盧揚(yáng)揚(yáng)，戴勇波，范秀斌

（北京星航機(jī)電裝備有限公司，北京 100074）

數(shù)字化總裝車間智能物流配送系統(tǒng)的應(yīng)用

盧揚(yáng)揚(yáng)，戴勇波，范秀斌

（北京星航機(jī)電裝備有限公司，北京 100074）

航天器的裝配技術(shù)是航天制造技術(shù)的重要組成部分，基于數(shù)字化制造模式下的柔性裝配技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)航天產(chǎn)品快速高效研制的有效途徑。針對(duì)航天產(chǎn)品總裝過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化裝配的要求，設(shè)計(jì)了基于麥克納姆輪視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的物料配送系統(tǒng)，在調(diào)度管理系統(tǒng)路徑規(guī)劃下完成部件、成件和產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運(yùn)、自動(dòng)對(duì)接等任務(wù)。

數(shù)字化；裝配；麥克納姆輪；自主導(dǎo)航；調(diào)度系統(tǒng)

0 引言

數(shù)字化裝配系統(tǒng)需要完成對(duì)部件、成件，標(biāo)準(zhǔn)件的安裝及轉(zhuǎn)運(yùn)的任務(wù)。數(shù)字化裝配系統(tǒng)包含裝配工作站和全向智能轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，裝配工作站完成產(chǎn)品總裝過(guò)程的生產(chǎn)準(zhǔn)備及部件對(duì)接、分系統(tǒng)及成件安裝等工作內(nèi)容。智能物流配送系統(tǒng)完成部件、成件及產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)。

圖1 裝配系統(tǒng)安裝工序及物料轉(zhuǎn)運(yùn)圖

數(shù)字化裝配系統(tǒng)從零部件出庫(kù)到產(chǎn)品入庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了智能轉(zhuǎn)運(yùn)、自動(dòng)化裝配，具有以下功能：

1）數(shù)字化裝配工作臺(tái)能夠完成部件的自動(dòng)對(duì)接，成件的自動(dòng)裝配。

2）全向智能轉(zhuǎn)運(yùn)車具有遙控和自主導(dǎo)航功能，庫(kù)房有三個(gè)區(qū)域即部件庫(kù)房，成件、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)房和產(chǎn)品庫(kù)房，智能轉(zhuǎn)運(yùn)車需要完成不同轉(zhuǎn)運(yùn)導(dǎo)航功能。

3）全向智能轉(zhuǎn)運(yùn)車導(dǎo)航到達(dá)工位處能夠完成與工位自動(dòng)對(duì)接。

4）裝配工位產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)360°自動(dòng)清倉(cāng)。

1 智能物流配送系統(tǒng)原理

智能物流配送系統(tǒng)包含全向智能轉(zhuǎn)運(yùn)車平臺(tái)，主控調(diào)度系統(tǒng)，自主導(dǎo)航系統(tǒng)，安全防撞系統(tǒng)等，物流配送系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1）全向車智能轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)包含車體及車架、控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和無(wú)線遙控系統(tǒng)。

2）主控調(diào)度系統(tǒng)完成多臺(tái)車轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)度及在線監(jiān)控的功能。

3）自主導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)視覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量地面顏色帶的角度和偏移量，并反饋到車體控制器中。

4）自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)完成車體與工位導(dǎo)軌的精確對(duì)接，部件及產(chǎn)品能夠順利渡過(guò)。

5）安全防撞系統(tǒng)能夠測(cè)量障礙物距離進(jìn)行減速或停止。

2 全向智能轉(zhuǎn)運(yùn)車平臺(tái)原理

全向智能轉(zhuǎn)運(yùn)車采用麥克納姆輪設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)前后，左右和原地旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，既能滿足空間狹窄車間艙段及成件的轉(zhuǎn)運(yùn)，又能滿足物料自主導(dǎo)航配送。要實(shí)現(xiàn)車體全方位運(yùn)動(dòng)必須四個(gè)麥克納姆輪組合運(yùn)動(dòng)完成，動(dòng)力系統(tǒng)是通過(guò)48V200AH電池組逆變成220V給伺服驅(qū)動(dòng)輪供電，其運(yùn)動(dòng)分析[1]如圖3所示。

圖2 物流轉(zhuǎn)運(yùn)車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 麥克納姆輪全向車結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)以車體中心為原點(diǎn)建立xoy坐標(biāo)系，其中ω為小車以O(shè)點(diǎn)為中心的角速度且令順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，v'ixv'iy為x'o'y'坐標(biāo)系下點(diǎn)O'點(diǎn)的廣義速度，ωi為輪子角速度，vig為輥?zhàn)樱ㄐ≥啠┑乃俣?，α為輥?zhàn)樱ㄐ≥啠┹S中心線與輪子的軸中心線的夾角，r為輪子半徑，得到輪轉(zhuǎn)速到中心的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)公式如下：

其中r=0.2m，lx=0.75m，ly=1.4m，可得：

通過(guò)設(shè)定車體vx，vy，ω可以推算出個(gè)輪子的角速度，從而可以實(shí)現(xiàn)全方向移動(dòng)。

當(dāng)車體實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退時(shí)，令vx=0，ω=0得出：ω1=ω2=ω3=ω4；

當(dāng)車體實(shí)現(xiàn)左右橫移時(shí)，令vy=0，ω=0得出：ω1=-ω2=-ω3=ω4；

當(dāng)車體實(shí)現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)時(shí)，令：

得出：-ω1=ω2=-ω3=ω4。

3 自主導(dǎo)航系統(tǒng)

全向智能轉(zhuǎn)運(yùn)車搭載自主導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從庫(kù)房到工位間的自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)航系統(tǒng)采用視覺(jué)導(dǎo)航原理，通過(guò)實(shí)時(shí)上傳車體位置信息，車載控制器根據(jù)姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整車體位置，圖4為導(dǎo)航控制結(jié)構(gòu)原理圖。

圖4 導(dǎo)航控制結(jié)構(gòu)原理圖

視覺(jué)導(dǎo)航傳感器安裝在車體中心位置O2處，通過(guò)實(shí)時(shí)掃描地面顏色帶計(jì)算車體中心位置與顏色帶中心左右相對(duì)偏差值d和偏轉(zhuǎn)角度α，導(dǎo)航傳感器每40ms左右反饋偏差值和和角度到控制器里。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出車體行走既要保證穩(wěn)定又要保證精度，控制精度越高，調(diào)節(jié)頻率越大，車體易出現(xiàn)抖動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此在控制算法中加上帶死區(qū)的PID控制[2]：

1）當(dāng)d≤｜4∣，α=0時(shí)，不進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；

2）當(dāng)d≤∣4∣，α≠0時(shí)，只進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，左右不調(diào)節(jié)；

3）當(dāng)d≥∣4∣，α=0時(shí)，只進(jìn)行左右調(diào)節(jié)，角度不調(diào)節(jié)；

4）當(dāng)d≥∣4∣，α≠0時(shí)，左右、角度同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)；

5）當(dāng)d≥∣30∣，α≥∣6∣時(shí)，超出導(dǎo)航控制范圍，停止運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)五種情況列出程序流程圖如圖5所示。

圖5 導(dǎo)航控制流程圖

4 自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)

在轉(zhuǎn)運(yùn)車導(dǎo)航控制站點(diǎn)中，部件上工位，產(chǎn)品下工位等需要轉(zhuǎn)運(yùn)車導(dǎo)軌與工位到位自動(dòng)對(duì)接，完成部件及產(chǎn)品通過(guò)導(dǎo)軌上工位，由于導(dǎo)軌對(duì)接精度需要保證在±0.5mm范圍內(nèi)，目前視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)在1mm左右，因此需要輔助對(duì)接傳感器系統(tǒng)完成末端自動(dòng)對(duì)接功能。

在車架前端安裝三個(gè)激光位移型傳感器，其中測(cè)量范圍為100±35mm，測(cè)量精度為70μm，圖6為自動(dòng)對(duì)接原理圖，其中D1為傳感器1測(cè)量車架前端面到工位的距離，D2為傳感器2測(cè)量車架前端面到工位的距離，D3為傳感器3測(cè)量車架到工位側(cè)面偏移的距離，可以得出：

其中D作為車頭角度偏移誤差值，D'作為車架與工位左右偏移誤差值，根據(jù)測(cè)量角度與左右偏移誤差值來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)車體自轉(zhuǎn)與橫移，完成自動(dòng)對(duì)接。

圖6 自動(dòng)對(duì)接原理圖

5 主控調(diào)度系統(tǒng)

主控調(diào)度不僅可以對(duì)每臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)車進(jìn)行路徑設(shè)置，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車達(dá)到位置，下一站點(diǎn)等信息。路徑設(shè)置界面中具有實(shí)際路線圖，紅色閃爍表示當(dāng)前站點(diǎn)，點(diǎn)擊站點(diǎn)號(hào)設(shè)置為終點(diǎn)，啟動(dòng)導(dǎo)航按鈕全向車開始運(yùn)動(dòng)，界面路徑設(shè)置圖如圖7所示。

圖7 主控調(diào)度系統(tǒng)路徑設(shè)置界面圖

1）部件轉(zhuǎn)運(yùn)起點(diǎn)為1號(hào)，目的站點(diǎn)為5、8、9、13、15號(hào)站點(diǎn)。

2）成件及標(biāo)準(zhǔn)件起點(diǎn)為7號(hào)，停靠站點(diǎn)為8、9號(hào)站點(diǎn)。

3）產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)起點(diǎn)為15號(hào)站點(diǎn)，停靠站點(diǎn)為18～27號(hào)站點(diǎn)。

4）起點(diǎn)為黃色，當(dāng)前站點(diǎn)顯示紅色閃爍，終點(diǎn)為綠色，車體移動(dòng)到每個(gè)站點(diǎn)都可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到。

6 安全防撞系統(tǒng)

全向智能轉(zhuǎn)運(yùn)車在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，需要前后安裝安全防撞系統(tǒng)，紅外光電掃描避障傳感器選用北陽(yáng)PBS-03JN，掃描角度為180°，寬度為2m，長(zhǎng)度為0.2～3m可調(diào)，傳感器具有三路檢測(cè)輸出，每路輸出都可以設(shè)定檢測(cè)區(qū)域。

1）避障傳感器設(shè)定兩個(gè)信號(hào)輸出范圍，1.5×2m范圍為警告減速區(qū)域，0.7×2m范圍為停止區(qū)域。

2）導(dǎo)航過(guò)程中如遇到前后端任一傳感器到達(dá)減速區(qū)時(shí)，車體開始減速，障礙物撤離后繼續(xù)按導(dǎo)航速度行走。

3）當(dāng)遇到障礙物在停止區(qū)域時(shí)，車體立即停止報(bào)警，直到障礙物撤離繼續(xù)導(dǎo)航。

7 結(jié)束語(yǔ)

基于麥克納姆輪的視覺(jué)導(dǎo)航物流配送系統(tǒng)經(jīng)過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到以下結(jié)論：

1）采用顏色條與二維碼組合方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航行走及轉(zhuǎn)彎；

2）滿載2t產(chǎn)品導(dǎo)航精度達(dá)到±3mm，原地轉(zhuǎn)彎精度達(dá)到±6mm；

3）轉(zhuǎn)運(yùn)車與裝配工位自動(dòng)對(duì)接精度左右0.5mm，偏角0.5mm，部件產(chǎn)品托架能夠順暢平穩(wěn)度過(guò)對(duì)接區(qū)域；

4）安全防撞系統(tǒng)安全可靠，遇到障礙物能夠及時(shí)停止運(yùn)動(dòng)；

5）通過(guò)設(shè)定轉(zhuǎn)運(yùn)速度，能夠滿足生產(chǎn)裝配節(jié)拍，調(diào)度系統(tǒng)路徑優(yōu)化合理。

圖8為全向智能轉(zhuǎn)運(yùn)車攜3m托架與工位對(duì)接現(xiàn)場(chǎng)圖片，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)不斷測(cè)試得出總裝數(shù)字化裝配轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人自動(dòng)化轉(zhuǎn)運(yùn)，降低了勞動(dòng)成本，提高了生產(chǎn)裝配效率，特別是對(duì)大尺寸部件產(chǎn)品來(lái)說(shuō)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖8 全向智能轉(zhuǎn)運(yùn)車現(xiàn)場(chǎng)圖片

[1] 楊文軍,毛玉良.Mecanum輪移動(dòng)機(jī)器人循跡控制及調(diào)度研究[D].東南大學(xué),2014.

[2] 蔣慧略,周忠海,蔣慧.廉月仙.數(shù)字PID控制的改進(jìn)算法[J].中國(guó)水運(yùn)月刊,2008.06,08(6):117-118.

The intelligent logistics system research in digital fnal assembly workshop

LU Yang-yang, DAI Yong-bo, FAN Xiu-bin

TP242.2

：A

1009-0134(2017)06-0012-03

2017-01-09

盧揚(yáng)揚(yáng)（1986 -），男，山東棗莊人，碩士，主要從事非標(biāo)裝備設(shè)計(jì)的研究。