AGV 物料转运设备的应用研究

胡声明

（株洲中车特种装备科技有限公司，湖南株洲 412000）

0 引言

随着科技的发展，在汽车生产的环节中，各种自动化设备相继被加以应用，许多汽车企业都认为将自动化的设备全都应用到制造工艺环节才是最好的，物料的运转在多数情况下还是依靠人力，这就导致了物流自动化仍处于低水平的阶段，企业中的生产物流的成本较高。汽车白车身最关键的组成部分是顶盖，大部分的主机工厂对质量和成本的掌控相对比较严格，所以加工都是场内自主。

1 AGV 物料转运的现状

由于人工智能与机器学习的快速发展，许多研究人员研发出了具有语义SLAM 系统的AGV（Automated Guided Vehicle，自动导引运输车），这种小车可以在较小的空间内以毫米级精准移动，可以在任何地方进行移动，有较好的机动性能。

在近些年的发展中，自动导引运输车在自动化运输中的地位没有可以超越的技术，AGV 的优点主要是操作简单、灵活度高、占用空间少并且移动灵活，凭借多种优势在自动化运输中应用自如。计算机技术、互联网以及互联网技术的普及，加快了AGV 路径规划算法的智能化，在调度算法上也不断完善。

2 自动物料转运小车任务分配原则

从实际环境中使用自动物料转运小车进行物料转运工作的要求来看，分配物料转运小车任务时，要按照最短路径原则、最短工作时间、工作任务优先级和综合指标的四条原则进行。

2.1 最短路径原则

最短路径原则的意思可以理解成遵循小车在物料转运时所行驶的路径为最短路径，在理论上认为的最短距离是物料转运车在完成全部工作后行驶距离的总和。遵循最短路径原则，调度系统在获取任务信号过程中，调度系统的的第一步是结合任务的需求确定物料转运车所在的位置，根据实际情况去形成合理有效的调度方案，然后再结合路径规划系统规划每个方案的路径，将每一种方案中自动物料转运小车的行驶的距离总和计算出来，挑选出最短路径的方案。

在选择最短路径原则的调度方法进行自动物料转运小车物料转运时，往往会将环境内自动物料转运小车的数量多的问题忽视掉，导致小车之间出现堵塞的现象，这种情况小车就会停留等待，时间会有所浪费，这就代表挑选的最合理的调度方案在效率上却不是太理想。

2.2 最短工作时间原则

最短路径原则是指调度系统进行调度任务的工作时，考虑到物料转运小车在进行物料运转的过程中总时间不仅是行驶时间，还包括滞留时间以及冲突时间，效率不够高，所以要让系统更高效地完成工作任务，就要按照最短工作原则建立目标函数在最短时间内完成工作任务。另外物料转运小车在物料运转过程中的等待时间就是由堵塞原因所造成的冲突以及调度系统在安排物料转运小车时间不合理的原因。

2.3 小车工作队列最优原则

小车工作队列最优原则内主要内容是，调度系统所接受的任务按照不同的任务队列进行分配，保证调度系统运输量的总和最高，按照小车工作队列最优原则所生成的调度方案主要有以下几种：最小化出站队列空间、最大化出站队列长度方法等。这几种方法应用在多载物料转运车上比较合适。

2.4 综合指标调度原则

综合指标调度原则的主要内容是，综合分析在所能联想到的多项指标中，加入相对应的权重系数，任务需求和相应优先级是决定权重系数的主要因素。在复合指标中，物料转运车的利用率和行驶距离是最需要考虑的指标。在此过程中，对权重系数的调改是为了将水平达到理想状态，另外还可以将此过程当做比较特殊的旅行商问题。

3 方案设计

根据以上问题将方案内容讨论对比，在现场空间大小、工作效率、物流成本、设备柔性以及稳定性、降低企业生产物流成本多方面进行了探讨，最后的输送方式确定为使用AGV，进一步将顶盖总成件从分拼线到总拼线旁转运工作落实。

根据分拼线下件的工位和主线上件工位位置作为自动的上下件可以看出，对AGV 所停位置在精度上有较高的要求，AGV的位置精度必须是±3 mm，针对这点所使用的导航方式是磁条导航；另外，AGV 和工件在工作过程都是需要进行横向移动及旋转功能的操作，所以AGV 采用舵轮形式。

因实际场地大小的限制，所留空间不利于料框的周转，还需要3 台AGV 的计入，为了保证AGV 跟料框在周转过程中不分离，AGV 跟料框要一一相对应。

3.1 路径规划

3.1.1 全局路径规划

在对全局路径进行规划时，要按照原理去对已有的环境模型进行分析，制定出从起点到目标地最合理、最快、可行的路线方案。

全面的去考虑每一个AGV 的实际任务和实际状况的重要性，来对当前AGV 所运行的路线做调改，这些问题都是需要全局规划的，因此对AGV 全局路径规划时要进行动态路径规划。

3.1.2 局部路径规划

进行局部路径规划时，所处的环境是全部未知或部分未知的，通过物料小车的传感器去判断障碍物的各种信息，包括形状、位置、尺寸等，根据多种信息制定一条可以顺利移动的路径。现阶段因为仿真和智能算法的进步发展，目前对AGV 局部路径进行计算的方法主要有蚂蚁群、遗传算法等。

3.2 节拍计算

主线是按照45JPH 的节拍进行设计的，在设计过程中，设备考虑以及零件的质量产生的问题都是需要被考虑的因素，主线料框的切换时间因为单个设计节拍时间为72 s，分拼线单个节拍为68 s，必须要在72 s 内完成，分拼库位满框拉出到空框入到库位也是同样的原因必须在68 s 内完成。

所挑选的AGV 主要是自主设计的，所设计的最高速度可以达到1 m/min，在设计过程中考虑到安全和稳定的因素，在设计运行速度时在满足节拍需要的同时还要保证相对的低，由此可见，想要满足节拍的标准需求，AGV 的平均运行速度可以按照0.22 m/min 设计：主线库位以及分拼库位的料框切换时间分别是68.3～72 s、60～68 s。

3.3 机械方案设计

在设计时运用的是牵引式AGV，它需要具备平移和旋转的功能，因此必须将料框的4 个行走轮替换为万向轮。AGV 的磁条式导航在定位时的精度要±10 mm，想要满足精度为±3 mm的定位，就要在分拼工件下线以及主线工件上线，在主线库位和分拼线库位的位置处将料框导向和夹紧机构添加进去。AGV 与料框在正常工作的状态中是没有必要分离的，因此料挂完全可以采用固定式的挂靠机构。

3.4 电控方案设计

AGV 本体主要通过欧姆龙PLC 实现控制；AGV 跟AGV 或者库位之间利用无线路由器进行信号交换工作，其中主线库位和分拼线库位，另外两个库位的连接方式为网桥链接，并且进行通信的都是路由器。以太网和硬接线双冗余两者的通信连接方式是欧姆龙PLC 跟线旁输送设备连锁信号经常采用的方式，因为可以确保安全。

主线库位料框中需要数量为0 的工件数的时候，需要物料的信号就会由系统发出，当需求信号传送到PLC 后，AGV 就开始物料切换的工作，所执行的步骤是将空框送出主线库位，满框送入。

3.5 电池充电

AGV 中所使用的电池全为容量40 A·h 的磷酸铁锂电池，当负载为1 t 牵引式连续运行时，完全可以到2.46 h，当电池的电量只有20%时，充到100%大约需要1.1 h，生产线全天运行时间长达22.5 h，但所制备的充电机只有一套，想要确保AGV 电池容量的能力完全可以支持生产线的运行，充电的形式要往在线充电方向考虑。

料框只有存放7 件工件的容量，并且每个AGV 从充电库的位置到主线库位位置出发也就是整个充电的周期为1 512 s，在每个周期所运行的时间为a1=48.1+39.1+35.3+25.5=148 s，对使用电量进行补偿只需要在每个周期充电a2=44.8 s，AGV 在整个周期的时间内有a3=68×7-60-12=404 s 的充电时间，其中还包括充电杆伸缩的时间约12 s，由于a2＞a3，想要确保AGV 每天24 h 运行，可以安置一台充电时间大于a3的充电机。

4 改造实施

此项目计划要在原有生产线上落实，肯定会产生影响，所以要先对AGV 与AGV 之间的通信和逻辑进行测试，测试结束后，在现场中再进行改造测试。

4.1 现场实施

实际场地中主要实施步骤：①料框移动到相应位置后，有必要对料框进行夹紧操作，避免出现料框的位置不符合，现在夹紧操作是由自动气控进行的；②安置充电机；③安置路由器和控制线布线以及网线；④电子标签的粘贴以及铺设磁条；⑤对设备进行调控以及对节拍调试、电控调试等。

4.2 AGV 运行速度

在设计过程中，只要平均速度0.22 m/min 就可达到需求，但在运行过程中需要考虑多方面的实际情况，像行走轮出现打滑问题，突然闯入的人员导致AGV 停止运行等都是需要考虑到的因素，因此，在对节拍进行设计时，在原有的基础上空出5%，就可以使主线库位以及分拼库位单个料框切换的时间为64.9 s、57 s，在实际场地进行检测调整，AGV 运行高速最后定为0.38 m/min，低速定为0.1 m/min。

5 结论

本篇文章主要是对顶盖进行物料转运操作过程中将人力由AGV 所替换，利用自动化率提高生产线效率做了分析，主要的目的是为了确保生产线能够顺利高效的运行，在生产线成本降低的同时也大面积推广了AGV 的使用，为后期物流行业的发展提供了宝贵的技术支撑。