螺旋焊管自動運管車選型和應用研究

朱紀剛，李 麗，徐達力

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018;2.西安派瑞功率半導體變流技術股份有限公司，陜西 西安 710077)

0 前言

在當今的螺旋焊管生產線上，對自動化程度提出了越來越高的要求。自動化程度也是衡量一條生產線先進性的重要指標。智能化是制造業的技術變革，也是產業升級的手段和路徑[1]。進入工業4.0時代，借助5G、機器人、大數據算法等智能化手段，極大提高了鋼鐵企業的自動化與智能化水平[2]。目前螺旋焊管生產線上的主要生產設備從制管主機到精整檢驗設備的自動化程度都普遍較高，這就對車間物流運輸提出了更高的要求。鋼管從制管主機被生產出來后，需要運輸到到后面各個精整設備進行加工、檢驗，最終測長稱重噴標入庫，這都需要車間內的各種運輸設備參與。只有車間物流通暢，線路合理，調度靈活，工藝優化，才能發揮生產的最大效率，不至于在物流環節產生“木桶效應”。

目前的螺旋焊管生產車間普遍采用的物流運輸方式為輥道加臺架，有些也采用了輥道加固定工位運管車[3]的方案。這些傳統的方法可以解決鋼管在車間內的橫向縱向運輸、存儲、等待、過渡等功能，雖然可以滿足生產，但是也存在一些突出問題：比如物流路徑方向固定，定位不準[4]，不靈活；返修流程與正常生產路徑干涉；順序生產無法跨區域到達指定工位；運輸調度自動化程度不高等。在一些生產耗時較長的精整工位物流矛盾尤為突出，比如傳統的水壓試驗機進出料輥道臺架[5]物流不暢，往往造成大量的鋼管堆積。

為了解決這些物流瓶頸，需要改變傳統的運輸工藝，采用自動運管車是一個很好的解決方案，也符合現代化智能物流的發展趨勢。目前廣泛使用的運輸車輛種類繁多，結構各異，形式多樣，選取適用于螺旋焊管車間生產工藝要求的自動運管車成為亟待解決的問題。

1 自動運管車的結構

1.1 車型的選擇

目前普遍應用的自動運管車有兩種結構，分別是軌道引導小車(RGV)和自動引導小車(AGV)。

RGV車需要在軌道上行走，已經廣泛應用于各種物料運輸場合，圖1為德國斯特曼(strothmann)公司生產的RGV鋼管運輸車，其技術性能如表1所示。地面上縱橫交錯布置了軌道，該軌道采用了RoundTrack?technology[6]，載重大，阻力小，但只能沿著既定軌道行駛，目前這種車在大直徑焊管生產中已經得到廣泛應用。

圖1 STROTHMANN公司生產的RGV鋼管運輸小車

表1 STROTHMANN公司生產的RGV鋼管運輸小車參數

AGV車一般配備自動引導裝置，無需人為控制[7]，可沿著既定的路徑行駛[8]。圖2為美國CREFORM公司生產的AGV車。

圖2 CREFORM公司生產的AGV車

兩種運管車的主要結構與特點如表2所示。

表2 兩種自動運管車的結構與特點

考慮到物流方向的靈活性，AGV車更能滿足需要，AGV車融合了科學技術領域的先進理論和應用技術，已經被廣泛應用于自動物流系統和柔性制造系統中[9]，因此采用AGV車做為優選方案。AGV車不需要軌道，地面平整無基礎，車間無臺架輥道，設備之間有很大空間，方便設備安裝維修以及其它車輛行走。

1.2 功能選擇

由于鋼管運輸的特殊性，自動運管車除了基本的運輸功能外，還應該與各種生產設備銜接。這就要考慮如何從工位取料、放料。在某些特殊工位實現鋼管旋轉等功能。比如在超聲波焊縫連續探傷[10]和X光焊縫拍片[11]等工位，運管車上的輥道自帶旋轉功能可以直接取代設備本身的輥道，節約鋼管裝卸時間。

根據不同的要求產生了四種功能形式：行走(A)；行走+升降(B)；行走+旋轉(C)；行走+旋轉+升降(D)。這四種形式的特點見表3，由表3可以看出四種功能各有優缺點，在實際選用中可以根據設備具體尺寸，成本和控制方式綜合考慮選取。根據大規模螺旋焊管生產要求，車間內的自動運管車數量通常達到幾十輛，基于成本與功能綜合考量，擬采用行走+旋轉的方案。

表3 四種運管車形式對比

1.3 車輪的選擇

自動運管車常用的驅動輪有固定輪、轉向輪、全向輪、麥克納姆輪等幾種形式。如圖3所示為采用轉向輪結構的小車，如圖4所示為麥克納姆輪與全向輪結構示意圖，驅動方式特點詳見表4。

表4 幾種驅動輪的比較

圖3 STROTHMANN公司生產的RGV轉向輪小車

圖4 麥克納姆輪與全向輪

由于采用AGV，地面無軌道，驅動輪直接與地面接觸，鋼管重量最大可達十幾噸，不能選用鋼質車輪，所以選擇橡膠輪或是聚氨酯車輪，防止壓強過大壓壞路面。

固定輪和全向輪都需要兩套驅動機構；轉向輪占用的空間過大；麥克納姆輪結構緊湊，具有更大的靈活性[12]，非常適合轉運空間有限[9]、作業通道狹窄的環境[13]。根據本文比選，麥克納姆輪為首選車輪方案，如圖5所示為采用麥克納姆輪的螺旋焊管運輸AGV車模型。

圖5 采用麥克納姆輪的AGV運管車

2 自動運管車的供電

自動運管車的運行和動作都需要電力來源，運輸的螺旋焊管重量可達十幾噸，而且小車自身的重量也不小，運行中有很大電力消耗。所以供電方式的選取也是自動運管車選型所要解決的重要問題。目前主要的供電方式有三種，分別是有線供電、無線供電和車載電源供電。

(1)有線供電。較普遍的供電形式，按結構來分，可分為電纜拖鏈和滑動接觸供電兩大類[14]，其基本原理都是將電源通過電纜導線以接觸的方式直接傳遞到車上，RGV車多使用這種供電方式。

(2)無線供電。無線供電[15]，是一種通過非物理接觸的電能傳輸技術[16]，無需物理連接，電能可以近距離無接觸地傳輸給負載?？稍谧詣舆\管車經過的路徑上鋪設感應電纜，車上的取電器與電纜保持一定的距離，通過感應方式將電能傳輸到自動運管車上。這種供電形式沒有電纜的束縛，但是效率不高，在功率較小的場合應用逐漸普遍，如圖6所示為SEW公司的AGV車無線供電解決方案。

圖6 SEW公司的AGV車無線供電解決方案

(3)車載電源。運管車自帶可以充電的電源，供其行走和車上設備使用。在車間固定位置設置充電樁，通過連接器為其充電，幾種供電方式特點見表5。

表5 供電方式的比較

有線供電需要在運管車行走路徑上設置拖鏈或者滑線，占據道路，無法滿足自動運管車在車間內各工位的行走條件。無線供電雖然有所改善，但是需要在車間路徑下面埋設感應電纜，施工比較復雜，成本高，路線一旦確定，后期很難更改，靈活性差。

車載電源供電，車間內不需要大面積敷設供電電纜，只需設置若干固定式充電樁，地面施工量小，降低了廠房建設成本，作為首選的供電方案。車載電源有兩大類：鋰電池和超級電容，兩種電源的特點見表6。

表6 鋰電池和超級電容比較

超級電容充放電速度比鋰電池更快[17]，其充放電次數達到30萬次以上，壽命超過5年。超級電容更適合于短途頻繁啟動停車的場合，瞬間電流大，充電時間短?？衫迷阡摴芗庸すの簧隙虝和Ａ舻臅r間內充電。通過短時間大電流的充電，電容很快被充滿，因此不需要專門設置充電工位，節約時間，提高效率。如圖7所示為SEW公司為AGV生產的超級電容模組，已經成功運用到許多物料運輸系統中。

圖7 SEW公司的AGV車用超級電容模組

但是超級電容與相同容量的鋰電池相比，體積要大很多(超級電容的體積是同樣容量鋰電池的6～10倍)。運管車內還設置有專門的行走驅動機構，鋼管舉升或旋轉機構等，這些要占用很大的車體空間，難以容納下體積龐大的超級電容。

鋰電池容量大體積小，占用車內空間小。在生產工位或等待工位停留的地方設置充電點，停車時候進行充電。鋰電池沒有記憶效應，可以隨用隨充。自動運管車在一個充電點短暫充電后增加的電量足夠維持到下一充電點即可。目前鋰電池技術非常成熟，應該極為廣泛，體積小，能量密度高，所以優選鋰電池為自動運管車的供電方式。

3 自動運管車的導航

由于AGV車采用無軌道方式，在焊管車間內的特殊環境如何導航也是需要解決的重要問題。常用的導航方式有激光導航、二維碼導航、磁條導航、顏色導航(視覺導航)[18]等，其特性比較見表7。

表7 導航方式的比較

(1)激光導航。采用安裝在自動運管車上面的激光器，可發射激光束，通過激光識別車間內的設備，生成地圖坐標，進行導航。激光導航可以生成行走路徑，自動運管車根據控制指令按照路徑行走。

(2)二維碼導航+慣性導航。車間地面鋪設二維碼，車前安裝傳感器，識別二維碼信息。車間自動運管車行走的路線上鋪設的二維碼有一定間距，二維碼之間的區域通過慣性進行導航。

(3)磁條導航。地面路徑鋪設磁條磁釘，車上安裝有傳感器，感應磁條軌跡，按照磁條線路行走。路徑十字路口安裝磁釘，車上傳感器感應到磁釘信息后進行轉向。如圖8所示為SEW公司的磁條導航方案。

圖8 SEW公司的AGV磁條導航原理

(4)顏色(視覺)導航。地面用特定顏色刷漆表示小車行進線路，車上安裝有顏色傳感器，識別地面線路顏色，并一直跟蹤，保證車輛行進軌跡的精度。視覺導航是在自動運管車的行駛路徑上涂刷與地面顏色反差大的油漆或粘貼顏色反差大的色帶，在車上安裝有攝圖傳感器將不斷拍攝的圖片與存儲圖片進行對比，偏移量信號輸出給驅動控制系統，控制系統經過計算糾正自動運管車的行走方向，實現導航。

如圖9所示為導航原理圖，左側是車間內地面預先涂刷的色帶，右側是AGV車上的視覺(顏色)傳感器。

圖9 AGV導航原理

磁條導航主要通過測量路徑上的磁場信號來獲取車輛自身相對于目標跟蹤路徑之間的位置偏差，從而實現車輛的控制及導航。磁條導航具有很高的行駛精度及良好的重復性，不易受到光線變化、地面環境等因素的影響，在運行過程中，磁傳感系統具有很高的可靠性。磁條一旦鋪設好后，維護費用非常低，使用壽命長，且增設、變更路徑較容易。所以，磁條導航為優選的導航方案。

4 路徑規劃與控制

4.1 路徑規劃

基于磁條導航的要求，在做車間基礎時需要提前埋設磁條，因此要考慮運管車的行駛路徑。自動運管車運行路線靈活，與常規的車間臺架、輥道不同，便于實現柔性化生產。生產中需要規劃合理的運行路徑，達到完善的效果。按照工藝流程規劃，分為主流程、輔助流程和逆流程，路徑規劃的基本要求為：在滿足工藝條件情況下，路徑盡可能短；主流、輔助流程、逆流程不能發生沖突；合理設置鋼管緩存工位，在耗時較多工序處，可以暫時存儲鋼管；逆流程返回到主流程要有等待與避讓區；為故障排除、救援、脫困留出足夠空間；符合柔性化生產需要，能根據實際情況靈活調整自動運管車的走向；在各路徑區間設置充電樁，保證自動運管車的電力補充?？筛鶕囬g的具體工藝布置來選擇合理的行車路徑和車輛數量，滿足生產需要，充分發揮AGV車的優點和靈活性。

4.2 自動運管車的通信方式

AGV車在運行過程中需要時刻保持與調度控制器的無線通信，實時接收控制器下達的操作指令，上傳車輛狀態數據。目前普遍采用的通信方式是WLAN無線局域網技術，AGV與控制器采用Wi-Fi信號進行點對點通信[19]。這種傳輸方式大多采用2.4 G頻段，速度慢，延遲高，并容易受到其它設備干擾。

隨著生產線自動化與智能化的不斷推進，進入工業4.0時代，建議使用5G網絡來支持工廠內通信[20]。5G網絡提供高可靠性、超低延遲和高帶寬，不但可以實現AGV與控制器之間的信息傳輸，也方便AGV之間互相通訊，甚至AGV與車間其它設備之間的通信。5G網絡是目前信息技術的主流發展方向，因此作為優選方案。

4.3 自動運管車的控制

采用AGV車進行物料傳輸已經得到普遍應用，其控制系統也比較成熟與完善，國內外都有專業廠商進行AGV硬件設備、控制軟件的研發。對應于大直徑焊管車間的AGV運管車來說，則有控制的特殊要求。

與通常運輸的物料不同，螺旋焊管一般定尺為6～12 m，其長度遠大于AGV車身長度?；谶@樣的特點，在控制中要特別注意載貨避障的問題。傳統的障礙檢測方式只能檢測車身周圍的障礙物，在螺旋焊管運輸中，更應該考慮到所裝載鋼管的尺寸，在車輛運行、轉彎、等待時通過完善的檢測控制系統避免鋼管與其它小車或設備發生碰撞。

基于同樣的原因，在運輸鋼管的時候，根據不同的尺寸規格，要充分考慮到平衡和重心的問題，防止出現鋼管掉落及傾翻事故。在控制上應明確區分負載運行和空載運行兩種工況，在保證安全性的前提下發揮設備最大的效能，為此，可采用對車間地圖進行三維建模，對車輛及運輸鋼管進行模擬仿真，通過優化的算法來構建一個靈活的控制框架[21]來進行AGV的控制。對于整個車間物流，在物聯網技術基礎上采用信息化管理[22]，對每一輛AGV車裝載的鋼管進行信息全程采集，實時跟蹤反饋，采用MES系統進行物料跟蹤、質量控制、生產管理、數據存儲來保證整個生產的安全高效，這是普通輥道臺架所無法實現的。

5 結束語

根據本文分析，鋰電驅動的AGV小車，配置磁條導航為螺旋焊管車間的智能物流最佳解決方案。在精整線上合理規劃路徑，按照產能要求配備多臺AGV車替代輥道臺架可以大大增加生產靈活性。通過車輛調度系統對各個小車的狀態、位置、軌跡等進行實時監控指揮，使得精整生產高效有序進行。車間內合理布設充電樁，在車輛等待時間進行電力補充可以減少因充電造成的時間消耗，保障整個系統連續運行。

能量密度低是制約超級電容器發展與廣泛應用的重要因素，近幾年超級電容技術發展特別迅速，新材料新工藝的研發有助于能量密度不斷提高，基于超級電容的雙儲能供電技術也應用于AGV中[23]，超級電容取代鋰電為AGV車提供能源也是未來發展趨勢。隨著信息技術的發展，5G網絡的建設，數字化的推進和應用，智能化裝備下的AGV車將極大提高螺旋焊管車間的運輸效率，進一步發揮工廠的最大產能。