易延洪

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 引言

HFALS（H-Frame AGV Line-feeding System）是一種雙向自動上料AGV系統(tǒng)，即拖掛多節(jié)H型車架的自動引導AGV小車組成的自動上線系統(tǒng)，主要應用于根據(jù)車身車間門蓋總成零件的生產(chǎn)任務，自動計算并精益匹配就近的AGV資源來完成所需散件和總成零件的自動配送。H-frame AGV車頭同時拖掛4臺H型車架小車，相比上一代E-frame AGV，提高了50%的送料效率，采用成熟的磁帶導航方式引導AGV按照規(guī)定路徑穩(wěn)定行駛，同時結(jié)合磁條保護帶提高了磁條使用的耐久度，配備激光掃描安全保護裝置和機械防護裝置保證了車間運作安全，在線自動充電方式提高了AGV小車利用率。隨著汽車制造業(yè)趨于訂單化生產(chǎn)和智能物流技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工送料方式逐漸被替代。新型的AGV方式在智能物流項目中得到越來越多的應用，可以大幅度降低企業(yè)物流運營成本、降低工人勞動強度并提高車間運作安全性。本文主要針對HFALS在車身車間的應用，介紹其主要組成部分、運作流程和應用效果。

2 HFALS的主要組成部分

HFALS主要包括了拖掛有4臺H型車架輸送機構的AGV小車、供電系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)和周邊接口系統(tǒng)等。AGV小車和具有自動移載功能的H型車如圖1、圖2所示。

2.1 AGV小車

AGV的技術指標如下：AGV采用上位機中控系統(tǒng)集中調(diào)度、監(jiān)視和管理；AGV控制方式具備全自動／半自動／手動三種模式；通信方式為無線局域網(wǎng)；導航方式為磁帶導航；結(jié)構方式為舵輪驅(qū)動，鏈驅(qū)滾筒輸送；負載能力≥3 000kg，自重為300kg；最大速度為直線60m／min；導航精度為±10mm，停車位置精度為±10mm；充電方式為手動充電、全自動在線充電；AGV車體尺寸（參考）為1 850mm×850mm×600mm；最小轉(zhuǎn)彎半徑為4m；電池組為鋰電池，48V／30AH；安全防護為激光安全掃描器+碰撞保險杠。

圖1 AGV小車

圖2 H型車

AGV的機械結(jié)構主要由車體、驅(qū)動裝置和轉(zhuǎn)向機構三部分組成。車體為框架式結(jié)構，由鋼板焊接而成，承受負載的能力強，車體外覆蓋不銹鋼板，外表美觀。H-Frame AGV的負載能力高達3t，相比EFrame AGV提升了50%。負載的提升帶來了電機功率提升、成本增加，電機體積增加，影響實際物流運作、人機工程不佳等問題亟待解決。經(jīng)過理論計算和分析，主要通過新穎的舵輪AGV和H-Frame相結(jié)合方式來有效分配載荷，第一次實現(xiàn)了AGV本身由舵輪方式驅(qū)動，比差速輪方式更加靈活可靠，提高了AGV的電機使用壽命和每次運輸?shù)难b載量。

2.2 H型車架輸送機構

AGV實現(xiàn)自動輸送物料和線邊雙向自動空滿箱對接、切換，主要通過采用H型車推拉移載機構來完成相應動作。相比傳統(tǒng)運輸方式牽引車、鏟車及普通AGV，H-Frame AGV能在同一方向上實現(xiàn)左右兩側(cè)換箱上料；并且此AGV采用安全牽引的形式，減少了車體本身的占用空間；進而在狹窄道路也可運行自如，克服了道路瓶頸，提高了道路利用率；在車間生產(chǎn)線邊，通過首創(chuàng)性的H-Frame雙向拉伸實現(xiàn)了以智能算法選取最短路徑靠近線邊，節(jié)約了線邊空間，解決了掉頭轉(zhuǎn)彎再上料的困擾。

H型車的機械結(jié)構由車體、行進機構、轉(zhuǎn)向機構和自動推拉料箱移載機構組成。車體為“H”型框架結(jié)構，由高強度鋼板焊接而成，具有較強的負載能力。H型車自動推拉機構抓取料架的準備狀態(tài)如圖3所示，AGV通過地標信號確定當前位置，并與滾筒連廊線進行信息交互，相互確定準備狀態(tài)。

圖3 自動推拉機構（準備就緒）

自動推拉料架結(jié)構如圖4所示，由上插、中插、下插和掛鉤組成的插伸機構總成。當信息相互校驗確定后開始抓取工作，插身的伸縮由電動機的正反轉(zhuǎn)帶動鏈條使插身伸縮，掛鉤由拉桿電動機的伸縮拉動鏈條來帶動掛鉤的升降，并通過傳感器確保料架安全掛上并鎖住。

2.3 地面導引系統(tǒng)

地面導引系統(tǒng)是AGV運行的路線和軌跡，AGV的導航系統(tǒng)采用磁帶導航方法（如圖5所示），導航軌跡由磁性橡膠在路面上鋪設而成，通過霍爾傳感器進行磁性檢測，獲得AGV位置信號；AGV軌跡發(fā)生偏離時，霍爾偏移位置和霍爾中心位置進行偏差計算，偏差送入控制器PID算法處理；將偏差轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向位移或速度，控制轉(zhuǎn)向以達到控制車體姿勢通過磁導航傳感器不間斷的感應磁條產(chǎn)生的磁信號實現(xiàn)導航，并通過讀取預先埋設的RFID卡來定位并完成指定任務。由于地面上會有掃地車等壓過，磁條容易損壞，通過鋪設高強度的磁條保護帶，提高磁條的使用壽命，降低后期的維護成本。

圖4 自動推拉機構（抓取料架）

圖5 導航磁條保護帶

2.4 安全系統(tǒng)

H-Frame AGV采取安全措施的防護裝置為同時配備Sick激光安全光柵、安全氣囊和激光射燈三種裝置，如圖6所示。通過Sick安全光柵、地標卡信息、點剎三者有效結(jié)合的方式來避免速度過高引起的安全隱患。通過激光射燈在AGV的前方地面上打出一束光線，顯示出AGV的動態(tài)行駛安全區(qū)域，視寬提醒行人注意主動避讓。當AGV遇到前方障礙物時，在3m位置處激光安全光柵觸發(fā)報警并減速，當行駛到2m位置處時進一步減速并觸發(fā)聲光提醒，在0.5m位置處停下運行。若緊急情況下直接碰觸到車體前方的安全氣囊也會直接停車，同時在AGV前面板及右側(cè)設有緊急停車按鈕，保證AGV的安全運作。根據(jù)AGV的速度和上下料位置，通過傳感器可預設多個行駛分區(qū)，AGV車載控制器的軟件保護措施齊全，提高了AGV安全運作的穩(wěn)定性和人員安全。

圖6 H-Frame AGV安全系統(tǒng)

2.5 監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)

HFALS的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)主要是對多臺AGV進行任務分配、車輛管理、交通管理、通訊管理等，其系統(tǒng)界面如圖7所示。任務管理主要是提供對AGV地面控制程序的解釋執(zhí)行環(huán)境，以及根據(jù)任務優(yōu)先級和啟動時間的調(diào)度運行，同時提供對任務的各種操作如啟動、停止、取消等。車輛管理是根據(jù)物料搬運任務的請求，分配調(diào)度AGV執(zhí)行任務，根據(jù)AGV行走時間最短原則，計算AGV的最短行走路徑，并控制指揮AGV的行走過程，及時下達裝卸貨和充電命令。交通管理是根據(jù)AGV的物理尺寸大小、運行狀態(tài)和路徑狀況，提供AGV互相自動避讓的措施，同時避免車輛互相等待的死鎖方法和出現(xiàn)死鎖的解除方法；AGV的交通管理主要有行走段分配和死鎖報告功能。通信管理提供AGV地面控制系統(tǒng)與AGV單機、地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面IO設備、車輛仿真系統(tǒng)及上位計算機的通信功能。和AGV間的通信使用無線電通信方式，需要建立一個無線網(wǎng)絡，AGV只和地面系統(tǒng)進行雙向通信，AGV間不進行通信，地面控制系統(tǒng)采用輪詢方式和多臺AGV通信；并與地面監(jiān)控系統(tǒng)、車輛仿真系統(tǒng)、上位計算機交互信息和通信。

通過監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)可以看出AGV的位置、是否在運行、線邊是否有呼叫、線邊哪一個工位在呼叫以及AGV通信是否已經(jīng)連接上，通信上的設備均顯示在線路上，增強了調(diào)度監(jiān)管和AGV的管控力度。

圖7 監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)界面

3 HFALS的應用

上汽大眾汽車有限公司首次將HFALS應用在車身車間門蓋中心，如圖8所示，本次主要完成四門兩蓋外購散件從倉庫區(qū)到生產(chǎn)線邊的自動上線，以及總成零件的滿料架從生產(chǎn)線自動下線到連廊滾筒區(qū)，并且完成線邊空滿料架的自動切換。

3.1 工藝規(guī)劃

車身車間門蓋中心規(guī)劃生產(chǎn)3種車型，產(chǎn)能為60JPH，設備開動率90%，節(jié)拍時間54s，運作溫度在15-28℃，運行濕度≤60%，共六大分拼模塊，四門和前蓋模塊可適應多個車型的共線生產(chǎn)，后蓋模塊分兩個區(qū)域獨立生產(chǎn)，大致工藝布局如圖8所示。在分拼總成的下線區(qū)域安裝田字機構，每個田字機構都有四個位置，分別是一個空位置，一個正在裝箱位置，一個空料架位置和一個滿料架位置。當AGV到達田字機構位置時，不需要等待直接可以進行空滿料架的自動切換，節(jié)約線邊料架切換時間。由于車身車間車型復雜、零件品種多、節(jié)拍高的零件等特點，每種零件的料架尺寸、裝箱數(shù)、重量等都不相同；若針對每一種料架都設計不同的標準框，將給現(xiàn)場存儲、管理帶來麻煩，同時成本也必然上升；故設計研發(fā)出一種能適應大多數(shù)情況的通用型標準框，可以和配合AGV運作進行運作，并適用于料架自由搭配組合。通過對標準框結(jié)構和H-Frame結(jié)構進行深入分析，研制出兩種規(guī)格的標準框，一種大標準框適應于總成下線零件，一種小標準框適應于外購件（包括鐵箱和塑箱零件），極大的方便了現(xiàn)場運作。

前兩個車型的零件總數(shù)164種，實現(xiàn)AGV自動上線和下線的零件總數(shù)高達140種，并為第三種車型預留了相應的空間和自動上下線的可能性。首先是將零件分成2組，一組零件為外購散件，一組零件為已完成加工的總成零件。以總成零件下線為例，進行AGV規(guī)劃的計算分析，主要考慮因素有路線、料架大小、料架搭配邏輯、上線頻次、物料配比、充電時間等。一臺AGV拖掛4節(jié)H-frame，完成四箱滿箱料架自動下線任務所需要的時間T：

式中：

圖8 工藝規(guī)劃線路

T—周期時間，單位為分鐘（min）；

T1—行駛時間，單位為分鐘（min）；l1為高速行駛距離，v1為高速行駛速度；l2為中速行駛距離，v2為中速行駛速度；l3為低速行駛距離；v3為低速行駛速度；l4為轉(zhuǎn)彎線路行駛距離；v4為轉(zhuǎn)彎線路行駛速度。

T2—移載時間（包括移載通訊時間），單位為分鐘（min）；t5為單次空滿架切換時間，n5為一個循環(huán)需單次切換的次數(shù)；t6為4節(jié)H-frame同時切換時間，n6為一個循環(huán)需同時切換的次數(shù)。

T3—充電和避讓時間，單位為分鐘（min）；t7為單次充電時間，n7為一個循環(huán)需充電次數(shù)；t8為交叉點單次避讓時間，n8為一個循環(huán)的避讓交叉點數(shù)量。

如高速行駛距離為240m，高速行駛速度為60m/min；中速行駛距離為90m，中速行駛速度為30m/min；低速行駛距離為60m，低速行駛速度為15m/min；轉(zhuǎn)彎行駛距離為20m，轉(zhuǎn)彎行駛速度為10m/min。單次空滿架切換時間為1.5min，一個循環(huán)需要切換4次空滿架；4節(jié)H-frame同時切換時間為2min，一個循環(huán)需要切換2次。單次充電時間為3min，一個循環(huán)需充電3次；交叉點避讓時間為1min，一個循環(huán)的避讓交叉點數(shù)量為3個?？梢缘贸鐾瓿梢淮紊暇€任務所需時間T為35min。

一般情況下，生產(chǎn)線四門零件的裝箱數(shù)m1為10，前后蓋的裝箱數(shù)m2為5，m=m1=2m2=10，故需搭配上線每次AGV運輸2個門2個蓋，60JPH的車間，設備開通率90%，可以根據(jù)下面公式計算出線邊需求的換箱時間T′：

由于完成一次上線任務所需時間T大于線邊需求的換箱時間T′，故針對四門兩蓋總成零件分為2組，每組零件需要4臺AGV來完成上線，進而計算出兩組6個零件所需的AGV數(shù)量為8臺。

式中：N—所需的AGV臺數(shù)。

實際生產(chǎn)中，常常是多車型多零件混合同時生產(chǎn)，就要考慮到后續(xù)車型的零件裝箱數(shù)需與現(xiàn)有的保持一致，同時生產(chǎn)任務調(diào)度盡量做到智能化。

3.2 工作流程

AGV牽引4臺H型車并帶著空滿物料箱在行駛路上按需自動充電，系統(tǒng)通過線邊的消耗情況及生產(chǎn)信息預判零件需求，并反饋給AGV調(diào)度系統(tǒng)。KT外購件根據(jù)生產(chǎn)線的生產(chǎn)任務自動分派送料任務，并在庫區(qū)②的大屏幕上進行顯示，庫區(qū)鏟車工根據(jù)任務選取相應的料架進行滾筒線編組，AGV帶著空料架回到庫區(qū)，先將空料架輸送到滾筒線上，再去自動抓取所需的滿料架，然后自動駛向線邊工位。ZSB總成零件在線邊完成生產(chǎn)后，線邊工人按線邊完成按鈕，AGV系統(tǒng)接受到相關信號后，通過與田字機構的有效配合，可及時有序的將空料架自動送到線邊，并將滿料架自動抓取到H-frame上，然后自動輸送到庫區(qū)連廊滾筒區(qū)④的位置，當?shù)轿缓笈c連廊進行信息交互，校驗完成后將滿料架輸送到滿料架專用滾筒線上，并繼續(xù)前進到預定位置，同時將下一次需要輸送的四節(jié)空料架同時抓取到H-frame，空料架的編組時間從6min降低到2min，提高了編組效率。第一次實現(xiàn)門蓋中心全過程AGV，物流自動化率高達85.4%，即外購件KT全部自動上線和總成ZSB全部自動下線。并第一次實現(xiàn)AGV和連廊自動對接、自動輸送，通過引入RFID標簽用于總成零件，實現(xiàn)自動計數(shù)和任務精準調(diào)度。

3.3 運行效果

經(jīng)過一年多的運行，HFALS能按照車身車間門蓋中心的生產(chǎn)任務自動配送四門兩蓋的散件和總成零件；AGV小車及系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，并實現(xiàn)了從在外購散件倉庫區(qū)到生產(chǎn)線邊，再到連廊滾筒區(qū)的自動空滿箱切換。HFALS更加自動化、智能化、數(shù)字化，減少了人力、物力投入，并提高了車身車間的智能制造水平，使生產(chǎn)物流更加精益。HFALS智能排序上線，實現(xiàn)了零件的FIFO，全過程的可視化、可追溯、實時監(jiān)控，以及動態(tài)分析、智能提醒和預警。

4 結(jié)語

汽車生產(chǎn)制造趨于訂單化、智能化和柔性化，給車間現(xiàn)場物流帶來了更大的挑戰(zhàn)和機遇。HFALS這種物流新技術在智能制造中可以得到越來越多的應用，只需根據(jù)工藝規(guī)劃及生產(chǎn)任務來合理規(guī)劃、應用，便可進一步降低物流成本。通過在實際運行中的不斷創(chuàng)新完善，使HFALS更加穩(wěn)定有序、精益高效，極大地提高車間的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，并可復制推廣到其他工廠和應用場景。