代人工搬運(yùn)任務(wù)，執(zhí)行工序間半成品搬運(yùn)任務(wù)。AGV取放料點(diǎn)位于注塑工位、集中處理工位、后處理工位、檢測室和庫房。工作流程包括半成品由上工序到下工序的周轉(zhuǎn)（5-6、8-9、12-13）、載具（車/箱）回流運(yùn)輸（6-5、9-8）、抽檢件送檢和返回（6-7、7-6）。AGV執(zhí)行搬運(yùn)任務(wù)的生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖2 改造后注塑車間生產(chǎn)流程圖

AGV小車路徑規(guī)劃任務(wù)起點(diǎn)設(shè)在待機(jī)位（充電位置），目標(biāo)點(diǎn)定位在設(shè)備周邊取放料點(diǎn)。設(shè)計(jì)運(yùn)行線路時(shí)充分考慮路徑距離、轉(zhuǎn)彎位置、轉(zhuǎn)彎空間、目標(biāo)點(diǎn)工作空間。對接設(shè)備位置決定AGV走行路徑和運(yùn)行節(jié)拍，不同取料點(diǎn)的規(guī)劃路徑對比如圖3所示。圖中的紅色線為AGV的運(yùn)行線路，AGV在產(chǎn)線外的主通道采用單線路運(yùn)行，AGV轉(zhuǎn)彎運(yùn)行時(shí)根據(jù)場地空間可采用90o原地旋轉(zhuǎn)或走圓弧旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)彎速度降低影響運(yùn)行節(jié)拍時(shí)間，規(guī)劃運(yùn)行線路時(shí)應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)彎次數(shù)。

圖3 AGV導(dǎo)航規(guī)劃路徑對比

產(chǎn)品注塑周期時(shí)間和載具容量決定著AGV任務(wù)節(jié)拍，如某產(chǎn)品注塑周期時(shí)間為25 s，載具容量120件，取料任務(wù)呼叫AGV時(shí)間間隔為50 min?？紤]到載具的自動(dòng)回流，送載具任務(wù)呼叫AGV時(shí)間間隔為50 min，綜合計(jì)算得出注塑工位AGV任務(wù)節(jié)拍時(shí)間為25 min/次。AGV選型時(shí)確認(rèn)AGV運(yùn)行節(jié)拍時(shí)間加上充電時(shí)間應(yīng)低于任務(wù)節(jié)拍時(shí)間。

3 AGV選型及各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)符合性評估

AGV硬件結(jié)構(gòu)選型取決于工作環(huán)境和運(yùn)輸貨物類型，AGV選型按引導(dǎo)方式可選擇有/無人工標(biāo)識(shí)方式，其中無人工標(biāo)識(shí)方式有激光和視覺導(dǎo)引方式；按驅(qū)動(dòng)方式可選擇單輪驅(qū)動(dòng)、差速驅(qū)動(dòng)和全方位驅(qū)動(dòng)方式；按移載方式可選擇叉車式、滾道式、牽引式、揀選式或機(jī)器人式。在工廠里使用的AGV為了實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)并確?？煽啃?，常采用在作業(yè)環(huán)境中部署磁釘、磁條、二維碼、激光反射板等人工標(biāo)識(shí)方法。在無法進(jìn)行人工標(biāo)識(shí)的場景，可選用無需安裝反光板即可實(shí)現(xiàn)激光導(dǎo)航AGV定位的無反光板激光自主導(dǎo)航技術(shù)。

在評估車體性能時(shí)，需要對比基本參數(shù)、運(yùn)動(dòng)性能、安全防護(hù)、電池性能等關(guān)鍵指標(biāo)，確認(rèn)軟件控制系統(tǒng)功能包括工作流程、系統(tǒng)架構(gòu)、人機(jī)交互方式、接口程序通信方式、是否支持遠(yuǎn)程遙控等，評估安全系統(tǒng)防護(hù)措施、避障傳感器類型、最大檢測范圍和急停按鈕喇叭指示燈配置等。

本項(xiàng)目引進(jìn)AGV小車主要應(yīng)用于工序間半成品周轉(zhuǎn)運(yùn)輸。由于產(chǎn)品尺寸?。ㄖ睆叫∮?00 mm），負(fù)載輕（單次運(yùn)輸質(zhì)量小于50 kg），節(jié)拍時(shí)間短，工作環(huán)境復(fù)雜和對接自動(dòng)化設(shè)備多，綜合評估后選用雙層滾筒式無反射板激光導(dǎo)航AGV。主要技術(shù)參數(shù)有：自重為250 kg，額定負(fù)載為100 kg，底盤距地間隙為30 mm，額定運(yùn)行速度為1.5 m/s（空載），旋轉(zhuǎn)直徑為800 mm，可原地旋轉(zhuǎn)/弧線轉(zhuǎn)彎，爬坡能力為8%/5%（空/滿載），定位角度精度為±2°，導(dǎo)引定位精度為±10 mm，停止角度精度為±2°，停止位置精度為±10 mm，雙向行駛，差速驅(qū)動(dòng)方式，越障能力為5 mm，過縫能力為10 mm，額定輸送速度為0.3～0.5 m/s，電池類型磷酸鐵鋰電池，電池容量為30 Ah，充電循環(huán)次數(shù)＞2 000 次，額定工況下工作時(shí)間＞6 h，完全放電后充電時(shí)長＜1 h。

載具選用定制的方形周轉(zhuǎn)箱，AGV工作面尺寸可兼容各型號(hào)周轉(zhuǎn)箱，上下層高度與自動(dòng)化輸送滾筒線一致。為滿足停車定位精度±5 mm的要求，取送料站點(diǎn)位置采用二維碼和視覺導(dǎo)航定位方式。車間工作環(huán)境應(yīng)用場景復(fù)雜，存在運(yùn)行方向與叉車、立體空間與天車交叉的情況，避障采用前后側(cè)兩端0o～270°掃描測距（0～3 m可調(diào)）激光傳感器、行徑方向頂部安裝激光立體防護(hù)傳感器、前后側(cè)碰撞條等。AGV小車效果圖如圖4所示。

圖4 AGV小車效果圖

4 自動(dòng)化設(shè)備及載具設(shè)計(jì)開發(fā)、設(shè)備間互聯(lián)互通

在項(xiàng)目策劃階段應(yīng)提前驗(yàn)證與自動(dòng)化設(shè)備對接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和專用載具樣式，并確認(rèn)與自動(dòng)化設(shè)備信號(hào)通訊方式。專用載具為自動(dòng)化設(shè)備和AGV小車共用裝備，外形尺寸和尺寸偏差限制應(yīng)用設(shè)備的機(jī)構(gòu)尺寸、精度和定位方式。通常載具設(shè)計(jì)工作包優(yōu)先AGV小車設(shè)計(jì)工作包完成。

AGV根據(jù)定位點(diǎn)執(zhí)行動(dòng)作不同，采用不同機(jī)械機(jī)構(gòu)。定位點(diǎn)處對接方式?jīng)Q定AGV移載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和信號(hào)通信方式。本項(xiàng)目對接機(jī)構(gòu)采用雙層滾筒線，上層輸送空載周轉(zhuǎn)箱，下層傳出滿載周轉(zhuǎn)箱。進(jìn)/出料口設(shè)計(jì)為V形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，出口和入口的有效寬度可調(diào)整，便于兼容不同尺寸料箱。AGV輸送線的進(jìn)/出料口的兩側(cè)配置料箱到位傳感器，用于檢測料箱在AGV上的狀態(tài)。輸送線末端配置一組到位傳感器，用于到位停止檢測。同時(shí)，上下兩側(cè)端部安裝機(jī)械式的停止擋塊，作為傳感器失效時(shí)的保護(hù)裝置。

AGV的上位機(jī)與自動(dòng)化產(chǎn)線設(shè)備PLC采用以太網(wǎng)通訊的信號(hào)交互方式，通訊方式主要采用OPC-UA通信協(xié)議。各工位自動(dòng)化設(shè)備PLC發(fā)送狀態(tài)指令，AGV上位機(jī)系統(tǒng)接受指令后調(diào)度小車執(zhí)行取/送料任務(wù)。自動(dòng)化設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 自動(dòng)化設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)圖

5 供方管理和采購過程管理

供方管理過程涉及供方開發(fā)、能力評估、供方選擇、項(xiàng)目過程管理和業(yè)績評價(jià)等過程，項(xiàng)目策劃階段通過展會(huì)、用戶單位和行業(yè)專家推薦等方式收集AGV相關(guān)品牌和廠家信息。根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)，選擇與注塑行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的AGV品牌商進(jìn)行技術(shù)溝通，通過技術(shù)參數(shù)比對、模擬運(yùn)行場景、客戶口碑及行業(yè)影響力等方面充分評估供方的設(shè)計(jì)、施工、售后和項(xiàng)目管理能力水平，做到優(yōu)選供方。供方技術(shù)能力是項(xiàng)目成功交付的關(guān)鍵因素，采購人員應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行采購流程，避免和防范招標(biāo)管理風(fēng)險(xiǎn)。合同或技術(shù)協(xié)議作為采購過程的重要文檔，明確交付物內(nèi)容、規(guī)格參數(shù)、交付要求、售后服務(wù)內(nèi)容、履約責(zé)任、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等信息，必要時(shí)公司法務(wù)可參與合同協(xié)商、評審和簽訂等過程。

AGV項(xiàng)目實(shí)施過程與自動(dòng)化設(shè)備開發(fā)同步進(jìn)行時(shí)，三方應(yīng)聯(lián)合評審對接機(jī)構(gòu)、動(dòng)作流程、信號(hào)通訊協(xié)議等內(nèi)容，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一致。

6 結(jié)語

傳統(tǒng)制造企業(yè)引入新技術(shù)新裝備過程務(wù)必立足于自身產(chǎn)品制造工藝特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)和待優(yōu)化項(xiàng)目，做好項(xiàng)目策劃和設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作，逐項(xiàng)解決，避免項(xiàng)目失敗風(fēng)險(xiǎn)。AGV物流系統(tǒng)和自動(dòng)化設(shè)備項(xiàng)目同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)調(diào)試和同時(shí)驗(yàn)收投入使用，可避免智能工廠改造升級過程中重復(fù)設(shè)計(jì)和設(shè)備參數(shù)不匹配等方面的風(fēng)險(xiǎn)。通過嚴(yán)格執(zhí)行項(xiàng)目實(shí)施路徑和控制項(xiàng)目管理過程，注塑車間引入AGV物流系統(tǒng)已成功落地運(yùn)行，穩(wěn)定應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場。該項(xiàng)目的引進(jìn)實(shí)現(xiàn)了各工位間點(diǎn)到點(diǎn)和貨到人的自動(dòng)物流配送，提高工廠自動(dòng)化水平，為智能工廠自動(dòng)化整體布局提供了有力的技術(shù)支持。