智能移动机器人在轨道交通生产中的应用（机器人轨道）

文｜机科发展科技股份有限公司

程炬

摘要：随着《中国制造2025》深入推进，“高档数控机床和机器人”与“先进轨道交通装备”等成为重点发展领域，本文主要结合具体项目对智能移动机器人（AGV）在轨道交通生产中的应用进行了介绍。智能移动机器人（AGV）具有高度自动化、信息化、智能化等特点，将其创新性引入轨道交通装备——转向架的自动化生产中，可大大提高生产的综合集成水平和生产效率，为业界提供参考和示范作用。
关键词：智能移动机器人、轨道交通装备生产、应用

一、应用背景

2015年国务院印发《中国制造2025》，部署全面推进实施制造强国战略，其中提出以促进制造业创新发展为主题，以提质增效为中心，以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，以满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备的需求为目标，强化工业基础能力，提高综合集成水平，促进产业转型升级，实现制造业由大变强的历史跨越。

《中国制造2025》拟重点支持的十大领域，包括“高档数控机床和机器人”与“先进轨道交通装备”等方面。为按国家计划推进轨道交通领域生产升级，2015年6月轨道交通转向架智能制造车间项目获得工信部批复，并于同年启动建设。

二、项目概述

2019年，全球首个轨道交通转向架智能制造车间在中车株洲电力机车有限公司投产运行，与传统人工操作模式相比，可将人员精减50%，生产效率提升30.1%，产品研制周期缩短35%以上，填补了轨道交通转向架数字化、智能化技术应用在全球范围内的空白。

作为轨道交通车辆上最重要的部件之一，转向架相当于轨道交通车辆的“底盘”，是决定轨道交通产品安全性、舒适性、可靠性的最重要部件，涉及车辆的运行品质和乘客运输安全。转向架产品零部件多达2000余个，结构复杂，精度和质量可靠性要求高；质量过程追溯的范围广、时间长；生产制造工艺流程长；属于典型的离散型制造模式。轮对生产车间，见图1；转向架总成生产车间，见图2。

图1：轮对生产车间

图2：转向架总成生产车间

在该项目中，智能制造车间的主体共计11条子生产线，涵盖加工、装配、焊接、涂装、物流等转向架生产制造全过程，其最大亮点是大量使用了智能移动机器人（AGV），输入指令后，AGV从立体物料库取料，将其输送到相应工位，智能制造装备根据物料的二维码参数自动生产，之后产生新的二维码进入下一环节，直到成品入库，全程自动完成。

转向架总成自动化生产线——城轨子线，见图3；转向架总成自动化生产线——机车子线，见图4；制动盘自动化生产线，见图5；机车抱轴箱自动化生产线，见图6。

图3：转向架总成自动化生产线——城轨子线

图4：转向架总成自动化生产线——机车子线

图5：制动盘自动化生产线

图6：机车抱轴箱自动化生产线

这11条子生产线可达到最大化的协同平衡，将相互等待时间降到最小。同时，转向架智能制造车间能根据任务变化进行柔性化生产，可实现小批量试制与大批量投产同步进行。其中，转向架总成自动化生产线和机车抱轴箱组装生产线成功应用智能移动机器人，在业内具有典型示范作用。

三、转向架总成自动化生产线

此生产线需要装配生产的城轨和机车转向架多达20多种，而且每种转向架的结构复杂，外形尺寸差异巨大。按照传统人工操作模式，转向架制造装配只能采用分散式工艺分区，物料流转使用天车，工艺流程冗长，工作量极大。

1.创新点

（1）本项目克服生产场地设备和人员多、场地小的困难，以AGV为载体将装配生产线的各工位连接起来，通过AGV精确、平稳、安全的运动，实现转向架装配运输高度自动化。

（2）通过构架支撑的巧妙设计和运用，实现了一种AGV可运送20多种城轨和机车的转向架的共线装配，相比传统人工操作模式，转向架智能制造实现集中式工艺分区、精益化工位设计，工艺流程更加紧凑，工序间距缩短，物料流转更加迅速，从而大大提高生产效率，降低运营成本。

2.生产线主要内容

（1）生产线工艺流程

机车转向架总成生产线工艺流程，见图7；城轨转向架总成生产线工艺流程，见图8。

图7：机车转向架总成生产线工艺流程图

图8：城轨转向架总成生产线工艺流程图

（2）生产线总体规划方案布局

根据转向架总成自动化生产线的总体规划目标，并满足架总成自动化生产线工艺流程，对转向架总成自动化生产线进行总体规划。

转向架总成自动化生产线，由机车转向架总成生产子线和城轨转向架总成生产子线组成。

转向架总成自动化生产线的总体规划布局，见图9；转向架总成生产线机车子线规划布局，见图10；转向架总成生产线城轨子线规划布局，见图11。

图9：转向架总成自动化生产线总体规划布局图

图10：转向架总成生产线机车子线规划布局图

图11：转向架总成生产线城轨子线规划布局

（3）生产线的工作特点

①本方案采用组装线上自动导引车（简称“组装线AGV”）取代传统天车起重机吊装工件的物流形式。上线时，转向架构架吊装至构架支撑装置上，待组装部件托盘通过物料AGV从总成线立体库放置在各组装工位上。

②通过组装线AGV牵引构架支撑装置，依次转运通过各组装工位完成各组装工序，直至完成转向架构架的整体组装。组装线AGV回到初始上线工位，继续转运转向架构架。从而实现生产线的流水线作业，避免了天车起重机吊装的繁杂流程，提升了生产效率，并具备较好的安全生产可靠性。

构架支撑装置主要用于各生产子线内转向架构架组装工位和工位间转运时支撑转向架构架。

构架支撑装置分为城轨构架支撑装置与机车构架支撑装置，分别满足各生产子线通用性要求。

城轨子线构架支撑装置主要由支撑主体架、落地锁紧组件、四点同步顶升机组件、支撑点移动组件和电气控制系统等组成。

机车子线构架支撑装置主要由支撑主体架、落地锁紧组件、支撑座组件、气路控制系统和脚轮等组成。

构架支撑装置支撑主体架横梁正中下部开有两个的定位孔，组装AGV正中上部设有两个带倒角定位牵引销，定位牵引销由AGV中的升降机构可以进行升降。这样通过销孔定位实现了构架支撑装置与AGV准确对接。

本产线上线时，转向架构架先由天车吊装至检查、整备工位的构架支撑装置上，待组装部件托盘通过物料AGV从总成线立体库放置在各组装工位上。

当AGV接收到命令时，准确运行到构架支撑装置下部，停车精度为±10mm，两个定位牵引销升起插入定位孔中，AGV再通过定位牵引销牵引构架支撑装置准确停到下一工位，定位牵引销下降，再去相应的工位执行其它任务。

通过组装线AGV牵引构架支撑装置，依次转运各组装工位的转向架完成各组装工序，直至完成转向架构架的整体组装。组装线AGV最后回到初始上线工位，继续转运转向架构架，从而实现生产线的循环流水线作业。

生产线符合人机工程学，保证人员装配便捷性。人员装配作业时立面图，见图12。

图12：人员装配作业立面图

③构架支撑装置的信息识别。在构架支撑装置固定位置设置RFID标签和二维码，RFID标签和二维码所表示的代码应一致并作为构架支撑装置的唯一性识别码标记，粘贴牢固、长期可靠，RFID标签位置方便AGV读取、识别且不易被破坏。

在构架支撑装置机架下表面设置RFID标签。AGV安装有RFID标签读取器，当AGV进入构架支撑装置时可读取RFID标签信息。RFID标签设置区域，见图13。

图13：RFID标签设置区域

在构架支撑装置机架侧面设置二维码。装配人员可通过扫码装置扫取二维码，获取构架支撑装置信息。二维码设置区域，见图14。

图14：二维码设置区域

（4）生产线中控调度系统

本套调度软件的目前版本是1.0，整套软件的联合运行是为了实现 MES系统生产任务下达到产线对应单机设备，并给AGV发送任务开始信号，对AGV全部任务完工信息进行确认。最后可让使用方通过监控系统实时监控产线生产情况。城轨子线设备信息监控系统，见图15；机车子线设备信息监控系统，见图16。

图15：城轨子线设备信息监控系统

图16：机车子线设备信息监控系统

3.智能移动机器人（AGV）

（1）AGV车体参数（见图17和表1）

图17：AGV车体参数

（2）AGV车体结构组成（见图18和表2）

图18：AGV车体结构组成

（3）AGV自动调度系统

AGV自动调度系统通过TCP/IP协议socket通讯与上位机进行信息交互和数据管理。AGV管理计算机在Windows 10 ×64位专业版操作系统中运行。

AGV自动调度系统软件是通过ADO数据接口方式与服务器数据库SQL Server 2014完成数据链接,AGV自动调度系统与AGV管理计算机的连接采用Socket通信方式进行连接。

（4）AGV管理系统

AGV管理系统负责处理命令的接收、命令的执行、相关参数的传输和AGV小车的监控，这些任务命令可从物流信息管理系统、AGV系统图形监控软件、各种现场的数字信号如按钮等进行发送。

AGV管理系统运行稳定、可靠，并具有与外部连接的标准接口，可方便地与其他管理系统进行无缝对接。

AGV管理系统对AGV小车的控制主要包括以下几个方面：

.。。分配或再分配AGV小车；

.。。AGV小车最优行驶路径的搜索和分配；

.。。取货、卸货操作；

.。。AGV小车的监控；

.。。多台AGV小车的交通管理；

.。。无任务AGV小车的处理；

.。。AGV小车异常情况的处理；

AGV管理系统（System Manager）是AGV系统的管理软件，是一个后台服务程序，A主要为每一个工作任务分配AGV小车和所需要的线段来完成相应任务。

（5）AGV图形监控系统

CWay是用户图形界面监控软件，与安装在同台计算机上的AGV系统管理软件NT8000进行通讯。CWay软件提供了用户和AGV系统交互的可视化途径，通过CWay用户图形操作界面，用户可方便地了解AGV系统中任务的执行情况、AGV小车的运行状态、系统事件、系统错误、用户事件、用户错误等。

另外，还可在与AGV自动管理系统软件通讯断开的情况下直接通过 CWay软件发送取卸货任务、取消任务、执行充电任务等。转向架总成线AGV输送系统，见图19；转向架总成自动化生产线拓扑图，见图20。

图19：转向架总成线AGV输送系统

图20：转向架总成自动化生产线拓扑图

四、机车抱轴箱组装生产线

1.生产线概述

关于抱轴箱组装生产线的工艺流程，抱轴箱结构轮对驱动装置产线工艺流程，见图21；齿轮空心轴结构轮对驱动装置产线工艺流程，见图22。

图21：抱轴箱结构轮对驱动装置产线工艺流程图

图22：齿轮空心轴结构轮对驱动装置产线工艺流程图

本生产线设置工位：齿轮毂热套工位、齿圈组装工位、抱轴箱附件组装工位、轴领装配工位、电机齿轮箱组装一工位、电机齿轮箱组装二工位、机车轮对压装工位、机车轮对检测工位、机车轮对反压工位、机车轮对驱动试验工位。机车抱轴箱组装生产线布局图及工位划分，见图23。

图23a:机车抱轴箱组装生产线布局图及工位划分

图23b：机车抱轴箱组装生产线布局图及工位划分

其中抱轴箱组装工位又分为齿圈组装工位、抱轴箱附件组装工位、轴领装配工位，布局如图23所示。抱轴箱组装工位布局图及工位划分，见图24。

图24：抱轴箱组装工位布局图及工位划分

抱轴箱组装工位采用AGV取代传统天车起重机吊装工件的物流形式。上线时，车轴吊装至AGV工装平台上，待组装部件托盘通过物流AGV从立体库放置在各组装工位上。通过组装线AGV托运车轴，依次转运通过各组装工位完成各组装工序，直至完成机车抱轴箱的整体组装。

各工位依据作业内容合理配备作业台位、显示设备等，便于每个工位产品的质量追溯和状态显示。

2.智能移动机器人（AGV）

（1）AGV车体参数（见图25和表3）

图25：AGV车体参数

（2）AGV车体结构组成（见图26和表4）

图26：AGV车体结构组成

（3）AGV调度管理系统

AGV调度管理系统是 AGV 系统及附属设备的核心，包括AGV系统管理调度软件（NT8000）、AGV路径规划软件、AGV监控软件（Cway 8）、AGV调度接口软件（MTD AGV 自动调度系统 V7.6 软件）以及所需的硬件 AGV管理监控计算机等。AGV控制系统用来完成AGV系统的路径规划设计、调度AGV执行输送任务、实时监控AGV系统运行、控制AGV自动充电、AGV系统的故障诊断以及对外数据交互功能等。AGV控制系统应稳定可靠，易于日常维修和管理，且易于扩展。

①调度管理功能

.。。任务管理：对物流管理系统下达的任务根据时间先后和任务优先级进行管理。

.。。车辆管理：根据当前AGV小车的位置和状态，选择距任务缓冲区内任务目标点最近（含各路段加权值计算结果）的空闲车辆执行任务，每套系统可以同时控制和调度50台AGV小车同时进行工作，最多可以扩展150台。

.。。交通管理：对系统管辖内的所有AGV小车按所规划的运行路线实时地控制和管理。AGV小车严格遵循所规划的路径行驶，并能相互让车，运行顺畅。

.。。通讯管理：通过有线局域网与辅料库物流管理系统管理机通讯。传递任务调度及执行情况的信息；通过无线局域网络与各AGV小车保持通讯，指挥系统中各车辆的作业。

②控制管理功能

.。。检查系统中各台AGV小车执行任务命令的过程。

.。。查询系统中各台AGV小车的状态信息。

.。。查询系统中各台AGV小车交通管理信息及各点、线段的占用信息。

.。。查询数据采集系统的信号。

.。。解决多台AGV小车的堵塞。；

.。。检测系统中各部分之间的通讯状况。