基于智能AGV的汽車焊裝系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用測(cè)試

董雷 李海南 李想 秦健 張學(xué)成

一汽模具制造有限公司 吉林省長(zhǎng)春市 130000

1 引言

AGV技術(shù)的全稱為自動(dòng)引導(dǎo)車技術(shù)，其核心原理在于使用光學(xué)或者電磁學(xué)的物理特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)的行駛路線進(jìn)行規(guī)劃，采取電磁引導(dǎo)裝置或者光學(xué)引導(dǎo)裝置對(duì)由計(jì)算機(jī)控制、車輪為移動(dòng)方式的運(yùn)輸工具進(jìn)行路徑規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的目的。這樣的AGV技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)的方方面面，能夠有效降低人力成本，提高工作效率。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科技的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的工廠希望實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化操作，同時(shí)由于經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人工的成本也在逐年增高，對(duì)于汽車生產(chǎn)工廠而言，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車生產(chǎn)與焊裝的自動(dòng)化，對(duì)于整個(gè)工廠的經(jīng)濟(jì)效益提升、整個(gè)工廠和諸多產(chǎn)線生產(chǎn)效率的提高都有著極大的幫助，因此，在這樣的經(jīng)濟(jì)與科技背景下，AGV技術(shù)能夠很好地應(yīng)用于當(dāng)前我國(guó)汽車焊裝工廠的生產(chǎn)流程中。目前AGV技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)的多家汽車生產(chǎn)廠家，例如一汽紅旗、上汽大眾等汽車生產(chǎn)工廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了AGV全自動(dòng)物流搬運(yùn)與運(yùn)輸，對(duì)于整個(gè)工廠效率的提高起重要的作用。AGV技術(shù)打破了傳統(tǒng)汽車柔性焊裝行業(yè)的局限性思路，使汽車柔性焊裝相關(guān)的生產(chǎn)工藝與工作流程逐漸向著自動(dòng)化、柔性化、智能化的方向邁進(jìn)，加入AGV技術(shù)的汽車柔性焊裝生產(chǎn)線，不僅可以適用于多種汽車車型，同時(shí)可以根據(jù)不同的汽車特點(diǎn)與工藝要求進(jìn)行多樣搭配，極大提高該廠產(chǎn)線的生產(chǎn)能力與生產(chǎn)效率，可謂是一舉多得。

2 常見(jiàn)AGV的種類及特點(diǎn)

2.1 根據(jù)導(dǎo)航方式對(duì)AGV進(jìn)行分類

a.磁性導(dǎo)航方式

AGV的磁性導(dǎo)航方式主要是以磁力作為AGV的行駛引導(dǎo)力，AGV在行駛過(guò)程中，通過(guò)受場(chǎng)地上預(yù)先埋設(shè)好的多根磁條與磁釘進(jìn)行行駛的定位與引導(dǎo)。磁性導(dǎo)航方式對(duì)于AGV而言，實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)成本較低、技術(shù)水平較低，易于操作與推廣；而缺點(diǎn)在于磁性效果容易收到其他因素的干擾和影響，同時(shí)磁條與磁釘容易受到損傷，壽命較短。

b.慣性導(dǎo)航方式

AGV的慣性導(dǎo)航方式主要使用的設(shè)備是陀螺儀，實(shí)際行駛過(guò)程中，AGV上的陀螺儀通過(guò)識(shí)別預(yù)先在工作場(chǎng)地上設(shè)定好的定位塊，進(jìn)行AGV行駛的方向定位與路程規(guī)劃，在計(jì)算機(jī)的引導(dǎo)下采集相應(yīng)的位置信號(hào)并進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的導(dǎo)航與路徑規(guī)劃效果。慣性導(dǎo)航方式是一種高精度的AGV導(dǎo)航方式，而對(duì)于部分企業(yè)而言陀螺儀價(jià)格過(guò)高，因此難以廣泛推廣。

c.光學(xué)導(dǎo)航方式。

AGV的光學(xué)導(dǎo)航方式主要使用的技術(shù)是計(jì)算機(jī)的視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)安裝在AGV上的光學(xué)攝像機(jī)對(duì)場(chǎng)地上實(shí)現(xiàn)安裝好的色帶圖像進(jìn)行識(shí)別與處理，并且獲取相應(yīng)的導(dǎo)航位置信息，根據(jù)獲取的信息進(jìn)行下一步行駛的定位操作，最終實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)航與定位工作。光學(xué)導(dǎo)航方式對(duì)于AGV而言是一種良好的導(dǎo)航方式，因?yàn)楣鈱W(xué)導(dǎo)航的成本較低，且路線導(dǎo)航與規(guī)劃的靈活性極高，且非常容易操作，而美中不足之處在于色帶需要經(jīng)常維護(hù)更換，因此光學(xué)導(dǎo)航方式更適合于室內(nèi)的AGV導(dǎo)航操作。

2.2 根據(jù)移動(dòng)方式對(duì)AGV進(jìn)行分類

AGV主要是以輪式移動(dòng)為主，但AGV的移動(dòng)方式有多種，適應(yīng)于不同的生產(chǎn)環(huán)境與工況，其中主要分為承載式AGV和牽引式AGV，其主要的區(qū)別在于牽引式AGV主要用于物流的運(yùn)輸，通過(guò)對(duì)承載物品的容器進(jìn)行拖掛，帶動(dòng)其行駛；而承載式AGV主要承載一些大型設(shè)備的零部件，同時(shí)承載式AGV能夠有效地保證傳送的精度與穩(wěn)定性，因此較適合于汽車的柔性焊裝系統(tǒng)。

3 AGV技術(shù)在汽車柔性焊裝工藝中的應(yīng)用

3.1 AGV助力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化柔性焊裝工廠

傳統(tǒng)汽車柔性焊裝工藝生產(chǎn)線主要使用人工進(jìn)行物料的搬運(yùn)工作，尤其對(duì)于一些貴重的零部件更加需要人工進(jìn)行搬運(yùn)，一些大型的設(shè)備與零部件則采用人工駕駛拖車、叉車的方式進(jìn)行物料的運(yùn)輸，這樣的方式不僅效率低下，且人工成本巨大，使用上述的物料搬運(yùn)方式無(wú)法為汽車生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益；目前我國(guó)部分汽車柔性焊裝產(chǎn)線使用了AGV技術(shù)對(duì)相關(guān)的物料進(jìn)行運(yùn)輸操作，不但可以改變物流運(yùn)送的模式，提高工作的效率，降低經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)自動(dòng)化的產(chǎn)線可以減少人工的參與，極大提高了生產(chǎn)車間的安全指數(shù)，對(duì)于員工的安全具有重大的保障。

AGV主要分為牽引式AGV與承載式AGV。對(duì)于精度要求不高的場(chǎng)合使用牽引式AGV，牽引式AGV適用于更多的生產(chǎn)場(chǎng)合與工作背景；而對(duì)于精度要求較高的場(chǎng)合，對(duì)于汽車焊接工藝而言，精度要求較高的下料口以及自動(dòng)區(qū)域應(yīng)使用承載式AGV，一汽紅旗焊裝普遍應(yīng)用承載式AGV。

3.2 AGV與柔性焊裝機(jī)器人相互銜接，保證安裝精度

AGV在自身行走過(guò)程中通過(guò)磁力導(dǎo)航方式、光學(xué)導(dǎo)航方式等進(jìn)行導(dǎo)航，導(dǎo)航的定位精為±3-5mm，而柔性焊接系統(tǒng)的精度要求為±0.1mm。因此要保證AGV在工作行駛過(guò)程中的定位精度，才能保證在柔性焊裝過(guò)程中的精度，因此如何將汽車的柔性焊裝操作機(jī)器人與運(yùn)送柔性焊裝系統(tǒng)所需重要零部件的AGV進(jìn)行良好地銜接，是智能化汽車柔性焊裝系統(tǒng)所必須考慮的問(wèn)題。針對(duì)上述的問(wèn)題，采取以下兩種解決的方案。

（1）在AGV送料車的多種導(dǎo)航方式基礎(chǔ)之上，采取運(yùn)送到位之后的X、Y、Z三個(gè)方向上的定位，確保其精確程度。對(duì)于各個(gè)方向的定位工作，可以采用不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位工作的實(shí)現(xiàn)與定位精度的把握。

（2）為柔性焊裝機(jī)器人安裝攝像頭，采取計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)智能識(shí)別引導(dǎo)柔性焊裝機(jī)器人的機(jī)械臂與機(jī)械手進(jìn)行物料的拾取操作，結(jié)合上述AGV的三自由度定位工作，能夠進(jìn)一步保證物料的精準(zhǔn)識(shí)別與獲取，進(jìn)一步保證汽車的柔性焊裝系統(tǒng)工作的精確性和穩(wěn)定性。

3.3 AGV在汽車車身焊裝調(diào)整線上的應(yīng)用

對(duì)于傳統(tǒng)的汽車柔性焊裝系統(tǒng)而言，調(diào)整線的輸送形式主要采用固定滾床的輸送方式對(duì)相應(yīng)的物料進(jìn)行運(yùn)輸操作，而這樣的固定運(yùn)送裝置無(wú)法適應(yīng)多種汽車車型變化的情況，無(wú)法靈活地進(jìn)行調(diào)整線長(zhǎng)度上的調(diào)整，自然無(wú)法適應(yīng)多種多樣的汽車產(chǎn)品在調(diào)整線上的工作，因此對(duì)于現(xiàn)代化、智能化的汽車柔性焊裝系統(tǒng)而言，應(yīng)該采取新型的調(diào)整線設(shè)備與技術(shù)，避免傳統(tǒng)調(diào)整線上設(shè)備固定、無(wú)法靈活調(diào)整的情況出現(xiàn)而影響整體生產(chǎn)的柔性生產(chǎn)。

對(duì)于新型的汽車柔性焊裝系統(tǒng)而言，可以采用智能化的AGV技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定滾床來(lái)進(jìn)行物料的輸送工作，不僅可以滿足相應(yīng)的工作要求，同時(shí)可以極大提升應(yīng)用AGV技術(shù)的調(diào)整線的整個(gè)生產(chǎn)彈性與靈活度，針對(duì)不同的汽車車型與工作要求能夠更加廣泛地適用。

3.4 AGV能夠自適應(yīng)生產(chǎn)流程與生產(chǎn)車型

傳統(tǒng)的汽車焊裝生產(chǎn)線通常為線性生產(chǎn)線，生產(chǎn)布局形式較為單一，且生產(chǎn)線所使用與安裝的工藝設(shè)備只能適用于一種車型，設(shè)備更換時(shí)間長(zhǎng)，且嚴(yán)重耽誤生產(chǎn)的時(shí)間與進(jìn)度，因此當(dāng)面對(duì)多種車型進(jìn)行混合生產(chǎn)的時(shí)候，傳統(tǒng)生產(chǎn)線就會(huì)出現(xiàn)力不從心的情況，這樣的情況會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線上部分設(shè)備超負(fù)荷工作，而部分設(shè)備卻鮮有使用，造成了設(shè)備的嚴(yán)重浪費(fèi)與工藝分配的不平衡，更為嚴(yán)重的情況可能出現(xiàn)無(wú)法對(duì)相應(yīng)的車型進(jìn)行實(shí)際的焊裝操作，嚴(yán)重影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

將AGV應(yīng)用于汽車的柔性焊裝生產(chǎn)工藝當(dāng)中可以有效地解決傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式下，由于汽車多車型混合生產(chǎn)所造成的設(shè)備使用不平衡、生產(chǎn)時(shí)間與設(shè)備資源嚴(yán)重浪費(fèi)的問(wèn)題。由于AGV具有高靈活性、易于控制的特點(diǎn)，因此對(duì)于傳統(tǒng)的汽車柔性焊裝生產(chǎn)線，將輸送方式及設(shè)備使用進(jìn)行分類，形成模塊化的生產(chǎn)線，根據(jù)相應(yīng)的模塊形成對(duì)應(yīng)的工作站，例如滾邊模塊、下部焊接模塊、主線焊接模塊、激光焊接模塊等，由高自由度與靈活度的AGV設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滾床、傳送帶等運(yùn)輸設(shè)備，對(duì)相應(yīng)的生產(chǎn)模塊進(jìn)行物料的運(yùn)輸與配送工作，同時(shí)將AGV設(shè)備與中控計(jì)算機(jī)組進(jìn)行通信連接，由中控計(jì)算機(jī)組進(jìn)行當(dāng)前生產(chǎn)車型的識(shí)別與核對(duì)，將相應(yīng)的生產(chǎn)信息傳遞給AGV設(shè)備，由AGV設(shè)備上的智能路徑規(guī)劃模塊進(jìn)行路徑的相應(yīng)規(guī)劃，從而將物料運(yùn)送給所需物料的柔性焊裝工作模塊。對(duì)整個(gè)柔性焊裝系統(tǒng)生產(chǎn)線而言，由AGV設(shè)備連接整個(gè)生產(chǎn)線的相應(yīng)模塊，可以滿足柔性焊裝系統(tǒng)生產(chǎn)線對(duì)不同車型的生產(chǎn)要求，極大提高汽車柔性焊裝設(shè)備利用率。

3.5 AGV切換工裝夾具，保證夾具精度

由于汽車焊接生產(chǎn)安裝要求精度高，而AGV的運(yùn)輸工作無(wú)法保證其自身具有相應(yīng)的高精度，因此在一般的焊裝生產(chǎn)活動(dòng)中，往往為AGV設(shè)備配備輔助的工裝夾具，同時(shí)AGV可以自動(dòng)切換相應(yīng)的工裝夾具，在滿足實(shí)際焊接生產(chǎn)過(guò)程精度要求的同時(shí)，可以擴(kuò)大自身的工作應(yīng)用范圍，以多種不同工裝夾具的功能來(lái)應(yīng)對(duì)相應(yīng)的工作要求。以下為提升AGV工裝夾具精度的方案。

使用承載式升降A(chǔ)GV配合高精度工裝夾具的形式適應(yīng)多種車型不同連接工藝的焊裝生產(chǎn)場(chǎng)合。AGV自身帶承載式舉升功能，AGV自帶的舉升托盤(pán)帶浮動(dòng)裝置，具備水平位置調(diào)整功能，可以靈活地進(jìn)行水平方向的調(diào)整，以適應(yīng)料口位置物料的承接，料口處帶滾輪支撐定位和側(cè)向?qū)蜉喗M（或者料口處帶定位銷組），對(duì)工裝夾具進(jìn)行導(dǎo)向、調(diào)整和精確定位。

4 性能指標(biāo)

對(duì)于不同的工作情況所采用的相應(yīng)結(jié)構(gòu)與導(dǎo)航方式的AGV設(shè)備，相應(yīng)的AGV設(shè)備應(yīng)該具有能夠滿足其工作要求的功能參數(shù)，例如對(duì)于物料搬運(yùn)工作使用的AGV而言，不要求物料搬運(yùn)AGV具有極高的定位精度，反而要求其在犧牲一定的定位精度情況下，嚴(yán)格保證設(shè)備自身的使用壽命、待機(jī)時(shí)間、工作穩(wěn)定性等；而對(duì)于汽車焊接與安裝操作所對(duì)應(yīng)使用的AGV設(shè)備則要求其具有極高的定位精度，以滿足焊裝過(guò)程中的定位要求。

國(guó)內(nèi)AGV有10年左右的應(yīng)用歷史，而國(guó)外已經(jīng)有30年左右的應(yīng)用歷史，如表1所示，通過(guò)國(guó)內(nèi)外2t承載式AGV主要參數(shù)的對(duì)比，了解AGV的性能指標(biāo)。

表1 2t承載式AGV主要性能指標(biāo)

根據(jù)不同的用途，合理選擇AGV的功能參數(shù)，使AGV功能利用最大化，對(duì)成本控制有很大的幫助。

5 路徑規(guī)劃

如何進(jìn)行AGV在汽車柔性焊接安裝系統(tǒng)中的路徑規(guī)劃應(yīng)用，是研究智能化AGV技術(shù)的重要方向，對(duì)于汽車柔性焊裝系統(tǒng)而言，不僅要保證AGV在送料過(guò)程中的生產(chǎn)節(jié)拍，同時(shí)要避免由于生產(chǎn)線等待送料而停止生產(chǎn)，并且要注意避免不同的AGV之間造成路徑?jīng)_突的問(wèn)題，降低整體AGV的管理成本。

AGV物流路徑規(guī)劃通常有以下2種形式。

（1）運(yùn)送起始點(diǎn)固定的形式。運(yùn)送起始點(diǎn)固定的情況下使用AGV是最為簡(jiǎn)單且安全的方式，在這種方式下進(jìn)行汽車焊接物料的運(yùn)送，幾乎不會(huì)涉及到路徑之間存在沖突的問(wèn)題。這樣的運(yùn)送模式具有工作路線簡(jiǎn)單，易于編寫(xiě)程序，錯(cuò)誤率較低的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于復(fù)雜工況下的大型項(xiàng)目而言，運(yùn)送起始點(diǎn)固定的AGV無(wú)法滿足巨大工作量的要求。

（2）運(yùn)送過(guò)程中設(shè)有倉(cāng)庫(kù)的形式。對(duì)于較為復(fù)雜的物料運(yùn)輸工作而言，AGV需要經(jīng)過(guò)大量復(fù)雜的路線，而大量復(fù)雜的路線當(dāng)中可能具有一部分高度重疊的路線區(qū)域，這樣的路線區(qū)域是AGV的“必經(jīng)之路”，鑒于其具有特殊的工作屬性，可以在上述必經(jīng)之路的設(shè)備模塊上設(shè)置相應(yīng)的物料站，使AGV在經(jīng)過(guò)這些所謂必經(jīng)之路的時(shí)候能夠及時(shí)地補(bǔ)充物料。

6 控制系統(tǒng)

AGV通信系統(tǒng)不僅需要完成對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)線各個(gè)工作子模塊的信息接收工作，及時(shí)處理其反饋的工作信息，同時(shí)還要對(duì)反饋的相應(yīng)信息進(jìn)行整合與處理，之后將整合之后的信息與AGV上層的中控計(jì)算機(jī)組進(jìn)行信息的交流與傳遞，獲取最新的工作要求指示，將相應(yīng)的工作要求通過(guò)通信系統(tǒng)傳遞給AGV，使其進(jìn)行工作；同時(shí)將生產(chǎn)線上各個(gè)工作模塊的工作信息實(shí)時(shí)地反饋給上位機(jī)，使其進(jìn)行下一步工作處理。

對(duì)于一般的汽車柔性焊接安裝系統(tǒng)而言，配備上述系統(tǒng)的工廠往往具有較大的工廠占地面積、數(shù)量眾多的AGV運(yùn)輸項(xiàng)目與運(yùn)輸模塊，因此對(duì)于如此眾多的生產(chǎn)項(xiàng)目與生產(chǎn)路線，能夠很好地保證AGV與各個(gè)模塊、上位機(jī)之間的信息傳遞的方法為無(wú)線通信方式，上位機(jī)與諸多AGV組成一組局域網(wǎng)，通過(guò)上位機(jī)對(duì)下屬的AGV進(jìn)行命令的發(fā)送，控制相應(yīng)的AGV進(jìn)行不同的工作動(dòng)作。

7 結(jié)語(yǔ)

本文首先闡述了如今AGV在汽車柔性焊裝工作當(dāng)中的重要用途，同時(shí)簡(jiǎn)要對(duì)一些AGV引導(dǎo)方式、移動(dòng)方式進(jìn)行分類介紹，之后著重研究討論了AGV技術(shù)對(duì)于智能化汽車柔性焊裝系統(tǒng)的重要作用與應(yīng)用方法，同時(shí)對(duì)上述的工作項(xiàng)目中功能參數(shù)的確定、控制模式的選取進(jìn)行設(shè)計(jì)與規(guī)劃，同時(shí)對(duì)AGV重要的技術(shù)要求——路徑規(guī)劃進(jìn)行了模式的設(shè)計(jì)與具體實(shí)施方法的給定，保證AGV在工作中能夠良好的規(guī)劃路線，滿足智能化汽車柔性焊裝系統(tǒng)的要求，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。