AGV在冷轧磨辊间的应用

薛栋梁，徐杰颖，谢仕鸿

(中冶南方工程技术有限公司上海分公司，上海 201900)

0 前言

随着我国人力成本的不断上升，降低人工成本，提高工厂的自动化程度越来越受各企业的重视[1]。AGV作为一种自动化的智能移栽设备，可以减轻工人劳动强度，提高作业效率，提高员工作业安全性，其使用效果已经得到了普遍认可，也在越来越多的行业得到广泛应用。

国内某钢厂配有一台十八辊单机架轧机，为满足其工作辊和侧支撑辊的磨削要求，磨辊间配置两台工作辊磨床，一台为进口全自动工作辊磨床(108磨床)，可以自动将旧辊从辊框内吊上磨床，并将新辊从磨床上吊入辊框；另一台磨床为国产半自动工作辊磨床(107磨床)，使用半自动悬臂吊进行轧辊的吊运。磨辊间所有的轧辊从轧机区域到磨床采用人工配合行车吊运，卡车运输并叉车配合作业的方式，这种方式占用行车的有效作业时间，员工劳动负荷较重，且经常存在行车和卡车相互等待的情况，有效作业率低。为此，提出使用现代化的物流运输设备AGV，并结合立体库的方法，实现轧辊的运输自动化，作业无人化。

1 AGV小车设计

1.1 AGV小车性能指标和外形设计

根据现场实际工况设计AGV小车的性能参数见表1。

表1 性能参数

本文因辊框的特殊性，AGV采用背驮式设计。为方便运输，轧辊放置在辊框内，以辊框为单元进行输送，根据轧机的换辊需求，每个辊框放置5～6根轧辊。AGV运输辊框的外形图如图1所示。

图1 AGV运输辊框外形图(负载辊盒+6根工作辊)

1.2 AGV单车结构设计

如图2所示，AGV单车结构主要由车体、导航系统、运动系统、安全防护系统、电源系统、举升机构等组成。

图2 AGV单车结构简图

(1)车体。车体是AGV的躯体，由车架和相应的机械电气结构等组成。车架必须根据承载重量、所载货物形状、移载机构以及工厂布置状况等进行设计，以适应物流系统的需要[2]。

(2)导航系统。导航系统主要解决AGV的定位问题。AGV只有准确判断了自身位置及目标位置，才能准确无误的到达目标位置。常用的导引方式有电磁感应导引、光发射导引、惯性导引、视觉导引、激光导引和磁导引[3-5]。本文由于磨辊间内设备多，环境复杂，地面会有轧机乳化液及磨床过滤系统产生的油污，且物流交叉较多，需预留变化路径的能力，因此选择磁带导引。

磁带导航是通过在路面上贴磁带，根据磁带感应信号来实现车辆控制及导航的非常有应用前景的技术。导航磁条铺设好后，维护费用非常低，使用寿命长，且移动、修改、增删、变更路径比较容易。磁导航具有很高的测量精度和良好的重复性，且不易受光线变化的影响，在运行过程中，磁传感系统具有很高的可靠性和稳定性。

(3)运动系统。运动系统一般由车轮、电机、减速器、伺服控制器、调速器等组成，是一个伺服控制系统[6]。此系统一般由AGV的车载控制器来完成，车载控制器根据导航系统计算出的控制量通过驱动电机及调速装置，以此来实现AGV按照规划的路径前进到达目的地。

本项目车轮采用双舵轮驱动。这种结构的AGV两个车轮都装有驱动电机，转向电机及其动力传动装置。双舵轮驱动包括方位驱动和回旋驱动，两个车轮与车架通过承重回转支撑活连接，其他车轮为随动轮，起承重作用。通过对两个舵轮转向角度的控制，可以实现AGV的360°回转，从而缩小AGV在转弯时的转弯半径，节省现场空间。双舵轮的独立驱动控制，使得AGV可以实现任意角度的横移功能。

(4)安全防护系统。AGV作为自动化程度很高的一种设备，其安全措施至关重要，必须保证AGV在运行过程中的自身安全，以及现场生产的安全和人员及各类设备的安全[7]。本项目采用SICK激光避障传感器，并装有信号灯和声音报警装置。AGV运行过程中，传感器能检测到AGV运行方向一定范围内的障碍物，并进行声光报警提示，以提醒周围的操作人员。AGV减速或者停止避让时，障碍物移开后AGV可以自动启动。同时为了最大程度地保护磨辊间现场的作业人员、AGV和其他现场设备，在AGV前端加装机械防撞保护装置。当AGV碰到障碍物时，机械防撞保护装置内置的微动开关会立即触发，AGV紧急停车，当障碍物移除并关闭急停开关后，AGV才会继续运行。

(5)电源系统。电源系统是AGV系统的动力源泉，给设备运行提供动力。电源系统一般有24 V和48 V蓄电池两种，种类有铅酸电池、镍镉电池及锂离子电池等。本项目采用48V磷酸铁锂电池进行供电，磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。其循环寿命达到2 000次以上，标准充电使用，可达到3 500次，理论寿命达到7～8年。且磷酸铁锂电池无记忆效应现象，电池无论处于什么状态，可随用随充，无须放完电再充电。电池采用接触式自动充电系统，或者手动进行充电。

(6)举升机构。在AGV车体上部设置有举升平台，用以在运输时举起托盘，举升高度300 mm。举升机构采用电驱动。

2 AGV控制系统设计

2.1 AGV控制系统

AGV控制系统示意图如图3所示。AGV控制系统是AGV输送系统的核心，包括AGV中央控制系统和AGV小车控制系统两部分，两部分之间采用无线通讯。AGV中央控制系统负责AGV对外的联络，和WMS立体仓库管理系统之间采用以太网进行通讯，与各工位之间采用无线通讯，与磨床装卸设备控制系统通过PROFIBUS DP进行通讯。AGV小车控制系统负责完成AGV的日常任务的执行、导航和充电，以及各种传感器和执行器的接口，始终保持与AGV中央控制系统进行信息交互，接收和发送AGV任务和工作状态。

图3 AGV控制系统示意图

2.2 AGV控制系统主要功能

(1)调度管理功能。调度管理主要包括任务管理、车辆管理、交通管理、通讯管理等。

(2)实时监控功能。全动态实时显示AGV系统中各台AGV小车的工作位置及运行状态，并显示各作业点、充电点的占用信息；查看AGV小车的车载控制器的状态，跟踪指定的AGV小车，取消不在系统中的AGV小车，释放多台AGV小车之间的堵塞；并可通过图形监控界面直接下达任务。

(3)路径变更功能。能够根据要求快速变更AGV小车运行的路径及设定，包括运行路径和取卸货站台位置点的移动、修改、增删、站台设置的修改等。

(4)无线局域网通讯系统。AGV车载控制器和中央控制器之间采用无线通讯方式，中央控制器依靠无线局域网向车载控制器发出系统控制指令，任务调度指令，避碰调度指令。中央控制器同时可接收AGV车载控制器发出的通讯信号。AGV车载控制器依靠无线局域网向中央控制器报告各类指令的执行情况、AGV当前的位置及AGV当前的状态。

(5)AGV管理监控计算机。AGV管理监控计算机是AGV地面控制系统的核心，它主要运行AGV系统管理调度软件、AGV监控软件、远程IO控制软件及AGV调度接口软件等，AGV管理监控计算机通过与其它设备的联网达到了数据通讯的功能。

(6)在线自动充电功能。在线自动充电系统由地面充电机、AGV电量检测装置和充电管理系统构成。AGV在运行过程中电量检测装置实时监测电池的放电量，当放电量达到指定的数值时，产生充电申请。AGV通过无线局域网向中央控制器提出充电申请，由中央控制器调度AGV到达充电站进行充电；充电机是全自动的，充电机可自动完成电池电压检测、恒流充电、恒压充电，按标准充电曲线完成整个充电过程。

3 输送系统设计

周边输送系统主要是在AGV的自动上下料位置，这些设备在与AGV进行交接货物时，在系统监控下实现动作的互锁和协调。

在本项目中由于托盘最终的定位精度为±2 mm，而AGV的导航精度和定位精度均为±10 mm，所以需要周边输送系统来完成最终的定位。周边输送系统包括：轧机区域交换辊架；立体库出、入(取、送)口设置的交换辊架，取、送托盘时，托盘就放置在此支架上；磨床附近的交货辊架等。

采用二次机械定位的方式，AGV与交换辊架对接结构，如图4所示。交换辊架上留有与托盘相配合的锥孔，托盘在下落到交换辊架的过程中，托盘上的锥销慢慢滑入与之相配合的锥孔，达到保证定位精度的目的。

图4 AGV与交换辊架对接结构图

4 AGV在磨辊间的应用

磨辊间AGV物流运输情况，如图5所示。轧辊的运输以辊框为基本单元，每个辊框内放置5～6根工作辊或侧支撑辊，使用AGV将旧辊从轧机区域运输至立体仓库进行存储；然后再从立体仓库运输至磨床进行磨削；之后AGV再将磨削好的新辊运输至立体仓库，通过计算机管理系统进行协调，根据轧机的需要将磨削好的新辊运输至轧机区域。同时，为实现整个过程的自动化，设置多个交换辊架，AGV可将辊框自动放置在交换辊架上并从交换辊架上自动运走。

图5 AGV物流示意图

磨辊间AGV运输轧辊的具体步骤：

(1)旧辊从单机架运输至立库。操作人员在呼叫终端呼叫所需AGV，计算机管理系统依照指令自动调度相应的AGV小车前往对应站点，将旧辊从交换辊架自动取出，沿已经规划好的固定路径运送至磨辊间立体库。

(2)旧辊从立体库运输至磨床(107/108磨床)。AGV中央控制系统依照由ERP系统或立体仓库中控中心发出的指令，按照一定的出库原则选定出库货物，由堆垛机把货物从货格中取出送至立库区的交换辊架上，然后WMS系统产生出库任务并将任务送到AGV中央控制系统，AGV中央控制系统分配AGV取货，按规定的路线将轧辊放到相应的磨床区域。

(3)新辊从磨床运输至立体库。轧辊磨削完成后，磨床将完成信号传到AGV中央控制系统，AGV中央控制系统自动产生配送任务，AGV到达磨床取货，然后按规定的路线自动将货物运送至立库区的交换辊架上，堆垛机收到货物到达信息后，自动将货物入库，放入系统分配的库位。

(4)新辊从立库输送至轧机区。新辊由立体库区的堆垛机取件放置在出库工位交换辊架上，然后通过立体库的仓库管理系统产出成品出库任务，然后出库任务传送到AGV中央管理系统，AGV中央控制系统自动产生AGV配送任务；由该系统分配AGV执行任务。AGV小车到达出库工位进行自动取料，沿着已规划的路径运输到轧机区域。

(5)新辊配对。AGV将需要配对的新辊，从108磨床自动运输至107磨床，采用107磨床的悬臂吊进行人工配对。

(6)AGV自动充电。规划1个AGV自动充电区，每个充电区配置2个自动充电结构和2套自动充电机。当无作业请求时，AGV向中央控制系统发送复位请求，AGV自动返回停车区或充电区自动充电。

5 结束语

AGV在现代制造车间应用比较多，在钢铁行业冷轧磨辊间使用尚属首次，本项目采用重载AGV，可降低物料运输成本，减轻劳动强度，提高作业效率，减少货物处理和信息处理过程的差错并合理有效地结合库存管理，提高管理水平，提升企业的安会性，降低企业事故的发生率。随着技术的发展，重载型AGV在现代制造车间中会有越来越多的应用价值。