第3章 智能制造典型装备及实例

第3章——智能制造典型装备及实例学习目标能简要概括工业机器人等智能制造装备的主要特点和种类能清晰阐述AGV系统构成及其控制方式并使用算法进行路径规划能简要概括汽车整车智能制造典型装备的特点及功能能简要概括飞机智能制造典型装备的特点及功能案例导入——汽车生产线重载AGV应用欧洲Ego汽车公司的柔性生产系统布局案例导入——汽车生产线重载AGV应用讨论:1）AGV在生产线上的应用，会对智能制造系统带来哪些影响或改变？2）AGV是智能工厂中应用较为普通的一类物料运输设备，你认为这种设备在智能制造场景下有何优势？3）如果某同学想开发一种AGV设备并以此进行创业，请你与同伴讨论并帮助该同学提出AGV的功能需求，给出创业建议。第3章——智能制造典型装备及实例智能制造典型装备及实例3.1智能制造典型装备概述3.2工业机器人3.3自动引导车(AGV) 3.4汽车整车智能制造典型装备3.5国产大飞机智能制造典型装备3.1智能制造典型装备概述3.1.1智能制造装备的主要特点无缝接入制造网络，与其他装备和系统互联互通具有高度的自动化能力，基于算法，数据分析结果自主运行具有快速适应的能力，灵活处理多样化的生产任务具备对数据进行即时处理和分析的能力并且可以通过传感器技术和机器视觉，对生产过程进行质量监控装备能够学习、适应新情况、并自主解决问题，实现性能的持续提升适应性认知与学习能力互联互通性实时数据处理与质量监控智能化自我诊断与预测性维护能在故障发生前识别并报告潜在问题，通过预测性维护减少停机时间和维护成本动态感知、实时分析、智能决策、精准执行3.1.2智能制造装备的主要分类1.生产类设备自动化机械设备数控机床增材制造设备智能制造系统中的生产类设备是指那些集成了数字技术、传感器和软件的先进机械和工具，它们是工业4.0和智能制造概念的核心组成部分。这些设备主要包括（不限于）：3.1.2智能制造装备的主要分类2.检测类设备视觉检测系统自动测试设备3D扫描和成像系统智能制造系统的检测和质量控制设备利用自动化、传感器、人工智能和数据分析技术，确保产品在整个制造过程中符合既定的质量标准和规范。关键设备包括（不限于）：无损检测设备3.1.2智能制造装备的主要分类3.物流搬运设备自动引导车（AGV）传送带系统机械臂在智能制造体系中，物料搬运装备扮演着至关重要的角色，它们通过采用尖端智能技术，实现物料在整个制造流程中的高效移动、存储、保护和控制。以下是一些具体的物料运输设备示例（不限于）：3.1.2智能制造装备的主要分类3.物流搬运设备/zh-cn/solutions/automated-guided-vehicles/building-agvs/3.1.2智能制造装备的主要分类4.过程控制与自动化设备可编程逻辑控制器（PLC）监控与数据采集系统（SCADA)集散控制系统（DCS）智能制造系统的过程控制和自动化设备是现代工业运营的基石，它们使制造环境能够向更智能、更高效和高适应性的方向过渡。关键组件包括（不限于）：3.1.2智能制造装备的主要分类5.传感器与基础网络设备智能制造系统的数据采集和分析设备是收集、处理和解释制造环境中数据的核心，它们构成了智能制造的支柱，通过实时数据分析和决策支持优化流程。关键组件包括（不限于）：传感器和物联网设备、数据采集系统（DAQ）组件、边缘计算设备、网络基础设施。第三章——智能制造典型装备及实例智能制造典型装备及实例3.1智能制造典型装备概述3.2工业机器人3.3自动引导车（AGV) 3.4汽车整车智能制造典型装备3.5国产大飞机智能制造典型装备3.2工业机器人3.2.1关节机器人关节机器人，也称关节机械手臂或多关节机器人，其各个关节的运动形式以转动为主，与人的手臂类似。关节机器人以其卓越的灵活性和执行复杂任务的能力，是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一，适合用于诸多工业领域的机械自动化作业，如图所示的KUKA关节机器人及其应用场景示例。/video/BV1cX4y1R7ef/?share_source=copy_web&vd_source=f3f10f5e2bcf08ed934642e5ddc8c7213.2.2

SCARA机器人SCARA（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm，选择性装配机械臂）机器人，以其专为提供垂直和水平精密运动而设计的独特构造而著称。它们以快速响应和极高的定位精度（在0.01-0.1毫米）闻名，而其紧凑的机身设计尤其适合在空间受限的环境中作业。SCARA机器人通常用于处理较轻的物体，非常适合于搬运小型电子元件或装配轻质部件，它们在提升制造流程的灵活性、敏捷性和效率方面发挥着重要作用。3.2.3协作机器人协作机器人简称“Cobots”，其最大特点是能够与人类工人协同工作，能够直接与人类共享工作空间，而无需传统工业机器人那样的安全栅栏或隔离措施。由于协作机器人装备了先进的传感器和人工智能技术，确保与人类的安全互动，并能适应各种任务，如装配、机器维护、质量检查等，如图所示，KUKA协作机器人的应用场景示例。3.2.3协作机器人协作机器人——搬运纸箱第三章——智能制造典型装备及实例智能制造典型装备及实例3.1智能制造典型装备概述3.2工业机器人3.3自动引导车（AGV）

3.4汽车整车智能制造典型装备3.5国产大飞机智能制造典型装备3.3自动引导车（AGV）自动导引车（AutomaticGuidedVehicle，AGV）是指装备有自动导向系统，利用内置的控制系统和导航技术在特定的路径上自主行驶，能够按照设定路线自动行驶或牵引载货台至指定地点，实现物料的自动装卸和搬运。智能制造场景下，AGV的使用越来越广泛，在物料搬运过程中能够实现自动化的无人驾驶，也称为自动导引运输车。3.3.1AGV系统的基本组成AGV系统组成传感系统分析和决策系统智能控制系统激光雷达、视觉、角速度等各类传感器/系统，确保AGV安全行驶上位机应用软件：任务调度、状态监测、路径规划、避障决策等下位机控制系统+基础硬件：运动导航、路径导引、车辆驱动装卸操作等3.2.2AGV系统控制方法1.

集中式多AGV系统

集中式多AGV系统由一个中央控制系统及包含多个AGV的底层系统构成，彼此间存在管理与被管理的关系。中央控制系统负责对所有AGV的行为、协作以及共享资源等提供统一的协调和管理。其任务调度以及无冲突控制策略都由中央控制系统完成。中央控制系统从全局角度为各AGV分配任务、规划路径并将信息下发；各AGV严格按照指令执行任务，当冲突发生后，中央控制系统根据无冲突控制策略进行调节，防止AGV之间发生碰撞。集中式多AGV系统的结构如图所示。3.3.2AGV系统控制方法2.

分布式多AGV系统在分布式的多AGV系统中，所有AGV都是平等关系。各AGV在遵循可能的规则和共享资源的管理策略基础上，基于通信技术彼此交换信息。其任务调度以及无冲突控制依赖各AGV的智能。分布式多AGV系统的结构如图所示。3.3.2AGV系统控制方法3.混合式多AGV系统

混合式多AGV系统介于集中式和分布式之间，由一个中央控制系统和多个具有一定智能的AGV构成，平衡了集中式和分布式两种结构的优缺点。各AGV的基本行为和简单任务由AGV自主完成；当系统多任务调度，或协通作业时，可由中央控制系统集中规划，实现全局最优，或借助各AGV有限的智能水平，彼此通信进行协同计算，分担中央控制系统部分压力；相较分布式多AGV系统，该方案对AGV的智能化要求低，投入成本容易控制。混合式多AGV系统的结构如图所示。3.3.3AGV的导引原理与路径规划1.

AGV的导引原理

AGV导引可分为固定路径导引和自由路径导引两种方式。固定路径导引原理依据不同的信息媒介，又可以分为电磁导引和光学导引。3.3.3AGV的导引原理与路径规划2.

AGV路径规划技术

路径规划是指AGV从起点到终点有多条路径可以选择，而系统根据一定的评价标准从中选出路径或者时间最短的运行路径。路径在多AGV系统中是AGV能否高效、安全运行的关键一步，它不仅需要处理起点与终点之间的关系，还需要解决AGV互相之间的关系。当系统给AGV分配了任务，它的起点和终点就已将被确定下来，接着就由调度系统为AGV进行路径规划，提供一条最优的、安全的路径。经典的AGV路径规划算法如图所示，其中，Dijkstra算法、A*算法是最主流的路径规划算法。随着移动机器人智能化的应用需求逐渐上升，以及计算机技术的飞速发展，在路径规划领域，涌现出了以遗传算法、蚁群算法等为代表的智能搜索算法，以强化学习、深度学习等为代表的人工智能算法的相关研究与应用示范。3.3.3AGV的导引原理与路径规划2.

AGV路径规划技术

在上述方法中，应用最普遍的是直接表征法和栅格地图。对于多种不同车型的总装车间，栅格地图易于构建和保存较大的运行环境，对AGV可以进行精确定位。地图可行路径的方向可以分为单车道单向行驶、双车道双向行驶和单车道双向行驶三种方式。单车道单向行驶情况下道路的利用率较低，主要应用于物流分拣和仓储领域。双车道双向行驶类似于现实的交通道路，这种方法在路径规划上具有较好的灵活性，但是对规划道路的空间需求也相应增大，建设和管理费用也会更高。单车道双向行驶相对于单车道单向行驶的车辆控制系统更为复杂，但是其道路的利用率更高。以单车道双向行驶模式的二维车间AGV的调度为例，位置信息用二维坐标来表示。地图环境主要包含四部分，AGV停靠区（充电区）、AGV工作区、车间总装线（障碍物）、零部件仓库区。栅格地图的建模过程有如下三个关键要素：1）栅格尺寸的选取：栅格尺寸相当于比例尺，当栅格所表示的面积较小时，整个需要建模的现实场景所包含的栅格数量将会增加，地图激精度也会提高2）栅格位置的标记：一般可通过直角坐标系里的点坐标表示每一个栅格的位置信息。3）栅格属性的编码：栅格属性代表了栅格的物理性质，可以决定该栅格是否为可行区域。3.3.3AGV的导引原理与路径规划3.

AGV路径规划中的最短路问题最短路径问题是图论研究中的一个经典算法问题，旨在寻找图（由结点和路径组成的）中两结点之间的最短路径。根据AGV任务分配的结果，AGV的路径问题是确定起点终点的最短路径问题，即已知起点和终点，求两结点之间的最短路径。A*算法是求解最短路径最有效的直接搜索方法之一，是一种启发式算法，所谓启发式就是A*算法通过启发函数来引导搜索方向，这种方式通常可以很高效地得到路径搜索问题的最优解，即使对于NP问题，A*算法也可以在多项式时间内得到一个近似最优解，算法流程如图所示。第三章——智能制造典型装备及实例智能制造典型装备及实例3.1智能制造典型装备概述3.2工业机器人3.3自动引导车（AGV）

3.4汽车整车智能制造典型装备3.5国产大飞机智能制造典型装备3.4汽车整车智能制造典型装备当前，我国已成为世界新能源汽车的制造大国，2023年的产销量已居世界第一位。但依然面临着促进汽车产业转型升级、抢占国际竞争制高点、实现产业链价值链全链提升的紧迫任务。大规模个性化定制，是继福特大规模生产、丰田精益生产模式后最具行业发展指导意义的新模式，引领着世界汽车工业的发展潮流；因此，本节主要以中国一汽红旗车间、北汽北分株洲工厂为例，针对汽车冲压、焊装车间的典型设备加以概述。3.4.1冲压生产线典型装备汽车冲压生产线总体工艺流程如下图所示：上料→磁性分张→拆垛→双料检测→板料传输→板料清洗→板料涂油→双料检测板料对中→→上料装置送料→（首台压力机冲压）→工序间送料→（压力机冲压）→(根据工序数量循环)→下料装置取料送料→（末端压力机冲压）→线尾下料装置取料放料→皮带机输送→人工检验→人工装箱→叉车入库。1-上料机器人及上料输送装置；2-首台压力机；3-工序压力机；4-工序间送料装置；5-末端压力机；6-线尾下料取料装置3.4.1冲压生产线典型装备1.板料立体库自动上料

中国一汽在国内首次应用了超大吨位的立体库设备存储板料，同时也是在国际上首次利用板料立体库实现冲压线线首的自动上料，大大提升了冲压车间的自动化水平,如图所示。3.4.1冲压生产线典型装备2.高速钢铝混合冲压线

高速钢铝混合冲压线采用济南二机床公司的8500吨全自动连续钢铝混合机械冲压线，如图所示。3.4.1冲压生产线典型装备3.双飞翼式换模+全自动换模天车

智能天车在港口、造纸和核工业等领域使用的较为超前，其它领域由于工况、标准化等因素的限制使用较少,但随着冲压生产线的节拍提升、产品小批量定制化需求、人工成本增加及工业4.0等因素影响，智能天车越来越多的被应用到了冲压车间，但都是半自动天车，需人员参与完成相应工作，中国一汽在红旗冲压车间首次配备了全自动天车，如图所示。中国一汽红旗车间采用全自动天车3.4.1冲压生产线典型装备4.重载AGV

传统冲压车间一般采用有轨转运车等用于运输模具或板料，采用叉车转运零件。但随着工艺布局的柔性化需求越来越高，AGV发挥的作业越来越大。中国一汽红旗车间采用的重载AGV3.4.1冲压生产线典型装备5.线尾自动装框系统

冲压线的自动装框系统集成了先进的机器人技术、机器视觉、自动化控制等技术，系统利用高精度的3D点云相机或其他高级视觉传感器，在一次拍摄中快速获取冲压件及料架的精确位置和尺寸信息，再基于视觉识别，引导机器人精确定位，即使对于形状各异的冲压件也能实现快速而准确的抓取和放置。如图所示为线尾自动装框系统。中国一汽红旗车间采用的线尾自动装框系统3.4.1冲压生产线典型装备6.光学自动质检系统目前，在国内奔驰、宝马、大众等主机厂的冲压车间已陆续使用了线尾冲压件光学质检技术，如图所示。线尾冲压件光学自动质检系统3.4.2焊装生产线典型装备汽车焊装生产线是汽车制造过程中的关键环节之一，主要负责将冲压好的车身零部件通过焊接等工艺组装成完整的车身骨架（白车身），此过程中涉及到多种高度自动化和机械化的装备。焊装生产线一般包含机舱线地板、侧围、主线、门盖线等典型设备，车身总拼采用OpenGate技术，可实现四平台、六车型柔性化共线，如图所示。焊装生产线的柔性化共线生产流程（OpenGate总拼）3.4.2焊装生产线典型装备OpenGate总拼技术，是在平移式总拼的基础上通过堆栈法实现柔性化生产的一种总拼形式，只需在一个总拼工位就可以实现夹具和车型的切换，其动作顺序与平移式总拼相似。以某国产汽车在湖南的车身车间为例，该车间采用了与奔驰相同的德国KUKA机器人，其中包括焊接机器人、涂胶机器人、搬运机器人、弧焊机器人等，如图所示。焊装生产线工业机器人3.4.2焊装生产线典型装备1.车身自动涂胶视觉监控系统车身自动涂胶视觉监控系统通过主机及现场显示屏，可实施监控涂胶是否断胶、涂胶量、涂胶位置，对涂胶质量进行监控，确保车身的密闭性，如图所示。车身自动涂胶视觉监控系统3.4.2焊装生产线典型装备2.车身弧焊设备车身弧焊采用奔驰CMT（ColdMeatalTransfer，冷金属过渡焊接工艺）机器人自动焊接设备，如图所示。奔驰CMT机器人自动焊接设备3.4.2焊装生产线典型装备3.在线激光测量设备和视觉拍照引导系统采用在线激光测量设备ACS（AutoCheckingSystem，自动检测系统），如左图所示，通过精度传感器，对通过的每台车身100%进行在线实时监测，与理论数据作对比，判断车身安装点是否发生偏移，并把数据传输质量到控制中心，对车身偏移原因进行分析，防止不合格车身流出，影响下工序装配，对整车安全及性能造成影响；采用奔驰较先进的视觉拍照引导系统，如图右图所示，对机器人抓取零部件进行精度监控，防止由于抓件定位不准，造成零部件磕伤及车身精度发生偏移，影响整车的装配及性能安全。车身在线测量系统车身视觉引导系统3.4.2焊装生产线典型装备4.柔性高效FDS设备

FDS（热融自攻丝，FrictionDrillScrew或FrictionDrivenSystem）设备是一种先进的连接技术，在汽车焊装生产线中主要用于车身轻量化材料的连接，特别是铝合金和其他异种材料的单面快速连接。相比传统焊接，FDS产生的热影响区域小，有助于减少材料变形，保持良好的连接强度和外观。如图所示，为高柔性弹夹式FDS铆接工作站主要构成。高柔性弹夹式FDS铆接工作站主要构成第三章——智能制造典型装备及实例智能制造典型装备及实例3.1智能制造典型装备概述3.2工业机器人3.3自动引导车（AGV）

3.4汽车整车智能制造典型装备3.5国产大飞机智能制造典型装备3.5国产大飞机智能制造典型装备

飞机装配作为飞机制造过程的重要环节，是将大量的飞机零件按工艺路线进行组合连接的过程。飞机装配过程一般可以分为三个阶段：首先将若干单独的零件装配成组合件；然后再将若干组合件组装成大部件；最后将各大部件对接装配成完整的飞机机体。

在数字化和智能化技术的推动下，飞机装配技术快速发展，形成了现代飞机的数字化柔性装配模式。数字化柔性装配模式具体表现为：在飞机装配中，以数字化柔性工装为装配定位与夹紧平台，以先进数控钻铆系统为自动连接设备，以激光跟踪仪等数字化测量装置为在线检测工具，在数字化装配数据及数控程序的协同驱动下，在集成的数字化柔性装配生产线上完成飞机产品的自动化装配。本节对飞机制造领域自动化、智能化的典型装备进行简要介绍，主要包括柔性装配工装、激光跟踪测量系统、大部件自动对接系统。3.5.1柔性装配工装1.多点阵真空吸盘式柔性装配工装

多点阵真空吸盘式柔性装配工装是由系列带真空吸盘的立柱式模块化单元组成的。多点阵真空吸盘式柔性装配工装广泛应用于波音、MD及EADS等公司的军、民用飞机生产中，如图所示。多点阵真空吸盘式柔性装配工装3.5.1柔性装配工装2.行列式柔性装配工装

行列式柔性装配工装是一种由多个行列式排列的立柱单元构成的工装，立柱单元为模块化结构且相互独立。行列式柔性装配工装以空客系列飞机机翼壁板柔性装配系统为主，包括空客A320/E4000、A340/E4100/E4150、A380/E380等机翼壁板柔性装配系统，如图所示。机翼壁板行列式结构柔性装配工装3.5.1柔性装配工装3.分散式部件柔性装配工装分散式部件柔性装配工装系统是一个集成了工装、定位计算软件、控制系统（包括人机操作界面）和数字化测量系统的综合集成系统。具有结构简单、开敞性好、占地面积小、可重组等优点，如图所示。分散式部件柔性装配工装系统主要用于机身和机翼部件的装配，在使用时，工装首先到达理论位置，利用激光跟踪仪测量各组件的实际位置数据，与理论位置数据对比，如果符合公差要求，将进行装配，否则重新调整定位器，直到满足装配误差要求。当前应用广泛的两个分散式柔性装配工装系统是M.Torres公司的MTPS系统和AIT公司的自动定位准直系统APAS。前者应用于空客系列飞机的机身部件装配及运输机A400M的机翼部件装配，后者应用于波音747的机身部件装配。分散式部件装配柔性装配工装系统3.5.1柔性装配工装4.桥架式柔性装配工装

桥架式柔性装配工装主要用于飞机机身框与交点的定位，如图所示。桥架式柔性装配工装3.5.1柔性装配工装

近年来，我国各大航空制造企业、高校和科研院所利用国外先进数字化装配理念和技术，在柔性工装技术方面开展了广泛研究，并取得了一定进展，开发了多种柔性工装系统，包括三坐标POGO柱、数控柔性多点型架、立柱式三坐标定位单元等，如图所示。(a)薄壁件多点柔性工装(b)数控柔性多点型架(c)柔性工装立柱式三坐标定位单元3.5.2激光跟踪测量系统

由于航空产品的尺寸大、外形复杂、精度要求高，因此在制造和装配过程中需要进行精密的测量，以保证产品质量。必须采用先进的测量设备和定位调姿设备，而激光跟踪测量系统(LaserTrackerSystem)正是飞机大部件对接的标尺和眼睛。激光跟踪测量系统是航空产品制造和装配过程中常用的数字化测量系统。激光跟踪仪在航空制造中的典型应用场景如图所示。激光跟踪仪应用场景3.5.2激光跟踪测量系统激光跟踪仪是利用激光测距，所以测距精度很高，但角度编码器随着距离的加大带来的位置误差亦很大，所以跟踪仪本身主要是角度误差。影响精度主要有两个因素：一是靶标对测量精度的影响。二是激光本身受大气温度、压力、湿度及气流流动的影响，所以大气参数的补偿对此仪器的正常使用十分关键。激光跟踪仪具有非常高的技术壁垒，受此限制，目前全球能够提供该产品的主要企业仅有美国FARO、美国API、德国Leica等少数几家，这些企业凭借着强大的技术创新实力和全球影响力，在全球市场竞争中始终保持领先地位。而这三家企业也占据了中国激光跟踪仪绝大部分市场份额。目前具有代表性的激光跟踪仪产品如图所示。3.5.3大部件自动对接系统

大传统的大部件对接采用人工吊装，水准仪与经纬仪等光学仪器测量，凭工人经验，依靠手工或型架的方式进行装配，如图所示。飞机大部件质量大且外形复杂，人工操作困难、装配效率低、装配质量难以保证。同时，传统的大部件对接装配协调仍采用模拟量传递模式，为了保证对接装配顺利可靠，常常需在对接部位设计制造相应的巨大标准工装用于协调，延长了装配周期，增加了装配成本。传统的大部件人工吊装3.5.3大部件自动对接系统

随着数字化测量技术、自动化定位控制、精密制孔等多种先进自动化对接技术的发展，新一代飞机大多采用了全数字量协调，其大部件对接综合采用了数字化测量、信息化管理、数控自动定位和自动对接等技术，使得飞机大部件对接朝着自动化和数字化装配方向发展，如图所示。飞机数字化装配车间3.5.3大部件自动对接系统下图为大部件自动化对接平台示意图。大部件自动化对接平台示意图3.5.3大部件自动对接系统根据工装的结构特点可把当前的大部件对接平台分为3种形式：柱式结构工装平台、塔式结构工装平台和塔柱混联式结构的工装平台，如图所示。大部件自动化对接平台示意图（a）柱式结构工装平台（b）塔式结构工装平台3.5.3大部件自动对接系统大部件自动对接的流程如下图所示：3.5.3大部件自动对接系统

下面以某国产大型直升机的大部件自动对接