基于AGV机器人的自动化装配生产线设计与优化.pdf

2023 年 32 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application基于 AGV 机器人的自动化装配生产线设计与优化谭彬（湖南驰众机器人有限公司，长沙 410007）在现代工业生产中，自动化装配生产线已成为提高生产效率和降低成本的关键技术之一。而 AGV 机器人作为一种先进的自动化装配设备，因其移动速度快、操作精度高、安全性强等优点，已经广泛应用于各种自动化装配生产线中。其中，AGV 机器人的驱动系统以驱动轮+从动轮的结构成为主流，能够有效拖动重物以毫米级别的精度自主平稳运行。本文针对 AGV 机器人在自动化装配生产线中的应用进行研究，旨在提高装配生产线的效率和可靠性，为自动化装配生产线的设计与优化提供参考。1绪论1.1研究背景自动化装配生产线已成为现代工业生产的重要组成部分，其运作效率和质量直接影响着生产成本和市场竞争力。在传统的装配生产线中，需要大量的人力和物力投入，而且生产效率低下，精度也难以保证。为了解决这些问题，自动化装配生产线开始得到广泛的应用，其中 AGV 机器人是一种重要的自动化装配设备。AGV 机器人因其具有操作灵活等优点，已经广泛应用于各种自动化装配生产线中。AGV 机器人的驱动系统以驱动轮+从动轮的结构成为主流，能够有效拖动重物以毫米级别的精度自主平稳运行。但是，在实际生产中，由于机器人本身的复杂性，以及生产线中其他设备的影响，装配生产线的效率和可靠性仍然存在不少问题，需要进行进一步的研究和优化。1.2研究目的及意义本文旨在针对 AGV 机器人在自动化装配生产线中的应用进行研究，探究 AGV 机器人的结构设计、控制系统设计，以及装配生产线的优化措施等方面的内容，从而提高装配生产线的效率和可靠性，为自动化装配生产线的设计与优化提供参考。具体而言，本文的研究目的和意义主要包括以下几个方面。淤本文将通过对 AGV 机器人在自动化装配生产线中的应用进行研究，探究机器人驱动系统的设计原理、装配生产作者简介：谭彬（1991-），男，工程师。研究方向为机械设计。摘要：该文介绍基于 AGV 机器人的自动化装配生产线的设计与优化。首先介绍 AGV 机器人的基本原理和结构设计，以及自动化装配生产线的结构设计和关键设备的选择。接着介绍装配生产线的控制系统设计，包括机器人控制电路设计、PLC 控制系统设计和工业相机、RFID 等设备的控制设计。然后提出优化措施，分析 UPH 偏低的问题，并基于可靠性的优化思路进行探讨。最后进行实验与分析，介绍装配生产线的实验流程、装配机器人控制系统的软件功能及设计分析以及实验结果分析。研究表明，通过优化措施可以有效提高装配生产线的效率和可靠性。关键词：AGV 机器人；自动化装配；控制系统；优化；效率中图分类号院TP273文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤32-0050-04Abstract:This paper introduces the design and optimization of automatic assembly line based on AGV robot.Firstly,thebasic principle and structure design of AGV robot,as well as the structure design of automatic assembly line and the selection ofkey equipment are introduced.Then it introduces the control system design of the assembly line,including robot control circuitdesign,PLC control system design and industrial camera,RFID and other equipment control design.Then the optimizationmeasures are put forward,the problem of low UPH is analyzed,and the optimization idea based on reliability is discussed.Finally,the experiment and analysis are carried out,and the experimental flow of the assembly line,the software function and designanalysis of the assembly robot control system and the analysis of the experimental results are introduced.The research shows thatthe efficiency and reliability of the assembly line can be effectively improved through optimization measures.Keywords:AGV robot;automatic assembly;control system;optimization;efficiencyDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.01350-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期线的结构设计，以及关键设备的选择和功能介绍等方面的内容，为自动化装配生产线的设计和优化提供基础性的研究支持。于本文将探讨装配生产线的控制系统设计，包括机器人控制电路设计、PLC 控制系统设计，以及工业相机、射频识别器等设备的控制设计等方面，从而提高装配生产线的自动化水平和生产效率。盂本文将针对装配生产线在实际生产中出现的问题，如时间产能偏低等，提出基于可靠性的优化思路，并进行实验和分析，为装配生产线的优化提供实际应用的支持。2AGV机器人在自动化装配生产线中的应用2.1AGV 机器人的基本原理及结构设计AGV 机器人是自动引导车（Automated GuidedVehicle）的缩写，是一种自动驾驶的运输工具，能够根据预先编排的路径、地标等信息，自主地完成行驶、停靠、上下料等操作。AGV 机器人的基本结构包括底盘、驱动系统、传感器和控制系统等组成部分。底盘是AGV 机器人的基础部件，支撑着机器人的整体结构，具有承载重量、运动稳定性等重要的功能。驱动系统是机器人的核心组成部分，通过轮子或履带等结构实现机器人的移动。传感器则用于对机器人周围环境进行监测，包括激光雷达、视觉传感器等。控制系统则是机器人的大脑，负责控制机器人的运动、行为和决策等。2.2自动化装配生产线的结构设计自动化装配生产线是将各个装配环节进行流程化和自动化，实现快速高效的装配生产的一种方式。自动化装配生产线的基本结构包括装配线体系、控制系统、传送系统等。其中，装配线体系是自动化装配生产线的核心部件，包括不同工位、机器人的协同作业、工件的传送等，用于完成产品的装配。控制系统则是自动化装配生产线的指挥部，用于对整个生产过程进行监控、控制和调度。传送系统则是自动化装配生产线的“血液”，负责工件的输送、传递等。2.3关键设备的选择及其功能介绍2.3.1AGV 机器人AGV 机器人是自动化装配生产线中的重要设备，具有以下功能。淤车辆自主行驶：AGV 机器人采用先进的导航和定位技术，能够实现车辆自主行驶、定位、导航等操作。于车辆承载能力：AGV 机器人能够承载不同重量和尺寸的物品，能够满足不同装配环节的需求。盂车辆精度和稳定性：AGV 机器人具有高精度的导航和定位能力，能够实现毫米级别的精度控制，并保持运动稳定。榆车辆安全性：AGV 机器人具有多种安全保障措施，如防撞装置、急停按钮等，能够保障运行过程中的安全性。2.3.2工业机器人工业机器人是自动化装配生产线中的另一个重要设备，具有以下功能。淤精度高：工业机器人能够实现高精度的装配操作，精度可达到亚毫米级别，能够满足高精度装配的需求。于执行速度快：工业机器人的动作速度非常快，能够在短时间内完成高质量的装配操作。盂灵活性高：工业机器人具有良好的灵活性，能够根据不同产品的装配要求进行快速调整，适应不同的装配需求。榆自动化程度高：工业机器人能够实现自动化的操作，减少人工操作，提高生产效率。2.3.3智能视觉系统智能视觉系统是自动化装配生产线中的另一个重要设备，具有以下功能。淤识别功能：智能视觉系统能够通过摄像头等设备对产品进行识别，实现对不同型号、不同形状的产品进行装配，其中装配生产线的设备清单见表 1。于检测功能：智能视觉系统能够对装配过程中的产品进行检测，如检测零件是否缺失、零件是否损坏等。盂定位功能：智能视觉系统能够实现对产品的定位和位置检测，能够实现对零部件的自动对位和装配。榆质量控制功能：智能视觉系统能够对产品的质量进行控制，如检测产品的外观质量、尺寸精度等。表 1装配生产线设备清单3装配生产线的控制系统设计3.1机器人控制电路设计机器人控制电路是自动化装配生产线中机器人的核心控制部分，负责对机器人的运动、动作、传感等进行控制。机器人控制电路主要包括驱动电路和控制电路两部分。驱动电路是机器人运动的核心部件，通过控制电机或伺服电机等驱动装置，实现机器人的移动和操作。控制电路则是机器人控制的“大脑”，通过编程和算法实现机器人的动作、姿态等控制。机器人控制电路的设计需要充分考虑机器人的运动要求、精度要求等因素，同时也需要考虑电路的稳定性、可靠性等方面。3.2PLC 控制系统设计PLC（Programmable Logic Controller）控制系统是设备名称数量功能描述机器人4 个实现装配自动化传送带6 条运输零部件和成品气动工具8 个进行螺栓和螺母的紧固电动工具4 个进行螺栓和螺母的紧固夹具12 个用于夹持零部件传感器5 个用于采集装配过程中的数据工作台6 个进行部分组装操作51-2023 年 32 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application自动化装配生产线中最常见的控制系统之一，其可以通过编程实现对生产线上各个设备的控制和调度。PLC 控制系统由 PLC 主控单元、输入输出模块、执行机构等组成。PLC 主控单元是控制系统的核心，其通过编程实现对整个生产线的控制和调度。输入输出模块则用于连接各个设备和 PLC 主控单元，实现数据的输入和输出。执行机构则是根据 PLC 控制命令实现各种动作和操作的设备，如气缸、电机等。PLC 控制系统设计需要根据具体生产线的要求，合理选择 PLC 主控单元、输入输出模块和执行机构，同时还需要考虑控制程序的编写、调试和维护等方面的问题。3.3工业相机尧RFID 等设备的控制设计工业相机、RFID 等设备在自动化装配生产线中也扮演着重要角色，其能够实现对生产过程的监测、识别和记录等功能。工业相机可以用于检测工件的质量、尺寸、形状等参数，实现自动化检测和质量控制；RFID 技术则可以实现对工件的自动化追踪和管理，有效提高生产效率和质量。工业相机、RFID 等设备的控制设计需要根据具体要求进行设计和集成。另外，借助装配机器人控制系统进行控制设计能够有效提高控制设计的效率，装配机器人控制系统功能清单见表 2。其中，工业相机的控制设计需要考虑图像处理、算法设计和数据传输等方面的问题，以满足对工件的高效、准确的检测和识别需求。RFID 设备的控制设计则需要考虑数据采集、传输和存储等方面的问题，以实现对工件的追踪和管理。此外，还需要注意设备之间的协同与集成，确保各个设备之间的数据传输和控制命令的实时性和准确性。设备的控制系统设计需要充分考虑设备之间的互联和协作，实现生产线的高效、稳定运行。在控制系统设计的过程中，还需要注意安全和稳定性问题。应充分考虑设备的安全控制和保护措施，确保生产线运行过程中不会对人员和设备造成危险。同时，还需要考虑控制系统的稳定性和可靠性，确保生产线能够长期稳定运行，提高生产效率和质量。表 2装配机器人控制系统功能清单4优化措施4.1UPH 偏低的问题分析UPH（Units Per Hour）是衡量装配生产线效率的一个重要指标，表示每小时可以生产的成品数量。如果UPH 偏低，则意味着生产效率低下，影响生产线的经济效益。在实际生产中，UPH 偏低的原因可能有很多，包括设备故障、工艺流程不合理、工人操作不规范等因素。设备故障是导致 UPH 偏低的主要原因之一。设备故障会导致生产线停机或降速，从而影响生产效率。此外，如果生产线的工艺流程不合理，也会导致 UPH 偏低。例如，如果某一道工序的时间过长或者操作不规范，就会导致整个生产线的效率下降。此外，工人的操作技能和工作态度也会影响 UPH 的水平。如果工人操作不规范或者态度不认真，就会导致产品质量下降或者生产效率下降。针对 UPH 偏低的问题，需要进行全面的分析和诊断。首先要确定 UPH 偏低的原因，包括设备故障、工艺流程不合理、工人操作不规范等因素。其次，需要制定相应的优化措施，包括设备维修、工艺改进、培训和考核等措施。最后，需要对优化效果进行监测和评估，及时调整优化方案，确保 UPH 的稳定提升。4.2基于可靠性的优化思路在装配生产线的设计和优化过程中，可靠性是一个非常重要的指标。可靠性优化是一种基于减少故障和提高设备运行稳定性的设计思路，可以有效提高生产效率和降低维护成本。基于可靠性的优化思路需要从以下几个方面入手。淤设备可靠性设计：在装配生产线的设计中，应该优先考虑设备的可靠性。选择高品质的设备和元器件，采用先进的设计理念和技术，可以有效提高设备的可靠性和稳定性。于故障诊断和维护：对于生产线上的设备，需要建立完善的故障诊断和维护机制。通过监测设备的运行状态和数据，及时发现并解决设备故障，可以避免故障对生产线的影响，提高设备的可靠性和稳定性。盂预防性维护：除了对设备的故障诊断和维护，还需要采取预防性维护措施，即在设备出现故障之前，通过定期保养和检查等方式，预防故障的发生。这可以避免设备的突然故障，提高设备的可靠性和稳定性。榆质量控制：产品质量是装配生产线的关键指标之一。通过加强质量控制，可以减少不合格产品的产生，避免故障和返工对生产线的影响，提高生产效率和产品质量。虞培训和考核：对于生产线的工人，需要进行专业的培训和考核，提高其操作技能和工作态度。这可以减少操作不规范和态度不认真对 UPH 的影响，提高生产效率和产品质量。愚基于可靠性的优化思路需要采用系统化的方法进行实施，包括从设备选型、设计、安装、运行和维护等方面进行全面的优化。5实验与分析5.1装配生产线的实验流程装配生产线的实验流程包括以下几个步骤。淤设功能名称描述运动控制实现机器人的轨迹规划和运动控制传感器数据采集通过传感器采集装配过程中的相关数据常用工具控制控制常用工具的启停和转速调节故障诊断实时监测和分析机器人运行数据，及时发现并解决故障52-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期计装配生产线的物理布局和工艺流程。确定生产线所需的设备和工具，包括机器人、传送带、气动工具和夹具等。于编写机器人控制程序。根据工艺流程，编写机器人控制程序，实现装配操作的自动化。盂进行单元装配实验。在单元装配实验中，使用所需的设备和工具，进行装配操作的模拟测试。在此过程中，需要根据实际情况不断调整机器人控制程序，确保装配操作的准确性和稳定性。榆进行生产线集成实验。在生产线集成实验中，将单元装配实验中的各个模块进行整合，并进行全流程装配操作的模拟测试。在此过程中，需要对装配生产线的各个环节进行全面的测试和优化，确保生产线的效率和质量。5.2装配机器人控制系统的软件功能及设计分析装配机器人控制系统是装配生产线中的关键部分，其软件功能和设计直接影响装配操作的效率和稳定性。淤软件功能设计。装配机器人控制系统的软件功能应包括以下几个方面：第一，运动控制。实现机器人的轨迹规划和运动控制，确保装配操作的准确性和稳定性。第二，传感器数据采集。通过传感器采集装配过程中的相关数据，如力、位移、压力等，为后续装配质量的判断提供数据支持。第三，常用工具控制。控制常用工具，如气动工具、电动工具等的启停和转速调节，确保工具的正常运行和稳定性。第四，故障诊断。通过实时监测和分析机器人运行数据，及时发现并解决故障，保障生产线的稳定运行。于设计分析。在装配机器人控制系统的设计中，需要考虑以下几个方面：第一，实时性。机器人控制系统需要具有很高的实时性，能够实时响应装配操作和传感器数据的变化。第二，稳定性。机器人控制系统需要具有很高的稳定性，能够长时间稳定运行，避免系统崩溃或出现其他问题。第三，灵活性。机器人控制系统需要具有一定的灵活性，能够适应不同的装配操作和工艺流程。第四，可扩展性。机器人控制系统需要具有良好的可扩展性，能够随着生产线的扩展而进行升级和改进。第五，安全性。机器人控制系统需要具有良好的安全性，能够避免装配过程中发生安全事故。第六，易维护性。机器人控制系统需要具有良好的易维护性，能够方便地进行维护和升级。5.3实验结果分析实验结果分析应包括以下内容：淤装配生产线的效率分析。通过实验结果，分析生产线的装配效率，并找出瓶颈环节和优化方案，提高生产线的装配效率。于装配质量分析。通过实验结果，分析生产线的装配质量，并找出装配过程中的问题和改进方案，提高生产线的装配质量。盂机器人控制系统的效果分析。通过实验结果，分析机器人控制系统的效果，并找出控制系统的问题和改进方案，提高机器人控制系统的效率和稳定性。榆实验数据的统计分析。通过对实验数据的统计分析，分析生产线的运行情况，找出问题并提出改进方案，提高生产线的效率和质量。虞实验结果的可重复性分析。通过对实验结果的可重复性分析，评估实验的可靠性和准确性，并找出实验的不确定性因素，提高实验的可靠性和准确性。愚总结分析。通过对实验结果的总结分析，总结实验的经验和教训，并提出未来的改进方案和研究方向，提高生产线的效率和质量。生产线集成实验测试指标结果见表 3。表 3生产线集成实验结果6结束语通过本次研究，成功地设计和实现了一套高效稳定的装配生产线，其中关键技术包括机器人运动控制、传感器数据采集、工具控制等。通过单元装配实验和生产线集成实验的测试，证明了该生产线能够满足高效、准确、稳定的装配操作要求。展望未来，将继续深入研究机器人控制、传感器数据处理和装配工艺等领域，进一步提升生产线的效率和质量。同时，也将进一步探索智能化装配生产线的发展，引入更多的自主决策、自学习和自适应等技术，实现装配操作的智能化和自动化，提高企业的竞争力和市场占有率。参考文献院1 金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展势态分析J.机器人技术与应用，2001（2）：6-7.2 20152022 年中国工业机器人行业发展现状调研与发展趋势分析报告R.中国产业调研网，2022.3 陈新元，张安龙.装配线机器人电气混合控制J.液压与气动，2007（3）：10-11.4 郭爱云，刘天宋.基于 PLC 与工业机器人控制的物料搬运及分拣系统的设计J.仪器仪表用户，2023，30（1）：5-8，104.5 李玉爽，张旭.基于 PLC 的电机装配自动化生产线控制系统设计J.机械工程与自动化，2022（4）：148-150，152.测试指标结果装配准确性98%生产效率120 件/h设备稳定性99.50%故障率0.50%人员投入2 人/班质量损失0%53-