基于麦克纳姆轮智能随行料车在汽车制造生产线的应用

基于麦克纳姆轮智能随行料车在汽车制造生产线的应用

苗立岐、周小川、高学成、秦培征

上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司   山东青岛   266555

【摘要】：

随着日益高涨的汽车需求，汽车作为一个系统复杂、安全性高的产品,其生产及制造体系也极为复杂和系统化，很多企业将智能化、网联化、自动化技术应用到汽车制造领域中[1]，有效的提升生产效率，推动了汽车制造生产线自动化快速发展新阶段。基于此，本文主要分析设计制作的一种基于麦克纳姆轮智能随行料车，麦克纳姆轮是一种四轮全方位移动，来实现前后移动、左右横移、角度斜行移动、旋转及其组合等运动方式[2]。在此基础上研制的智能随行料车实现了工位网格化自定位服务，非常适合多人协同、工位人员密集、空间有限等工作环境。在提高生产线运行效率、线旁料架空间利用率以及降成本、创新创造、消除七种浪费方面具有显著效果。

关键词：麦克纳姆轮；智能随行料车；自动化提升；网格化分析

1.前言

近年来我国汽车制造业新能源系列迅速崛起，在提高产能、保证质量的同时，自动化、智能化及降本增效是各汽车企业精益生产不懈追求的目标。创新创造，是企业进步和发展的不竭动力。新时代，新征程，只有不断的求新求变才能在日益激烈的汽车市场屹立不倒。在自动化提升过程中，汽车制造生产线生产过程中现场受到工艺布局、现场规划影响，操作工实现绿区操作成为了一种奢望。操作工所有的零部件都装配在车底，各种零部件存放于生产线旁，操作工需来回往返取料装配，存在步行浪费和操作工疲劳操作现象。为了以操作工操作便捷舒适的目标，以生产线操作工需求为最终导向，集思广益，持续改善，自主研发基于麦克纳姆轮智能随行料车。智能灵活配送，实现了操作工绿区操作、消除步行往返工位料架取料、改善操作工疲劳强度等功能。有效解决生产现场3大痛点问题，为公司降本增效出谋划策贡献力量。

2.技术背景

汽车制造生产线多数根据整车生产过程零部件的特性划分四个工艺段，分别是内饰工段、底盘工段、发动机部装工段、终线工段等布局。由于车身底盘工段是在吊具吊着车身在空中运行，操作工在车身底下进行装配，受工艺布局特别是制动油管、传动轴、摆臂等，零部件形状较大，导致现场料架规划无法存放在距离操作工最近的位置，只能通过步行移动去拿取对应车型的物料到车身指定安装位置，要想实现操作工绿区操作成为了一种奢望。

在工艺布局设置过程，避免不了一个区域多人操作，操作工往返操作就会产生步行浪费和操作工疲劳操作现象，属于非增值时间浪费，并且不符合人机工程。每人每次因取料步行距离浪费约3秒时间，这种浪费现象结合精益生产理念可以优化及创新。

3.智能随行料车的设计思路

a.配送方式

为方便操作工进行现场拿取物料省时省力，简单方便，降低劳动强度，开启对随行料架的使用及更新迭代也在逐步开展：从v1.0版到现在v5.0版，每升级一版对操作工更方便一截，下面简单介绍每一版的优缺点：

v1.0版开始手提式工具盒（优点：随拿随走，拿取便捷；缺点：容量有限，高频补料）；

v2.0版物料小车随行（优点:物料存放量大；缺点：人工推动随行）；

v3.0版料架和设备以及物料同步随行（优点：无动力输出；缺点：根据吊具位置确定物料存放位置，无法小范围移动）;

v4.0版随行料车（优点：物料随行，节约步行时间；缺点：料车较大，直线往返不灵活）

v5.0版基于麦克纳姆轮智能随行料车。

b.结构设计组成：

①驱动轮采用麦克纳姆轮

麦克纳姆轮[2] (mecanum wheel)由轮辐和固定在外围的小辊子构成，辊子轴线与轮子轴线形成一定的夹角，通常为 45°，（如图 1.1 所示）。每个轮子有 3 个自由度，分别是绕辊子轴心转动，绕轮子轴心转动，绕轮子和地面的接触点转动。轮子分别由独立的电机驱动，剩下的两个自由度自由转动[2]。由三个及其以上的麦克纳姆轮可以构成全向移动设备，实际应用中一般采用运动稳定性好的四轮结构，人机工效及安全性设计较好。相对全向轮来说，基于麦克纳姆轮结构的全向移动机器具有整车机械结构简洁、机动性好、运动控制灵活等优点[3]。智能随行料车应用是因为它可以任意方向移动，非常灵活，其结构紧凑，承重最佳，并且可承重100Kg。

                         如图 1.1 所示麦克纳姆轮结构

②电气控制

根据功能选取合适的电气配置元件，步进电机4个、步进电机驱动器4个、欧姆龙编程控制器1个、电源转换器2个、空气开关1个、能语音喇叭1个、线盒3块、直流接触器2个、接线端子排等。以及6个电控按钮：电源按钮、急停按钮、开始启动、加速按钮、手动/自动按钮、复位按钮。

③制作料车结构框架

根据流水线生产现场空间及操作标准化作业运行的轨迹，设计制作适用于此场景的尺寸要求、并且简约方便的智能料车。结合现场标准件物料种类存放数、物料存放位置及高度，操作工拿取物料舒适度等实际情况。采用L3030#欧标铝型材轻巧承重，利用90°角件拼接制作长47cm宽80cm高75cm的料车框架，（如图 1.2 所示）。物料存储拿取方便快捷。

如图 1.2 所示麦克纳姆轮结构

c.软件设计

通过PLC控制模块驱动控制，进行软件编写，编辑设置梯形图，实现控制命名，开关设置控制、编写算法驱动轮速（车子前进时四个轮子均为向前转动，车子后退时四个轮子均为后转，旋转时顺时针或逆时针原地旋转，斜向移动同向转动对角线上两个轮子），实现精准网格化定位驱动方式。通过网格化分析、位频图、移动略图分析验证，根据生产线场景模拟，PLC连线反复测试论证，设置所需路线及行程轨迹，智能灵活跟随操作工服务，实现操作工绿区内取料。

4.智能随行料车在现场应用效果

智能随行料车完全根据网格自定位划分操作工绿区内移动保持随时取料，触手可及得心应手，实现流水线智能随行。在物料配送的基础上，增加了工具存放、物料防错、暗灯报警等常用功能，实现一平台多功用的高效方案。在网格化分析、位频图、移动略图分析基础上，实现了物理工位内精准定位，同时将物理工位的多个操作工的行走轨迹进行锁定，服务于多个操作工的最优方案，实现操作工操作区域绿区内取料。智能随行料车目前单一电池能够实现续航8小时以上，满足单班次生产，充电时间所需2小时。使用快速换电技术方案，运用快捷快插插头，简易式卡扣固定，实现快速换电。开发这款智能随行料车在一个物理工位内就能方便流水线的3名操作工的操作步行时间节约。智能料车跟随与操作工操作实现了同步，方便绿区内操作取料及工具改善操作工转身取料次数小于3次、消除步行时间及步行距离等疲劳强度，提升了安全人机工程。优化了原生产线旁两侧各工位的料架，提升线旁的物料存放的空间利用率。

基于麦克纳姆轮智能随行料车，在流水线验证实施良好。作为生产线流水线的现场工位器具设备创新升级作为典型案例，为智能化、简易自动化设备推广使用、消除七种浪费提供了有利指导。实现网格化内多余步行浪费的消除，为工位多功能定位服务系统奠定基础，可推广应用于流水线操作区域。

5.智能随行料车运行提升现场问题解决：

a、开发智能随行料车实现在一个区域内多名（3名以上）操作工步行时间浪费消除提升操作工工作效率。

b、优化线旁两侧的料架，提升线旁空间利用率；

c、消除多名操作工步行距离及其往返频次（时间）等疲劳强度，提升操作工操作舒适度；改善岗位人机工程学。（如图 1.3 所示）

d、该智能随行料车利用率高，且结构简单，成本低。

如图 1.3所示解决现场操作到料架去料步行

6.结束语

综上所述，本次关于麦克纳姆轮智能随行料车的开发及应用实现了工位多人操作的网格化划分自定位服务平台，以及实现了工位内灵活配送、服务于操作工。消除了操作工步行浪费，有效解决生产现场三大痛点问题。创新无止境，也只有无止境的创新改进才能实现“成本领先、与众不同”。竭尽所能将所学知识应用于生产现场。

[1]龚兴元. SGMW汽车生产输送线设计与运行研究[D].南京理工大学,2010.

[2] Mui P F,Neuman C P. Kinematic modeling for feedback control of an omnidirectional wheeled mobile robot. Proceeding of the 1987 IEEE International Conference n Rootics and Automation,1987:1772-1778.

[3] Salih J,Rizon M,Yaacob S,etc．Designing omni-directional mobile robot with mecanum wheel[J].American Journal of Applied Sciences，2006，3( 5) : 1831-1835．