一种智能AGV 汽车的立体焊装系统设计研究

毕愿江

一汽模具制造有限公司 吉林省长春市 130013

1 引言

随着我国科技的不断发展，越来越多的智能化设备逐渐出现在各式各样的工厂当中，人们也在不断追求工厂的智能化与科技化，在工业物联网的背景下，许多科技概念也被人们提出，例如黑灯工厂、无人工厂等。就汽车的立体焊接安装车间而言，国内的焊接工艺与国外相比较为落后，汽车的焊接安装工作存在工厂生产线供货缓慢、生产效率低下的问题。在这样的工业应用背景之下，AGV 技术应运而生，能够有效降低工厂关于原料输送的人工成本，并且能够极大提升工厂的工作效率，同时在一定程度上优化国内汽车立体焊接安装的工艺流程。自动导航车技术（Automated Guided Vehi-cles，AGV）对于大型工厂的生产线而言，是一种新型优质的原料输送装置，相较于传统的人工搬运、人工操作机器等方式对原料进行搬运工作，AGV 技术的应用能够极大提升工厂的生产线供货问题，以当今的科技发展趋势来看，结合工业物联网的技术背景，AGV 技术作为一种新型的物料搬运设备一定能够在今后的工厂产线工作中大放异彩。AGV 技术不仅可以代替传统的人工搬运，使工厂产线的生产变得更加灵活多样，同时AGV 技术的出现打破了传统意义上的生产线平台化限制，可以将多种车型、多种物料进行混合搬运处理，极大提升工厂的生产效率与生产能力，同时在AGV 技术的加持下，有效提升工厂产线的吞吐量，极大提升工厂的经济效益。

2 工厂的立体焊装系统环境搭建

2.1 工厂立体焊装体统环境搭建概述

目前汽车工厂的立体焊装工艺生产线采取传统的人工物料搬运方式，本文设计采用AGV 自动运料导航车与传统产线相结合的方法，待上述方法取得一定成效之后，进一步扩大AGV 的应用范围与应用深度，通过一步步提高AGV 在工厂运料设备的生产份额来提升工厂智能化与自动化的水平。

AGV 技术与传统焊装产线融合方案将工厂分为几个主要的区域，分别为上料区、分布焊接区、总焊接区与下料区四部分，通过上述四部分区域相互协作，共同完成工厂的多种车型混合、多种材料供应的工作要求，实现一定产品层级下的工厂生产的多样化与高效化。柔性兼容混合的工厂生产线控制具体操作为：首先对运送的物料以及目标焊装车型进行识别、区分以及筛选，将产品型号类似的车型进行选择与分类，之后使用AGV物料运送车进行物料运送时，便能够将相应类似型号的汽车产品的物料进行统一配送，极大节省运送时间，提高工作效率，且型号类似的汽车产品零部件被AGV 物料运送车运送时，能够使用型号一致的夹具进行抓夹操作，省去更换夹具的操作能够节省能源，同时提高工作效率；当AGV 进行另一类型物料运送工作时，首先需要更换装夹物料的夹具，更换夹具时，先将夹具在相应的夹具更换停止位固定，之后通过对应的机械结构将夹具的牵引销收缩，此时AGV 的夹具便实现与AGV 的脱离，并且通过相应的操作人员在夹具库中更换相应型号的夹具，再由相应的机械结构安装上牵引销，最终实现夹具的更换操作。

2.2 AGV 控制系统构建

2.2.1 AGV控制系统总体设计

AGV 控制系统的搭建是基于PLC 硬件进行的。基于PLC 进行AGV 控制系统搭建的过程中，首先要根据工厂的实际场地、生产产品的特点以及工作流程与工艺等进行实际应用的模拟实现，根据模拟实现的结果采取更加稳定优化的设计方案，并且结合AGV 运行时的各项参数要求，设计出更加契合相应工厂生产线的工作模块，同时要在尽量兼顾实际生产过程中的控制复杂程度，尽量降低控制的复杂性，进而降低生产成本。AGV 系统的整体设计分为主循环模块、初始化模块与应急模块，三者相辅相成，共同实现AGV系统整体的良好运作。同时将AGV 系统分几大模块进行设计可以更好地进行系统的管理与优化。当系统开始使用时，首先要激活初始化模块，其激活方式可以通过蓝牙。按键开关、无线数据传播等多种方式，将整体系统初始化之后，系统进入主循环模块，开始进行既定的程序操作，当AGV 在工作过程中遇到某些突发情况，系统将会出发应急模块，及时采取相应的保护措施，保护运送的物料以及AGV 自动导航车自身。

2.2.2 AGV控制系统硬件设计

一辆自动导航车的设计不仅要有整体的设计作为骨架、精确的软件设计作为大脑，同时要有可靠的硬件作为四肢以及肌肉，因此对于AGV 而言，可靠稳定的硬件设计是必不可少的。关于AGV 的硬件系统设计，首先要考虑AGV 实际工作的工况，考虑相关的环境因素对AGV 的影响，保证其能够稳定持久的进行工作，同时满足各项工作的要求，例如相应的工作尺寸、转速、符合等参数要求应该满足基础负荷标准。对于负责运送物料的自动导航车而言，不需要其具有精美的外观结构，其基础外形尺寸要求能够满足工厂的工况要求即可，在其车体之内安装有驱动电机和转向电机，用于控制自动导航车的方向和动力，同时在车身的周围安装相应的黄色警示灯，起到警示作用，同时保证其应急模式启动时能够有明显的灯光提示。同时在车身内应配有PLC 控制器，用于其车身的控制及各项模式的切换，同时应该设置有相应的IO 接口。

2.2.3 AGV控制系统软件设计

自动导航车控制系统的软件设计是自动导航车功能的精髓所在，精确稳定的软件控制能够帮助自动导航车有效地在工厂中进行工作，基于PLC 进行AGV 控制系统的设计，首先要选取合适的PLC 型号，之后选择一系列输入、输出的模块、电源模块等，完成对PLC 的组态，之后通过STEP7 或者博图软件进行PLC 的程序编写，PLC 控制中心主要进行输入、输出端口地址的分配，保证系统的合理运行。此外还会选择安装CPI、EM222等模块进行扩展，保证系统整体的稳定性。

3 AGV 系统技术应用研究

3.1 AGV 在各生产线工作流程研究

3.1.1 供料站工作流程研究

供料站的产线设计要求为能够储存原材料，作为整个工厂的存储仓库，供料站的产线一般设置于码垛站附近，将原材料送至之后，经过码垛站的处理，将原材料位置整理好，为整个工厂相应产线后续的原料输送保驾护航。AGV 在供料站的工作流程如下：首先AGV 要将目标原材料输送至供料站的原料平台处，同时经过系统自带的原料信息条形码将每一个原材料的属性进行核对，确保运送之前原材料的相应的尺寸或属性要求能够满足，之后AGV 将原料通过夹具放置AGV 车身之上，按照程序设定好的路线进行原料输送，输送至码垛站材料指定放置处，由码垛站进行材料的收集整理。在产线的工作还没有开始之前，AGV 小车就应该按照程序的设定，自动将小车开至供料站或者搬运站附近，同时对供料站相应的磁条卡进行识别，AGV车身内的PLC 控制中心便会自动识别相应的磁条信息，同时通过自动化的信息处理与相应的大数据功能完成对信息的识别与加载，最后将该供料站相对应的原料夹具信息确认好，之后便使用确认好的夹具进行原料的夹取工作。夹取之后由PLC 下达控制指令，完成整个流程。

3.1.2 搬运站工作流程研究

对于大部分汽车立体焊装的工厂而言，其相应的原材料为汽车的零部件，这样的零部件往往都是已经经过上一道工序严格处理的，因此相应的产品或者零部件信息都会以条形码的形式附带在零部件机身，对于AGV而言，应该首先识别相对应的产线信息，依据产线的整体参数及属性确定自身夹具所使用的规格，便于后续进行产线产品的搬运与搬运站内产品的整理工作，在识别好产品信息和产线信息之后，由PLC 控制中心对硬件系统下达指令，使其更换出合适的工件夹具，便于后续进行工件的夹取操作，以及将搬运站内的工件进行整理操作。

3.2 立体焊装产线AGV 系统功能设计

3.2.1 AGV电气回路设计

进行AGV 电气回路的设计，首先要确定相应的AGV 对于电气模块的要求如何，对于工作的地点、范围已经工件要求有全面的分析与考察，之后结合考察的内容与结果设计AGV 的电气回路与电气模块，保证其具有足够的功率，同时电池模块能够为AGV 的工作提供充足的动力，保证其动力系统能力充足，且不会因为一些故障导致AGV 进入应急模式，无法正常工作，同时还应该设计好电气回路相应的IO 接口模块，保证其能够与PLC控制中心进行信息的传递与交流。AGV 的驱动电机与转弯电机为AGV 的主要动力源，上述电机需要充足的功率以满足其工作要求，同时应该具有完善的电池系统保证整体功能的完善与稳定，同时还应该能够循环利用，电池系统应该具有相应的充电模块，保证AGV 没有能源动力之后能够及时补充，延长AGV 系统的运行工作时间，提升整个工厂产线的工作效率。

3.2.2 AGV精准定位设计

AGV 的精准定位设计要求主要指要求AGV 自动导航车在工作前以及承载物料之后都应该能够准确地停到相应的位置，工作前应该停至上料区的相应装载区域，上料区的物料经过传动装置运送至装载区域，由AGV的相应夹具手进行物料的装载，将其装载与自身车身之后，由AGV 带动运送至焊装区域进行加工操作，这里同样需要精确的定位，否则焊装操作的操作手无法准确识别与夹取相应的工件，可能会导致对工件造成损伤，及时没有损伤，重新定位识别同样是浪费生产时间与生产成本，降低工作效率。因此对于AGV 而言，需要预先设定好相应的软件程序，根据这些程序对路径进行规划识别，同时对位置进行准确定位。具体的实施方法可以通过在AGV 车底部安装相应的摄像机，通过摄像机对AGV 行驶的道路进行路面拍摄，实时进行图像的识别处理操作，当进入定位区域之后，由同样由摄像机进行拍摄，当所拍摄照片与软件系统预先设定好的照片相匹配，其相似度达到95%以上，即可以认为AGV 此时已经处于正确的上料位置，可以进行上料操作。

同时AGV 小车的精确定位操作可以由识别停车标识的方式实现，而停车标识不是传统意义上的道路标识，这样的标识有多种手段可以实现，例如通过磁力来进行AGV 自动导航车的位置确定，在AGV 自动导航车上设定好相对应的磁力装置，当经过产线站点预先设定的磁力装置时，磁力相互产生作用，将这样的力的作用转化为电流，将这样的电流信号传递给PLC 控制中心，由控制中心进行信号的识别与处理，识别为磁力信号之后便认为已经到达需要停车的位置，通过这样的方式满足定位要求；同时还可以使用光学的方式来进行AGV 自动导航车的定位操作，通过在AGV 上安装有光学传感器以及相应的识别装置，在产线站点位置处设定好相应的黑色胶带，用于光学的区分，这样当AGV 自动导航车经过设定位置时，黑色胶带不会反射光线，这样便与周围的位置进行区分，光学传感器获取信号之后将信号传递给PLC 控制中心，由其下达停车指令，即到达精确的位置。

3.3 立体焊装系统集成处理

立体焊装系统的集成处理主要是将通过AGV 自身各种传感器所获得的外部信号进行吸收、识别、筛选、分类、记忆与计算，集成处理系统便是整个立体焊装系统的大脑，其主要的操作便是对于获取的相应的数据的预处理操作、将重要的数据进行存储，同时与AGV 移动端进行信息的交流与传递也要经过集成处理系统对信息的处理之后，才能将信息进行发送。

其中集成处理系统中数据存储操作主要利用数据库操作、大数据技术进行数据的分类与精确处理，这样的工作要求整个集成处理系统对于数据与信息的处理速度很快，能够满足工作方面的要求，同时当出现诸多突发情况的时候，系统能够及时对相应的数据进行处理，最终避免一些不必要的损失出现。

数据分析模块是为业务应用层提供决策支持，利用现代算法、图像识别"等技术，提取道面病害参数、预估道面性能，依据决策支持模型和专家经验生成道面维护对策。Emirll 等人使用图像分析和谱聚类的无监督方法，通过图像分割和形状提取，使用灰度图像识别沥青混凝土道面坑洞的表面尺寸的估计精度为81%。

数据处理模块同样是集成处理系统的重要组成部分，因为对于上述提及的各种精确定位方法、磁条卡产品信息内容的识别与记录等，都需要对于相应的数据进行分析，例如通过图像识别与处理判断AGV 是否进入规定的停车区域，需要数据分析模块对于图像进行分析处理，而图像进行处理，计算机将其变成多层多维的数组，其中具有相应的颜色模式如RGB，由数据分析模块对这些多维数组进行分析，结合相应的图像处理函数对其进行分析判断是否已经进入待定区域；同理，处理磁条和光学信号的信息同样需要结合现代的各种算法，对相应的内容进行识别，处理对应的信号，结合信号分析的相应算法与计算公式，对物理量的信号进行处理，将其转变为计算机所熟悉的数字量，最终进行数字量的处理识别，判断其是否满足要求。