2023-02-03 08:46
[导读]前言
在工业4.0和中国制造2025国家战略发展趋势下，机器人已经广泛应用于企业智能制造转型的各个领域。作为机器人的一个重要分支，移动机器人强调移动的特性，是一类能够通过传感器感知环境和本身状态实现在有障碍物环境中面向目标的自主运动，进而完成一定作业功能的机器人系统。相对于固定式机器人，移动机器人以其可自由移动的特性而应用场景更广泛，潜在功能更强大。移动机器人泛指具有移动功能的机器人，主要采用人类制造的移动车辆结构或模拟人类/动物的移动方式来实现移动功能，可有效扩大机器人的工作范围和活动空间，使机器人能够移动到固定式机器人无法到达的空间位置，完成要求的操作任务。
AGV以电池为动力，装备有电磁或光学等非接触自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，是具有安全保护以及各种移载功能的无人驾驶运输车。车体在软件系统的控制下按导航规划路径和任务要求，精确地运行到在指定任务站点，完成一系列动作任务。通过与生产执行系统MES、仓储管理系统WMS等工业软件通讯，AGV可实现仓储的自动化搬运管理，货位柔性动态分配；通过与自动化设备PLC信号交互，AGV可实现工位间物料的自动配送管理，由人到货变为货到人的工作流提高了工作效率，降低了劳动强度。在工业4.0背景下，生产企业通过引进AGV物流系统改变了传统人工分拣、人工搬运模式，有效地实现了物流自动化。
传统制造型企业通过引进AGV物流系统实现车间各工位间物到人、点到点的自动物流配送方式，以提高车间物流效率和智能化水平。项目引进过程应在既有生产环境和工艺流程基础上优化工艺路径和物料流，具体实施路径覆盖生产过程评估、生产流程再造、AGV选型及技术参数符合性评估、自动化设备和专用载具设计开发、设备间互联互通、供方管理和采购过程管理等。
一、生产过程评估
生产过程评估包括梳理生产流程、现有物流周转方式、工作环境和既有设备评估。注塑车间生产流程为原材料供料→干燥→注塑→出模/装箱→集中/后处理→检测→包装→入库；物料流在注塑工位、集中处理工位、检测室、后处理工位和库房各车间生产区域流转。其中，注塑工位到集中/后处理工位、各工位到检测室、后处理工位到库房的产品流和物料流均由人工完成。周转用推车可容纳每班次工序产品，周转节拍为12h/次。
项目启动阶段充分收集温度、湿度、地面平整度、坡度、台阶落差、地面缝隙区和水污、油污区域等环境信息；核实设备型号、尺寸和外部设备通讯协议，编制车间设备布局图，确认AGV工作空间。注塑生产过程流程图如图1所示。
图1 注塑车间生产流程图
二、生产流程再造
生产流程再造包括评估自动物流配送的点位和路径、优化物流路径、定义AGV工作流程、测算生产节拍和物流节拍。移动机器人自主移动关键技术需要解决3个关键问题：确定当前位置、确定目的地、实现流程。确定当前位置是确定机器人在环境中的位置，通常是在所给定环境地图的坐标系中确定机器人的位置，即定位问题；确定目的地是目标规划问题，与任务相关；实现流程则需寻找从机器人当前位置到目标位置的移动规划和控制，即导航规划。
这三者需要统一在环境地图坐标系中进行描述，涉及地图表示与构建问题。如果在环境中设置人工标识，地图构建和定位问题可大大简化，但一般应用环境中难以设置人工标识，且存在物体移动、光照/季节/气候等动态变化，使这2个问题成为约束机器人在一般环境中可靠鲁棒移动的瓶颈问题。
按照车间布局和物流路径，AGV小车取代人工搬运任务，执行工序间半成品搬运任务。AGV取放料点位于注塑工位、集中处理工位、后处理工位、检测室和库房。工作流程包括半成品由上工序到下工序的周转（5-6、8-9、12-13）、载具（车/箱）回流运输（6-5、9-8）、抽检件送检和返回（6-7、7-6）。AGV执行搬运任务的生产流程如图2所示。
图2 改造后注塑车间生产流程图
AGV小车路径规划任务起点设在待机位（充电位置），目标点定位在设备周边取放料点。设计运行线路时充分考虑路径距离、转弯位置、转弯空间、目标点工作空间。对接设备位置决定AGV走行路径和运行节拍，不同取料点的规划路径对比如图3所示。图中的红色线为AGV的运行线路，AGV在产线外的主通道采用单线路运行，AGV转弯运行时根据场地空间可采用90º原地旋转或走圆弧旋转。转弯速度降低影响运行节拍时间，规划运行线路时应尽量减少转弯次数。
图3 AGV导航规划路径对比
产品注塑周期时间和载具容量决定着AGV任务节拍，如某产品注塑周期时间为25s，载具容量120件，取料任务呼叫AGV时间间隔为50min。考虑到载具的自动回流，送载具任务呼叫AGV时间间隔为50min，综合计算得出注塑工位AGV任务节拍时间为25min/次。AGV选型时确认AGV运行节拍时间加上充电时间应低于任务节拍时间。
三、AGV选型及各项技术参数符合性评估
AGV硬件结构选型取决于工作环境和运输货物类型，AGV选型按引导方式可选择有/无人工标识方式，其中无人工标识方式有激光和视觉导引方式；按驱动方式可选择单轮驱动、差速驱动和全方位驱动方式；按移载方式可选择叉车式、滚道式、牵引式、拣选式或机器人式。在工厂里使用的AGV为了实现自主移动并确保可靠性，常采用在作业环境中部署磁钉、磁条、二维码、激光反射板等人工标识方法。在无法进行人工标识的场景，可选用无需安装反光板即可实现激光导航AGV定位的无反光板激光自主导航技术。
在评估车体性能时，需要对比基本参数、运动性能、安全防护、电池性能等关键指标，确认软件控制系统功能包括工作流程、系统架构、人机交互方式、接口程序通信方式、是否支持远程遥控等，评估安全系统防护措施、避障传感器类型、最大检测范围和急停按钮喇叭指示灯配置等。
本项目引进AGV小车主要应用于工序间半成品周转运输。由于产品尺寸小（直径小于500mm），负载轻（单次运输质量小于50kg），节拍时间短，工作环境复杂和对接自动化设备多，综合评估后选用双层滚筒式无反射板激光导航AGV。主要技术参数有：自重为250kg，额定负载为100kg，底盘距地间隙为30mm，额定运行速度为1.5m/s（空载），旋转直径为800mm，可原地旋转/弧线转弯，爬坡能力为8%/5%（空/满载），定位角度精度为±2°，导引定位精度为±10mm，停止角度精度为±2°，停止位置精度为±10mm，双向行驶，差速驱动方式，越障能力为5mm，过缝能力为10mm，额定输送速度为0.3～0.5m/s，电池类型磷酸铁锂电池，电池容量为30Ah，充电循环次数＞2000次，额定工况下工作时间＞6h，完全放电后充电时长＜1h。
载具选用定制的方形周转箱，AGV工作面尺寸可兼容各型号周转箱，上下层高度与自动化输送滚筒线一致。为满足停车定位精度±5mm的要求，取送料站点位置采用二维码和视觉导航定位方式。车间工作环境应用场景复杂，存在运行方向与叉车、立体空间与天车交叉的情况，避障采用前后侧两端0º～270°扫描测距（0～3m可调）激光传感器、行径方向顶部安装激光立体防护传感器、前后侧碰撞条等。AGV小车效果图如图4所示。
图4 AGV小车效果图
四、自动化设备及载具设计开发、设备间互联互通
在项目策划阶段应提前验证与自动化设备对接机构结构和专用载具样式，并确认与自动化设备信号通讯方式。专用载具为自动化设备和AGV小车共用装备，外形尺寸和尺寸偏差限制应用设备的机构尺寸、精度和定位方式。通常载具设计工作包优先AGV小车设计工作包完成。
AGV根据定位点执行动作不同，采用不同机械机构。定位点处对接方式决定AGV移载机构结构和信号通信方式。本项目对接机构采用双层滚筒线，上层输送空载周转箱，下层传出满载周转箱。进/出料口设计为V形导向结构，出口和入口的有效宽度可调整，便于兼容不同尺寸料箱。AGV输送线的进/出料口的两侧配置料箱到位传感器，用于检测料箱在AGV上的状态。输送线末端配置一组到位传感器，用于到位停止检测。同时，上下两侧端部安装机械式的停止挡块，作为传感器失效时的保护装置。
AGV的上位机与自动化产线设备PLC采用以太网通讯的信号交互方式，通讯方式主要采用OPC-UA通信协议。各工位自动化设备PLC发送状态指令，AGV上位机系统接受指令后调度小车执行取/送料任务。自动化设备系统架构如图5所示。
图5 自动化设备系统架构图
五、供方管理和采购过程管理
供方管理过程涉及供方开发、能力评估、供方选择、项目过程管理和业绩评价等过程，项目策划阶段通过展会、用户单位和行业专家推荐等方式收集AGV相关品牌和厂家信息。根据行业特点，选择与注塑行业应用领域相关的AGV品牌商进行技术沟通，通过技术参数比对、模拟运行场景、客户口碑及行业影响力等方面充分评估供方的设计、施工、售后和项目管理能力水平，做到优选供方。供方技术能力是项目成功交付的关键因素，采购人员应严格执行采购流程，避免和防范招标管理风险。合同或技术协议作为采购过程的重要文档，明确交付物内容、规格参数、交付要求、售后服务内容、履约责任、知识产权等信息，必要时公司法务可参与合同协商、评审和签订等过程。
AGV项目实施过程与自动化设备开发同步进行时，三方应联合评审对接机构、动作流程、信号通讯协议等内容，保证设计数据一致。
六、结语
传统制造企业引入新技术新装备过程务必立足于自身产品制造工艺特点，发现薄弱环节和待优化项目，做好项目策划和设计验证工作，逐项解决，避免项目失败风险。AGV物流系统和自动化设备项目同时设计、同时调试和同时验收投入使用，可避免智能工厂改造升级过程中重复设计和设备参数不匹配等方面的风险。通过严格执行项目实施路径和控制项目管理过程，注塑车间引入AGV物流系统已成功落地运行，稳定应用于生产现场。该项目的引进实现了各工位间点到点和货到人的自动物流配送，提高工厂自动化水平，为智能工厂自动化整体布局提供了有力的技术支持。
