一文读懂:汽车总装车间AGV智能物流输送技术研究

2022-07-05 10:00:43 江苏省企业技术改造协会 39

一、前言

目前,随着汽车行业智能制造的快速推进,特别是中国大力推进物联网、大数据、云计算、智能设备的大背景下,企业在智能制造过程之中使用自动化物流系统已经成为了公司提升综合实力的重要举措,对于生产管理过程智能化建设发挥着重要作用,如何有效加强自动化物流系统的应用效果已经成为了企业智能制造重点关注的问题之一。物流在汽车生产中扮演着越来越重要的角色。

物流成本是产品成本中重要的组成部分,同时也在很大程度上影响产品质量。所以,物流的规划实施水平直接影响到企业的竞争力。整车生产工厂中对物流的要求更高,由于汽车是一个高度集成产品,整车近万个零部件除车身外基本都是通过物流配送到工厂的总装线。随着汽车行业的竞争越来越激烈,质量、成本、效率的压力越来越大,总装车间物流快速由粗狂型物流向精益型物流发展。

近年来,随着智能装备、智能制造技术的快速发展,为总装车间精益物流在技术层面提供了更多的可能。在某总装车间技术改造项目中,按照项目建设先进的智能总装车间目标,同时受车间面积不足、工艺规划复杂、通道狭窄所限。团队研究、规划并实施了汽车行业首个全自动物流配送总装车间物流系统。该系统以物流AGV为载体,辅以智能物流器具、配套输送设备搭建硬件框架,通过物流执行系统(LES)依据生产信息发布配送指令,利用AGV智能调度系统分配任务,通过上位控制系统及AGV自身控制系统实现物料的随机精准配送上线。在规划过程中,通过对全车间生产系统及物流系统建立模型,利用仿真技术对物流配送节拍满足性、通道通过性进行模拟仿真,同时对路径、设备数量进行优化。实现质量、成本、效率的最优化。通过该研究,对汽车生产总装车间自动化物流技术实现重大突破,该经验可扩展到汽车生产其他车间。研究内容对于如何提升汽车生产自动化水平具有参考价值。

二、设计参数及技术方案

根据红旗H平台总装车间的生产要求,通过本次智能化改造,建设双班年产10万辆某平台C级车总装车间,产品包括C级轿车、C+级轿车、SUV、电动SUV等多款不同平台乘用车。根据物流器具的设计,器具共分为40种,每辆份整车需要物流器具18个。物流器具共分为SPS器具、批量配货器具以及直送工位器具3种形式。具体器具种类及数量。如表1所示。

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根据上述设计参数,按照生产线布局,合理设置物料入口,将车间物流划分为3个区域。其中一次内饰线、车门线以及仪表板分装线根据物料特点,采用SPS器具,从相邻的物流厂房通过连廊利用AGV输送至总装车间,二次内饰线及底盘线配送件从总装车间物流区利用AGV直接输送上线。底盘准时化件由场外物流车辆直接运至车间物流入口,转换包装后通过AGV输送上线。3个区域采用统一的调度系统分别调度。每个区域设置摩擦线作为器具缓存区,缓存区内物流路线共通,AGV可实现区域内随机调度,AGV根据生产线需求先后顺序到相应的摩擦线挂接器具,从而实现AGV的高效运行。生产线侧根据物流器具种类不同,设置不同的线侧机构其中SPS器具采用AGV随行,或设置随行线,其他器具采用线侧夹紧机构实现精准定位。物流执行系统(LES)通过输入生产信息以及生产线实施生产信息,自动生成物流配送任务,生产线物料呼叫系统发送实时用料信息给AGV调度系统,调度系统下发任务给距离器具最近的返空AGV。车间平面布局图以及物流自动配送线路图,其中①区是内饰SPS配送AGV发货区,该区域器具通过通廊从相邻厂房利用AGV输送至总装车间;②区是外饰底盘批量零件配送AGV发车缓存区;③区是底盘分装准时化零件配送AGV集中发车区。如图1所示。

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图1 车间平面布局

三、设备系统组成

3.1 AGV及控制系统

AGV是指带有自动路径识别等导航系统、安全保护系统以及其他自动移载功能的运输迁移车,属于轮式移动机器人。目前AGV被广泛应用于各类制造工业行业使用。物流输送用AGV从结构、驱动方式、控制方式、导航方式、调度系统等维度可有若干种组合。在AGV选型过程中,针对以上不同维度进行充分的论证分析,结合工厂使用环境选择合适的技术组合用于项目AGV选型。

从机械结构方面,物流AGV一般分为牵引式和背负式2种,其中背负式物流AGV适用于标准化无脚轮器具的运输,一般应用于纯物流区域内物流配送,在总装车间内使用,由于器具的使用模式多样,部分模式需要有脚轮输送,所以在结构形式选型方面采用牵引式,其中非标器具选用前牵引方式,标准器具采用潜伏牵引方式。

AGV的驱动方式决定了AGV的行走模式。目前多采用舵轮驱动、差速驱动、麦克纳姆轮驱动等方式。3种方式各有优缺点,具体分析详见表2。

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通过上表分析,双舵轮AGV在使用场景的多样性方面具备优势,能满足车间面积紧张、物流通道复杂、线边空间紧张带来的对AGV原地旋转以及侧移的要求。

AGV控制系统一般分为单片机控制、PLC控制以及组合控制3种方式。其中单片机控制方式成本较低、兼容性差、使用单位不易掌握维保能力,PLC控制开放性较好,有利于后续扩展、利于标准化,价格相对较高。考虑到未来生产线的调整扩展,以及与调度系统接口的标准化要求,PLC控制系统更具有优势。

AGV的导航方式决定了AGV的环境适应性、运行灵活性,同时在很大程度上决定了工程的成本和实施难度。几种常用不同导航方式的优缺点分析详见表3。

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通过上表分析,主要从成熟度、可靠性、生产稳定性要求等分析,磁条AGV比较适合大批量、环境复杂的总装车间使用环境,但是其路线固定、不美观的缺点也是未来需要提升的问题。

综合上述分析,结合工厂的使用环境要求。来确定AGV及控制系统的技术组合要求。详细配置参数详见表4。

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3.2 综合调度系统

为满足智能化生产车间的作业需求,由多辆AGV构成的集群式AGV系统成为AGV研究和工程应用的热点领域,主要内容包括多调度任务的协调机制研究。研究提高AGV响应和工作效率的有效方法,保证物料的高效流动和准时化供应,AGV无冲突运行机理研究。根据生产需求,制定调度策略和路径规划,实现AGV的无冲突高效运行,避免碰撞和死锁等现象。当系统发生突发情况、设备发生故障、接收紧急订单或插单生产时,需要结束原定的计划和任务,快速、重新完成AGV调度策略的制定及其路径规划”。上述问题相互作用、相互影响,成为AGV自动运行效率提升的关键。同时如何能清晰有效掌握AGV系统的运行情况并进行可视化展示,为生产组织、故障分析提供决策依据。为了解决上述问题,团队调研分析了市场上应用最广的几个中控平台。具体分析见表5。

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基于上述分析,从系统的完整性,与设备的兼容性以及系统的开放性等角度出发,选择了MAXAGV中控平台并基于该平台根据项目需求进行开发。系统从工厂LES系统接收任务,经分解任务后发送给全车间物流系统各AGV及相关设备。网络架构见图2。

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图2 AGV调度系统网络架构

按照区域划分调度系统设置主控服务器与区域服务器2级。主控服务器作为与LES系统接口,接收LES系统指令,生成系统内部订单,并分派给区域服务器,同时作为调度系统的数据存储、分析中枢。区域服务器在接受主服务器指令后对区域内所有AGV和线边设备进行计算后集中控制。系统控制架构见图3。

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图3 AGV调度系统控制架构

3.3 配套设施

AGV自动输送物流改变了传统的物流方式为了配合AGV的自动运行,需要设置相应的自动化机构来满足自动挂接、特殊输送、停止精度等相关要求。在这个项目中,主要在物流器具、通廊升降机以及线边机构等方面创新设计,实现了AGV特殊应用场景的使用需求。

物流器具是和AGV结合最紧密的设置。为了实现AGV与物流器具的自动挂接、拖挂切换、行走模式切换,开发了一套标准化物流器具底盘。物流AGV通过前后2个升降销与物流器具底部挂扣进行连接,带动器具运行,具体为物流AGV升降销升起后,钻人器具底部,升降销与器具底部挂扣连接实现二者之间的固连,当物流AGV带动器具运行到指定地点后,AGV升降销降下,与器具之间脱开,然后AGV启动,从器具底部驶离;通廊上采用AGV挂载2台器具的方式进行转运,前后两台器具之间通过自动脱挂钩机构进行连接,当AGV带动两台器具结束期在通廊上的运行,经过地面凸起的挡铁时,自动触发脱钩机构,实现前后相挂载的2台器具之间的分离;为避免器具成串挂载运行时发生后车甩尾现象,采用一种能够实现器具脚轮在定向轮和万向轮之间自动切换的定万转换机构,实现器具后轮定万向之间的自动切换。满足以上3种功能的关键部件集成于器具底盘上,与地盘上摆放零件的架构不产生任何干涉。具体形式见图4。

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图4 AGV配合标准器具底盘

本项目中创新采用了AGV与物流升降机相结合以适应架空通廊内通过AGV输送物流器具的要求。使用工况为在物流库房内,物流器具摆放在停止位,AGV驶人器具下方,升销挂接器具后牵引器具至升降机入口,升降机下降至与地面齐平后给AGV可进入信号,AGV进入就位后,给升降机发送到位信号,升降机上升至与通廊平台齐平,给AGV到位信号后,AGV驶出升降机,在通廊内运行约100m至总装车间侧,通过升降机降至总装车间。这种方式代替了传统的输送线输送方式,减少了各设备间的转挂环节,在节约成本的前提下,实现了柔性输送(图5)。

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图5 物流通廊升降机

四、生产系统仿真

仿真技术在全自动物流规划过程中起到重要的作用,有助于对整个流程的布局、路线进行分析模拟,并通过动态模拟,直观得出可行性结论;可在规划前期,更好的明确所需设备数量,减少过分投资,节省企业成本;可在仿真数据的输出及分析基础上,提高投入资源的利用率,为企业量产后的运维方式规划提供有效理论依据;有利于得出运行中的瓶颈点,有针对性的进行瓶颈分析、优化,并识别各自动化机械设备的依赖关系,寻求可动率提升点。

4.1 仿真输入

本项目引人数字化物流仿真技术,在设计过程中同步进行物流规划设计方案验证。项目选用SiemensPlantSimulation软件,按照1:1比例针对物流设计方案图纸进行建模,建立物流AGV通道模型;梳理现场物流配送AGV设备参数录人模型;根据物流实施方案设定仿真策略与模型计算逻辑。最终完成数字化物流仿真模拟与物流设计方案结果验证,仿真模型效果如图6所示。

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图6 物流仿真模型图

相较于以往利用数学计算推演方案运行效果的方法,利用物流仿真技术可以建立物流方案数学模型的可视化计算机模型,在此模型基础上通过实验模拟不同现场作业条件下物流方案的运行效果。同时,得益于计算机技术在复杂逻辑运算方面高效的处理能力,可以在项目设计阶段花费极少时间模拟方案投入现场应用后的运行情况,从而识别方案中可能出现的瓶颈点,实验分析可行性方案。

4.2 仿真验证与分析

仿真验证过程实际是通过在数字化模型与现场方案关键要素条件一致的前提下反复进行有针对性的实验从而对方案可行性与瓶颈点进行识别与分析的过程。仿真模型运行效果如图7所示。

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图7仿真模型运行效果

在仿真验证初期,先对已知条件进行梳理、分类,锁定输人参数后,识别所求项。本项目中,已知条件主要基于设备运行参数,在设备运行参数与逻辑关系锁定的前提下,假定设备故障情况服从随机分布,对各配送路线所需AGV设备数量进行实验求最优解,求解过程主要的观察项为工艺生产节拍。仿真分析结果输出如下图8所示。

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图8仿真输出结果

本项目仿真过程中针对道路交通管制点进行物流流量分析,为物流方案优化提供了有力的支撑。针对(工艺与物流)AGV设备流量密集且逻辑复杂的交通管制点进行监测,对每小时不同类型AGV设备通过性与等待频次进行统计分析,物流仿真模型报告中给出了较传统物流规划数学计算方法更为直观的模型分析结果。输出报告如下图9所示。

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图9仿真分析结果

利用物流仿真技术在项目实施前期对物流规划设计方案进行验证,可在方案阶段识别方案运行过程中可能存在的瓶颈点,分析设计方案的可行性。同时,在方案锁定后可以进一步支撑现场运行过程对方案细节调整工作,提高方案细节优化与工艺切替工作效率,降低方案调整成本,对项目质量提升起到了推动作用。

通过3轮仿真及方案修正,对3个区域共计40条路线进行模拟、优化、验证,共优化AGV数量11台,解决路线瓶颈点4处,优化输送线路12条,保证每条线路可动率要求在90%~95%之间,既保证了生产系统的整体可动率,同时消除了人工设计方案中的浪费。使方案在可行的前提下实现最优化。

五、结束语

该研究立项目标确定为设计总装车间100%全自动物流上线系统。按照该目标首先设计了项目的总体方案,根据整体方案对AGV及控制系统、调度系统以及配套自动化机构进行了详细的选型论证及方案设计。然后通过方案设计与模拟仿真同步的方式,对整体物流方案进行设计优化。最终完成了全自动柔性化总装车间物流规划。通过该研究,实现了在不足20000m空间内达到年产10万辆的生产能力,减少车间内物流运输车辆约30辆,减少物流配送人员约60人。该研究成果具备可扩展、可移植、可复制性。总装车间自动化物流建设投资平均可于3年内收回成本,具有较好的经济效益,同时应对产能调整、新产品并人具有极佳柔性。具备同行业及相关物流行业规划借鉴意义。



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