? ?摘要:探討自動物流技術在棉紡織生產中的應用。以AGV小車及碼垛機器人為例進行分析,介紹了AGV小車及碼垛機器人的現狀,論述了AGV自動導引車和碼垛機器人的組成及工作原理,分析了AGV自動導引車和碼垛機器人的發展趨勢。指出:自動化物流技術發展將呈現出智能化、網絡化、柔性化、節能化趨勢,自動物流技術可以提高工作效率,節約用工,從而降低企業生產成本。
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? ?1 引言
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? ?自動化物流技術是指利用各種機械和運輸設備,計算機系統和綜合作業協調等技術手段,對物流系統進行整體規劃。從而使物流的相關作業和內容省力、高效、合理、快速、準備、可靠。AGV(Automatic Guided Vehicle)小車和碼垛桁架機器人便是自動化物流設備的典型代表。
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? ?自動導引車AGV(AutomaticGuided Vehicle) 是現代自動化物流系統中的關鍵設備之一,該類型小車是指裝備有電磁、光學、視覺等自動導引裝置,能夠按照規定的導引路線自動行駛的多功能運輸小車。而由一輛或多輛AGV組成的運輸系統是一個完全自動化系統,稱為自動導引車AGV系統,它在倉庫和制造廠等工業環境中提供后勤服務。對于AGV的研究及應用始于20世紀50年代,由于其具有可靠性、靈活性、智能化等顯著特點已在汽車、家電、制藥、電力等眾多行業領域得到廣泛應用,但目前在棉紡行業應用較少。海爾集團于2000年用9臺AGV組成一個柔性的庫內自動搬運系統,成功完成了每天23 400件貨物和零部件的搬運任務,瑞典的Volvo汽車裝配廠成功將AGV應用于汽車裝配線,使得裝配時間減少了20%,裝配故障減少39%,投資回收時間減少57%,勞動力減少5%,自20世紀90年代以來,AGV小車進入高智能化、數字化、網絡化、信息化時代。到目前為止,全世界已有AGV系統10 000多個,約100 000輛AGV小車。
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? ?有碼垛機器人是用在工業生產過程中執行大批量工件的獲取、搬運、碼垛、拆垛等任務的一類工業機器人,是集機械、電子、信息、智能技術、計算機科學等學科于一體的高新機電產品。碼垛機器人技術在解決勞動力不足、提高勞動生產效率、降低生產成本、降低工人勞動強度、改善生產環境等方面具有很大潛力。國外先進的工業機器人技術和高度發達的機器人產業使得碼垛機器人在各行各業都得到了廣泛的應用。奧地利、瑞士、挪威等國家的釀酒廠、咖啡企業以及食品生產廠家,為減輕工人的負擔,提高生產能力,降低產品破損率,利用碼垛機器人,借助特殊的智能末端執行器,精準地抓取(或吸取)紙盒、香蕉紙箱、啤酒塑料箱或托盤,完成搬運和碼垛(或拆垛)。基于PC的控制平臺確保機器人能同時處理4條生產線和多種類型產品,整個過程中對象不會承受過大的夾持力或吸力,而且緊湊的設計使機器人的占地面積和工作空間達到了理想的水平。隨著我國經濟的持續發展和科學技術的突飛猛進,碼垛機器人得到了大量應用,目前多應用在啤酒、飲料、食品、煙草、物流等勞動強度大、生產量大、工傷事故率高的企業,為提高企業生產自動化水平、生產能力,改善企業生產和管理環境,增強企業競爭力,做出了很大的貢獻。
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? ?2 AGV小車和碼垛機器人的結構及工作原理
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? ?2.1 AGV小車結構及工作原理
AGV小車是一種以電池為動力,裝有非接觸導向裝置的無人駕駛自動化運輸工具。它的主要功能是在計算機監控下,按規劃的路徑和作業要求,使小車準確地行走并停靠在指定地點,完成一系列作業功能。自動導引車AGV主要由車載控制系統、車體系統、導航系統、行走系統、安全和輔助系統等組成。
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? ?2.1.1 車載控制系統
? ?車載控制系統是AGV小車的核心部分,一般由計算機控制系統、導航系統、通訊系統、操作面板和電機驅動器等構成。計算機控制系統可采用PLC、單片機及工控機等。導航系統根據導航方式不同可分為電磁導航、磁條導航、光學導航、激光導航、慣性導航等。通過導航系統使AGV單車確定其自身位置,并能沿正確路徑行走。通訊系統是AGV和控制臺之間交換信息的橋梁,由于無線電通訊具有不受障礙物阻擋的特點,一般在控制臺和AGV之間采用無線電通訊。操作面板的功能是在AGV調試時輸入命令,并顯示有關信息。
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? ?2.1.2 車體系統
? ?車體框架是裝配AGV其它零部件的主要支撐裝置,主要分為主框架和副框架兩部分。主框架用于安裝各種控制和通訊設備。副框架則安裝輪子、各種傳感器和驅動電機。總的來說,AGV車架相當于汽車底盤,是AGV機械部分的關鍵。車架設計及工藝的合理性直接影響AGV的定位精度。
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? ?2.1.3 導航系統
? ?AGV單車的導航系統是用來保證小車沿正確路徑行走,并保持一定的行走精度。根據導航方式一般可分為以下幾種類型。
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? ?電磁導引。電磁導引是在AGV小車行走路徑上埋設金屬導線,并加載低頻、低壓導引電流,使導線周圍產生磁場,AGV小車上的感應線圈通過對導引磁場強弱的識別和跟蹤來實現導引。其主要優點是引線隱蔽,不易污染和破損。缺點是路徑的擴充、更改麻煩。
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? ?磁條導引。磁條導引和電磁導引類似,只是把電磁導航中的金屬線改換成磁條。并在感應線圈外增加一個激勵線圈。
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? ?光學導引。光學導引一般是在運行路徑上鋪設一條具有穩定反光率的色帶。車上設有光源發射和接受反射光的光電傳感器,通過對檢測信號的比較調整車輛的運行方向。其優點是導引原理簡單,制造成本低;缺點是易受干擾。
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? ?慣性導引。慣性導引是在AGV小車上安裝慣性陀螺儀,在行駛地面上安裝定位塊,小車可通過陀螺儀偏差信號的計算及地面定位塊信號的采集來確定自身的位置和方向,從而實現導引。其優點是定位準確性高,靈活性強;缺點是陀螺儀對振動敏感,地面條件對小車的可靠性影響較大,維護成本高。
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? ?激光導引。激光導引是在小車行駛路徑的周圍安裝激光反射板,小車通過發射激光束,并采集由不同角度反射板反射回來的信號,根據三角幾何運算來確定當前的位置和方向,從而實現對小車的導引。其優點是定位精度高,能適應復雜的路徑條件及工作環境,并容易變更行駛路徑;缺點是成本較高,車型構造復雜。
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? ?視覺導引。視覺導引是利用圖像傳感器采集路面上設置路標信息,通過計算機進行處理、識別,從而計算出車輛與路標之間的相對位置偏差從而控制運行方向。其優點是路徑的設置變更簡單,維護方便;缺點是圖像傳感器采集信息易受外部光線等因素的干擾。
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? ?2.1.4 行走系統
? ?行走系統一般由驅動輪、從動輪和轉向輪組成。形式有三輪、四輪、六輪及多輪等,三輪結構一般采用前輪轉向和驅動的方式,而四輪或六輪一般采用雙輪驅動、差速轉向或獨立轉向方式。
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? ?2.1.5 安全與輔助系統
? ?為避免AGV在系統出現故障或有人員經過小車工作路線時發生碰撞,AGV小車一般都帶有障礙物探測及避撞、警音、警視、緊急停止等裝置,另外,還配備自動充電等輔助裝置。
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? ?此外,為了*大限度保護工作人員小車前端還設置了接觸式安全環。當物體接觸車體前的安全環時,內置的開關會立即觸發小車緊急停車。當接觸式安全環被釋放且故障排除后,小車才被允許繼續行走。
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? ?2.2 碼垛機器人結構及工作原理
? ?機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機。這種操作機具有多個軸,能借助可編程操作來處理各種材料、零部件、工具和專用裝置,以執行各種任務。碼垛機器人是機器人的一種,其主要功能是完成工業生產過程中大批量工件的搬運、碼放等任務。目前,我國自主研發的碼垛機器人的結構型式主要有直角坐標型、關節型、直角坐標型,碼垛機器人為3軸機器人,3根運動軸對應直角坐標系中的X軸、Y軸和Z軸。直角坐標機器人的傳動主要是通過驅動電機的轉動帶動同步帶運動,同步帶帶動直線導軌上的滑塊運動。直角坐標機器人具有定位精度高、空間軌跡易于求解、計算機控制簡單等優點。直角坐標碼垛機器人主要由機器人底座、3根運動軸(X、Y、Z)、抓具及控制系統等組成。
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? ?2.2.1 機器人底座
? ?機器人底座部分主要用于機器人的安裝,采用鋼板預埋的形式,經過土建工程大致找平預埋鋼板的軌道安裝面。
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? ?2.2.2 X軸
? ?X軸整體采用鋁合金骨架,安裝于底座之上,雙列布置,與底板之間設置有軌道高度調節板,壓塊,以保證地軌安裝的直線度和地軌的穩靠牢固。雙邊直線導軌支撐,傳動采用齒輪齒條形式,驅動源為伺服電機,整體運行噪音小,精度高。相關的傳動部位采用防護措施。
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? ?2.2.3 Y、Z 軸
? ?Y、Z運動軸采用同步帶電缸形式,直線導軌導向,伺服電機驅動,整體為懸臂簡支結構形式,連接處經過特殊設計,可以有效提高機器人剛性和負載能力。電缸以鋁型材作為機身,重量輕,運行精度高,表面加鋼帶密封裝置,充分滿足現場的應用要求。
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? ?2.2.4 抓具
? ?根據抓取物料的自身屬性,采用不同的抓具形式進行抓取,抓具設計形式靈活多變。
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? ?2.2.5 控制系統
? ?控制系統 主要實現對碼垛機器人的相關流程、參數的設置,及對其進行操作控制;此外,還可以實時記錄、顯示、保存碼垛機器人的相關狀態及參數,并對各種故障進行記錄和實時處理。
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? ?控制系統由PLC、觸摸屏、執行器件及各種檢測傳感器構成,其各部分功能如下:
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? ?PLC。PLC是碼垛機器人各個運動及動作的控制器,接受上位機、觸摸屏的數據,完成各具體運動的控制和狀態檢測,并通過相關數學和邏輯運算控制各運動協調、有序的運動,并將碼垛機器人的各種數據上傳給上位機。
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? ?觸摸屏。觸摸屏完成碼垛機器人的運動流程、參數設置、實時顯示和操作,是人機操作界面。
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? ?執行器件:執行器件完成各運動的實現。
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? ?檢測傳感器:檢測傳感器完成對各個運動及狀態的檢測。
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? ?3 AGV小車及碼垛機器人發展趨勢
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? ?現代AGV小車發展趨勢是智能化、數字化、網絡化。以真實環境下的規劃技術為標志,開展更高層次的研究與應用。AGV小車車載計算機的軟、硬件功能日趨強大,使得小車更方便從網絡、無線或其它信號接收裝置接收指令,從而實現自動行駛、自動作業、自動管理、自動診斷等功能。AGV動力裝置也逐漸由傳統鉛酸電池向高性能鋰電池轉變,這必將大幅提高充放電比,并縮短充電時間。動力性能的進步必然也會使得AGV小車運載能力和車體設計得以進一步優化。
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? ?碼垛機器人目前已廣泛應用在包裝、物流、食品、飲料、化工、建筑、醫藥等行業,可完成食品、藥品、啤酒飲料等多種產品的裝箱、搬運、碼垛、拆垛等作業,實現了傳統制造企業生產自動化,大大提高了生產能力和經濟效益。高負載型機器人、并聯機器人、多智能體調控技術、遠程遙控、網絡化機器人控制技術以及機器視覺高精度檢測和引導,將是碼垛機器人重點發展方向
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? ?4 結束語
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? ?隨著國內、外工業智能化轉型腳步加快,對于自動物流設備的需求呈快速增長趨勢。隨著現代科學技術的快速發展,自動化物料設備的性能必將得到不斷完善與提高,功能也將越來越多樣化,從而使其適合更廣泛的工業及非工業的需要,必將得到越來越廣泛的應用。
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