薛棟梁，徐杰穎，謝仕鴻

(中冶南方工程技術有限公司上海分公司，上海 201900)

0 前言

隨著我國人力成本的不斷上升，降低人工成本，提高工廠的自動化程度越來越受各企業(yè)的重視[1]。AGV作為一種自動化的智能移栽設備，可以減輕工人勞動強度，提高作業(yè)效率，提高員工作業(yè)安全性，其使用效果已經得到了普遍認可，也在越來越多的行業(yè)得到廣泛應用。

國內某鋼廠配有一臺十八輥單機架軋機，為滿足其工作輥和側支撐輥的磨削要求，磨輥間配置兩臺工作輥磨床，一臺為進口全自動工作輥磨床(108磨床)，可以自動將舊輥從輥框內吊上磨床，并將新輥從磨床上吊入輥框；另一臺磨床為國產半自動工作輥磨床(107磨床)，使用半自動懸臂吊進行軋輥的吊運。磨輥間所有的軋輥從軋機區(qū)域到磨床采用人工配合行車吊運，卡車運輸并叉車配合作業(yè)的方式，這種方式占用行車的有效作業(yè)時間，員工勞動負荷較重，且經常存在行車和卡車相互等待的情況，有效作業(yè)率低。為此，提出使用現(xiàn)代化的物流運輸設備AGV，并結合立體庫的方法，實現(xiàn)軋輥的運輸自動化，作業(yè)無人化。

1 AGV小車設計

1.1 AGV小車性能指標和外形設計

根據(jù)現(xiàn)場實際工況設計AGV小車的性能參數(shù)見表1。

表1 性能參數(shù)

本文因輥框的特殊性，AGV采用背馱式設計。為方便運輸，軋輥放置在輥框內，以輥框為單元進行輸送，根據(jù)軋機的換輥需求，每個輥框放置5～6根軋輥。AGV運輸輥框的外形圖如圖1所示。

圖1 AGV運輸輥框外形圖(負載輥盒+6根工作輥)

1.2 AGV單車結構設計

如圖2所示，AGV單車結構主要由車體、導航系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、舉升機構等組成。

圖2 AGV單車結構簡圖

(1)車體。車體是AGV的軀體，由車架和相應的機械電氣結構等組成。車架必須根據(jù)承載重量、所載貨物形狀、移載機構以及工廠布置狀況等進行設計，以適應物流系統(tǒng)的需要[2]。

(2)導航系統(tǒng)。導航系統(tǒng)主要解決AGV的定位問題。AGV只有準確判斷了自身位置及目標位置，才能準確無誤的到達目標位置。常用的導引方式有電磁感應導引、光發(fā)射導引、慣性導引、視覺導引、激光導引和磁導引[3-5]。本文由于磨輥間內設備多，環(huán)境復雜，地面會有軋機乳化液及磨床過濾系統(tǒng)產生的油污，且物流交叉較多，需預留變化路徑的能力，因此選擇磁帶導引。

磁帶導航是通過在路面上貼磁帶，根據(jù)磁帶感應信號來實現(xiàn)車輛控制及導航的非常有應用前景的技術。導航磁條鋪設好后，維護費用非常低，使用壽命長，且移動、修改、增刪、變更路徑比較容易。磁導航具有很高的測量精度和良好的重復性，且不易受光線變化的影響，在運行過程中，磁傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

(3)運動系統(tǒng)。運動系統(tǒng)一般由車輪、電機、減速器、伺服控制器、調速器等組成，是一個伺服控制系統(tǒng)[6]。此系統(tǒng)一般由AGV的車載控制器來完成，車載控制器根據(jù)導航系統(tǒng)計算出的控制量通過驅動電機及調速裝置，以此來實現(xiàn)AGV按照規(guī)劃的路徑前進到達目的地。

本項目車輪采用雙舵輪驅動。這種結構的AGV兩個車輪都裝有驅動電機，轉向電機及其動力傳動裝置。雙舵輪驅動包括方位驅動和回旋驅動，兩個車輪與車架通過承重回轉支撐活連接，其他車輪為隨動輪，起承重作用。通過對兩個舵輪轉向角度的控制，可以實現(xiàn)AGV的360°回轉，從而縮小AGV在轉彎時的轉彎半徑，節(jié)省現(xiàn)場空間。雙舵輪的獨立驅動控制，使得AGV可以實現(xiàn)任意角度的橫移功能。

(4)安全防護系統(tǒng)。AGV作為自動化程度很高的一種設備，其安全措施至關重要，必須保證AGV在運行過程中的自身安全，以及現(xiàn)場生產的安全和人員及各類設備的安全[7]。本項目采用SICK激光避障傳感器，并裝有信號燈和聲音報警裝置。AGV運行過程中，傳感器能檢測到AGV運行方向一定范圍內的障礙物，并進行聲光報警提示，以提醒周圍的操作人員。AGV減速或者停止避讓時，障礙物移開后AGV可以自動啟動。同時為了最大程度地保護磨輥間現(xiàn)場的作業(yè)人員、AGV和其他現(xiàn)場設備，在AGV前端加裝機械防撞保護裝置。當AGV碰到障礙物時，機械防撞保護裝置內置的微動開關會立即觸發(fā)，AGV緊急停車，當障礙物移除并關閉急停開關后，AGV才會繼續(xù)運行。

(5)電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)是AGV系統(tǒng)的動力源泉，給設備運行提供動力。電源系統(tǒng)一般有24 V和48 V蓄電池兩種，種類有鉛酸電池、鎳鎘電池及鋰離子電池等。本項目采用48V磷酸鐵鋰電池進行供電，磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。其循環(huán)壽命達到2 000次以上，標準充電使用，可達到3 500次，理論壽命達到7～8年。且磷酸鐵鋰電池無記憶效應現(xiàn)象，電池無論處于什么狀態(tài)，可隨用隨充，無須放完電再充電。電池采用接觸式自動充電系統(tǒng)，或者手動進行充電。

(6)舉升機構。在AGV車體上部設置有舉升平臺，用以在運輸時舉起托盤，舉升高度300 mm。舉升機構采用電驅動。

2 AGV控制系統(tǒng)設計

2.1 AGV控制系統(tǒng)

AGV控制系統(tǒng)示意圖如圖3所示。AGV控制系統(tǒng)是AGV輸送系統(tǒng)的核心，包括AGV中央控制系統(tǒng)和AGV小車控制系統(tǒng)兩部分，兩部分之間采用無線通訊。AGV中央控制系統(tǒng)負責AGV對外的聯(lián)絡，和WMS立體倉庫管理系統(tǒng)之間采用以太網進行通訊，與各工位之間采用無線通訊，與磨床裝卸設備控制系統(tǒng)通過PROFIBUS DP進行通訊。AGV小車控制系統(tǒng)負責完成AGV的日常任務的執(zhí)行、導航和充電，以及各種傳感器和執(zhí)行器的接口，始終保持與AGV中央控制系統(tǒng)進行信息交互，接收和發(fā)送AGV任務和工作狀態(tài)。

圖3 AGV控制系統(tǒng)示意圖

2.2 AGV控制系統(tǒng)主要功能

(1)調度管理功能。調度管理主要包括任務管理、車輛管理、交通管理、通訊管理等。

(2)實時監(jiān)控功能。全動態(tài)實時顯示AGV系統(tǒng)中各臺AGV小車的工作位置及運行狀態(tài)，并顯示各作業(yè)點、充電點的占用信息；查看AGV小車的車載控制器的狀態(tài)，跟蹤指定的AGV小車，取消不在系統(tǒng)中的AGV小車，釋放多臺AGV小車之間的堵塞；并可通過圖形監(jiān)控界面直接下達任務。

(3)路徑變更功能。能夠根據(jù)要求快速變更AGV小車運行的路徑及設定，包括運行路徑和取卸貨站臺位置點的移動、修改、增刪、站臺設置的修改等。

(4)無線局域網通訊系統(tǒng)。AGV車載控制器和中央控制器之間采用無線通訊方式，中央控制器依靠無線局域網向車載控制器發(fā)出系統(tǒng)控制指令，任務調度指令，避碰調度指令。中央控制器同時可接收AGV車載控制器發(fā)出的通訊信號。AGV車載控制器依靠無線局域網向中央控制器報告各類指令的執(zhí)行情況、AGV當前的位置及AGV當前的狀態(tài)。

(5)AGV管理監(jiān)控計算機。AGV管理監(jiān)控計算機是AGV地面控制系統(tǒng)的核心，它主要運行AGV系統(tǒng)管理調度軟件、AGV監(jiān)控軟件、遠程IO控制軟件及AGV調度接口軟件等，AGV管理監(jiān)控計算機通過與其它設備的聯(lián)網達到了數(shù)據(jù)通訊的功能。

(6)在線自動充電功能。在線自動充電系統(tǒng)由地面充電機、AGV電量檢測裝置和充電管理系統(tǒng)構成。AGV在運行過程中電量檢測裝置實時監(jiān)測電池的放電量，當放電量達到指定的數(shù)值時，產生充電申請。AGV通過無線局域網向中央控制器提出充電申請，由中央控制器調度AGV到達充電站進行充電；充電機是全自動的，充電機可自動完成電池電壓檢測、恒流充電、恒壓充電，按標準充電曲線完成整個充電過程。

3 輸送系統(tǒng)設計

周邊輸送系統(tǒng)主要是在AGV的自動上下料位置，這些設備在與AGV進行交接貨物時，在系統(tǒng)監(jiān)控下實現(xiàn)動作的互鎖和協(xié)調。

在本項目中由于托盤最終的定位精度為±2 mm，而AGV的導航精度和定位精度均為±10 mm，所以需要周邊輸送系統(tǒng)來完成最終的定位。周邊輸送系統(tǒng)包括：軋機區(qū)域交換輥架；立體庫出、入(取、送)口設置的交換輥架，取、送托盤時，托盤就放置在此支架上；磨床附近的交貨輥架等。

采用二次機械定位的方式，AGV與交換輥架對接結構，如圖4所示。交換輥架上留有與托盤相配合的錐孔，托盤在下落到交換輥架的過程中，托盤上的錐銷慢慢滑入與之相配合的錐孔，達到保證定位精度的目的。

圖4 AGV與交換輥架對接結構圖

4 AGV在磨輥間的應用

磨輥間AGV物流運輸情況，如圖5所示。軋輥的運輸以輥框為基本單元，每個輥框內放置5～6根工作輥或側支撐輥，使用AGV將舊輥從軋機區(qū)域運輸至立體倉庫進行存儲；然后再從立體倉庫運輸至磨床進行磨削；之后AGV再將磨削好的新輥運輸至立體倉庫，通過計算機管理系統(tǒng)進行協(xié)調，根據(jù)軋機的需要將磨削好的新輥運輸至軋機區(qū)域。同時，為實現(xiàn)整個過程的自動化，設置多個交換輥架，AGV可將輥框自動放置在交換輥架上并從交換輥架上自動運走。

圖5 AGV物流示意圖

磨輥間AGV運輸軋輥的具體步驟：

(1)舊輥從單機架運輸至立庫。操作人員在呼叫終端呼叫所需AGV，計算機管理系統(tǒng)依照指令自動調度相應的AGV小車前往對應站點，將舊輥從交換輥架自動取出，沿已經規(guī)劃好的固定路徑運送至磨輥間立體庫。

(2)舊輥從立體庫運輸至磨床(107/108磨床)。AGV中央控制系統(tǒng)依照由ERP系統(tǒng)或立體倉庫中控中心發(fā)出的指令，按照一定的出庫原則選定出庫貨物，由堆垛機把貨物從貨格中取出送至立庫區(qū)的交換輥架上，然后WMS系統(tǒng)產生出庫任務并將任務送到AGV中央控制系統(tǒng)，AGV中央控制系統(tǒng)分配AGV取貨，按規(guī)定的路線將軋輥放到相應的磨床區(qū)域。

(3)新輥從磨床運輸至立體庫。軋輥磨削完成后，磨床將完成信號傳到AGV中央控制系統(tǒng)，AGV中央控制系統(tǒng)自動產生配送任務，AGV到達磨床取貨，然后按規(guī)定的路線自動將貨物運送至立庫區(qū)的交換輥架上，堆垛機收到貨物到達信息后，自動將貨物入庫，放入系統(tǒng)分配的庫位。

(4)新輥從立庫輸送至軋機區(qū)。新輥由立體庫區(qū)的堆垛機取件放置在出庫工位交換輥架上，然后通過立體庫的倉庫管理系統(tǒng)產出成品出庫任務，然后出庫任務傳送到AGV中央管理系統(tǒng)，AGV中央控制系統(tǒng)自動產生AGV配送任務；由該系統(tǒng)分配AGV執(zhí)行任務。AGV小車到達出庫工位進行自動取料，沿著已規(guī)劃的路徑運輸?shù)杰垯C區(qū)域。

(5)新輥配對。AGV將需要配對的新輥，從108磨床自動運輸至107磨床，采用107磨床的懸臂吊進行人工配對。

(6)AGV自動充電。規(guī)劃1個AGV自動充電區(qū)，每個充電區(qū)配置2個自動充電結構和2套自動充電機。當無作業(yè)請求時，AGV向中央控制系統(tǒng)發(fā)送復位請求，AGV自動返回停車區(qū)或充電區(qū)自動充電。

5 結束語

AGV在現(xiàn)代制造車間應用比較多，在鋼鐵行業(yè)冷軋磨輥間使用尚屬首次，本項目采用重載AGV，可降低物料運輸成本，減輕勞動強度，提高作業(yè)效率，減少貨物處理和信息處理過程的差錯并合理有效地結合庫存管理，提高管理水平，提升企業(yè)的安會性，降低企業(yè)事故的發(fā)生率。隨著技術的發(fā)展，重載型AGV在現(xiàn)代制造車間中會有越來越多的應用價值。