英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
第46届中小企业北美制造研究会议，美国得克萨斯州NAMRC 46
工业4.0背景下用于制造的智能自动引导车辆
贾斯帕布吉特·梅哈米、穆卢丁·纳瓦伊、雷·钟瑞*
新西兰奥克兰奥克兰大学机械工程系
* Corresponding author. Tel.: 64 21 103 1978; fax: 64 9 373 7479.
E-mail address: r.zhong@auckland.ac.nz
摘要
工业4.0是制造业的下一步，它将互联网技术添加到优化的自动化系统中。本文在一个真实的工厂场景中演示了自动引导车辆( AGVs )，该场景使用射频识别( RFID )标签来进行识别和运动控制。AGV是在真实的工厂场景中测试的，主要集中在两种类型的AGV上，卡尔和吉米。他们配备了RFID阅读器来检测放置在地面或物体内部的标签。使用两种类型的AGV展示了智能工厂制造环境的内部物流。它强调了为有效实现智能AGV系统而很少提及的三个方面:可重构性、灵活性和可定制性。
copy; 2018 The Authors. Published by Elsevier B.V.
由第46届中小企业北美制造研究会议科学委员会负责的同行评审。
关键词: 自动导航车；射频识别；智能工厂；行业4.0。
1 .介绍
技术的进步和人口的增长对制造业提出了更高的要求。客户期望更高的生产率和更丰富的品种[ 1 - 3 ]。为了实现这一点，当前的系统必须更加高效和易于管理。工业4.0是制造业的下一步。随着互联网技术添加到优化的自动化系统中，制造过程可以变得更加复杂
无缝连接，较少依赖人工干预，允许系统进行自我决策[ 4 ]。目标是使工厂环境更加智能化，产品本身将被用来确定下一个需要的过程。
制造业的核心组成部分之一是物流系统。自动引导车辆( AGV )广泛用于将货物和材料运输到工厂的不同部分，被认为是最有效和最合适的选择之一。
2351 - 9789 2018作者。埃尔塞维尔·贝·V出版
由第46届中小企业北美制造研究会议科学委员会负责的同行评审。
10 . 1016 / j . prompfg . 2018 . 07 . 144
[ 5 ]。AGV系统必须能够处理不同的情况，例如布局的变化，并在动态环境中运行。这些挑战需要在工厂环境中做出明智的决策。因此，本文着眼于使用射频识别( RFID )技术来创建一个智能AGV系统，该系统在这种环境下具有灵活性和可重构性。
设定一个工厂场景来演示启用RFID的智能AGV系统。RFID技术被用于AGVs的引导或运动控制，以及创造被称为智能产品的物体。在这篇论文中，有两种不同的AGV被称为卡尔和吉米:
bull; 卡尔——这是一个AGV机器人，有一只手臂和附属的抓手。它可以用来携带物体。它使用RFID技术进行运动控制和物体识别。
bull; 吉米——这个机器人遵循固定的布局路径，并使用RFID技术进行运动控制。它复制了用于运输货物的AGV的角色。
基于这两种类型的自动导引车，轨道设计用于展示个人能力、互动，并展示RFID技术在创造更简单的导引和控制方法方面的灵活性。
本文的组织如下:第2节是对当前研究相关主题的文献综述。第3节介绍了使用3D打印的设备和不同组件的设计。第4节介绍了AGV的设置，第5节描述了带有多个AGV的工厂场景。第6节讨论了研究和讨论的局限性。第7节总结了结论并包括对未来工作的建议。
2 .文献综述
2.1.工业 4.0和智能工厂
工业4.0是用来描述第四次工业革命的术语。它融合了不同的技术，以进一步改善制造环境的组织和管理[ 4，6 ]。随着互联网技术[ 7 ]的加入，它的概念可以应用于目前的制造工厂。这些技术旨在加强系统之间的沟通，更好地管理工厂内部的设施，[ 8，9 ]。这可以通过使用来自真实世界系统的传感器数据来创建虚拟的配对部件来实现。这允许改进对系统的监控。这个概念被称为网络物理系统( CPS) [4，10 ]。数据可能需要从制成品中收集，因此必须向产品中添加某种形式的连接来交换数据。这个概念被称为物联网( IoT) [11]。
工业4.0的实施被称为智能工厂。智能工厂内部是展示物联网和CPS概念的智能设备和产品。智能设备具有机载处理、数据存储、通信技术、传感器和执行器。智能产品可以识别自己，描述自己的状态、历史和即将到来的流程[ 8，12 ]。因此，智能工厂的制造更加灵活和智能，这导致了更加个性化的产品，并允许工厂采用模块化结构。[13]
2.2.自动引导车辆 (AGV)
这些车辆用于在工厂环境中加工和运输货物。它们是无人驾驶的，使用制导和控制方法导航。它们的形状、大小和操作取决于它们在工厂中的使用。
AGVs是智能设备，可以使用车载处理来执行分散决策，例如路径规划和冲突避免。已经发现，对于多个运行中的AGVs来说，路径规划在计算上是昂贵的[14]。这个操作可能需要卸载到功能更强大的中央处理器。在真实的工厂环境中，AGV的本地化和路由可能会带来困难。工厂必须安装正确的设备，这既耗时又昂贵，而且由于AGVs不了解的动态环境，可能会导致效率低下。[15]
AGV制导技术可分为两组:固定路线和自由路线制导方法[ 16 ]。固定路线方法依赖于AGV感测和遵循布局路径。这种例子包括磁带和光带。自由路线方法存储AGV用来识别其当前位置的坐标。这些例子包括全球定位系统和视觉导航。固定路线的方法，如磁带，不灵活，因为任何改变都需要重新编带，这有很高的维护成本，尽管材料成本很低，[ 17 ]。它们提供AGV的精确定位和一些决策能力，但是需要其他方法来监控AGV的准确位置。
自由路线法很昂贵，并且会受到环境的干扰。一旦安装，它们需要较少的维护，并且能够定位AGV，但是[ 16、17]不太可靠和不准确。像GPS这样的免费路线方法提供了灵活性，并且可以方便地定制AGV路线。
工厂通常需要多辆AGV。为了管理这样的车队，不同的型号可以应用于AGV系统[ 18 ]。流动路径设计模型增加了每辆AGV的路径灵活性，但增加了复杂性，碰撞的可能性更高。串联区域模型将工厂车间划分为非重叠区域。每个地区都有一辆运行中的AGV，两者之间有交换站。然而，交换站可能会引入延迟，这会降低生产率[19]。
2.3.射频识别(RFID)
这项技术通过特定频率的无线电波传输信息。电路可以封装在标签内，读者可以在标签中提取信息。有两种类型的标签:被动标签和主动标签。无源标签不需要电源，而有源标签需要电源。标签中的信息是唯一的识别密钥。这些键在链接到数据库时很有用。在制造环境中，这些标签可以贴在制造的产品上，以创造智能产品。然后有可能跟踪这些产品，并使用这些标签做出[ 9，20 ]决策。RFID可用于精确定位AGVs [5]。这可以通过分析RFID读取器产生的磁场来确定标签最有可能被检测到的位置来实现，并且标签可以重新排列成图案以确保可靠的检测[ 5 ]。误差抑制方法然后可用于确定[ 21 ]精确的位置。
2.4.智能设计
工业4.0的基本框架之一是智能设计[ 4 ]。该框架利用了快速成型，如3D打印，这使得测试产品的制造变得快速和容易。
有了3D打印组件，AGVs可以很容易地定制，以适合他们的应用[ 22 ]，备件可以在内部制造，这将提高效率并降低成本。
2.5.专业化生产系统
AGVs是制造系统的未来，然而，对于工业4.0来说，实施AGVs的有效方法仍然缺乏。有三种类型的制造系统[23] :
bull; 专用制造系统( DMS ) :一种能够应对特定产品或产品范围的系统，特别为高生产量而设计。然而，它的容量是固定的，不能修改以满足多变的客户需求。
bull; 柔性制造系统:一个系统
其在功能上是柔性的。然而，它的灵活性是预先定义的。因此，如果修改超出了系统的限制，就需要大量的财政和时间支出。
bull; 可重构制造系统( RMS ) : RMS的主要特点是它由相对便宜的生产线或设备组成，这些生产线或设备可以像DMS一样以专用的方式制造特定的产品，但是以后可以在相对短的转换周期内重新配置，以制造不同的产品[ 24 ]。
表1 - RMS的关键特性
|
关键特性 |
描述 |
|
可变性 |
不同制造状态之间的转换时间短 |
|
用户化 |
特定产品和产品系列的定制灵活和可控 |
|
可诊断性 |
产品质量在上升和运行阶段可追溯 |
|
可扩展性和可约性 |
系统对象在扩展、增长或收缩方面自由 |
|
功能和使用中立性 |
确定任务或功能的尺寸，以满足各种要求和应用 |
|
互联性 |
允许系统内外的各种连接 |
|
可积性 |
快速集成新组件和技术，例如借助标准化接口 |
|
灵活性 |
系统内对象在本地移动不受限制 |
|
模块性 |
组件和控制器的结构模块化 |
从表1中可以看出，RMS是迄今为止最好的制造系统，因为它考虑了更多的因素。有鉴于此，本文试图设计一个以RMS和工业4.0技术为主导的智能物流系统。
3 .设备和设计组件
3.1.射频识别
射频识别以标签的形式出现，并且自动导航车用此决策。阅读器被连接到自动导航车上以检测标签。所使用的设备如图1所示。使用了两种频率的射频识别标签: 13.56 MHz和125 KHz。13.56 MHz标签用于运动控制，或者嵌入透明塑料或者白纸中。125 KHz标签用于物体识别，并嵌入黑色塑料中。
图1. 射频识别标签和阅读器
MFRC522 RFID读取器仅检测到13.56 MHz RFID标签。它的阅读距离高达50毫米。它附在两部AGV的底座上，用于运动控制。ID-12LA RFID读取器仅检测到读取距离为120毫米的125 KHz RFID标签。它附在卡尔的抓手上，用来识别物体。
3.2. 3D打印组件
3D打印组件允许AGVs的轻松定制。吉米和卡尔的主体很容易定制，以适应任何工厂场景。这将适应性和成本效益带到了台面上。
AGVs所需的任何定制组件都是在CAD中设计的，然后进行3D打印。有三个RFID阅读器支架是为AGVs设计的。它们如图2所示。卡尔用了两个，吉米用了一个。第一个支架安装了ID-12LA RFID阅读器，并安装在卡尔的抓手上。接下来的两个支架安装了MFRC522 RFID阅读器，连接到卡尔和吉米的底座上。
图2.自动驾驶汽车的RFID读取器支架 图3.卡尔用3D打印打印轴承
卡尔需要一个轴承来转动前轮，这样它就可以转动了。本文设计了一个用于车轮旋转的三维轴承模型。图3所示的轴承允许臂和前轮共享同一旋转轴，同时将它们牢固地保持在适当位置。这种独特的设计使得一个马达能够同时转动前轮和臂，而不是每个马达都有单独的马达。
卡尔使用了两个限位开关来校准和限制车轮和臂的转动。坐骑是用来固定卡尔按压的限位开关的。
4 .AGV设置
4.1.吉米设置
吉米的最终设置如图4所示。它的主微处理器板是mCore。存在以下特征:
bull; 遵循布局路径的线路跟随模块
bull; 用于避免碰撞的前声纳
bull; 运载物体平台
bull; 附着在基座上用于运动控制的RFID读取器
bull; 使用Mega 2560微处理器板专为读者
bull; Me RJ25适配器，用于将Mega 2560连接到mCore
图4.吉米的最终设置
4.2.卡尔设置
卡尔的最终设置如图5所示。它的主微处理器板是扩音器。存在以下特征:
bull; 避免碰撞的前后声纳
bull; 附着在臂上的RFID读取器，用于识别智能产品
bull; 附着在基座上用于控制移动的RFID读取器
bull; 限制开关，用于限制手臂和身体的旋转
图5.卡尔的最终设置 图6.两台自动引导车的全工厂场景
5.工厂场景
建立了一个智能工厂环境，为确定建议解决方案的实用性以及它如何适应行业4.0的到来提供了见解。在大多数真实情况下，一个工厂会使用一队AGV。在目前的情况下，一辆卡尔和三辆吉米自动引导小车分别在不同的轨道上进行。每辆吉米AGV都有一条固定的路径在轨道上行驶。工厂场景如图6所示。
5.1. 轨道设计
吉米上使用的光学线路跟踪模块复制了磁带的角色，磁带通常在实际工厂中用作引导系统。它需要一个薄的黑色反射路径，具有白色反射背景，如图7所示。在轨道上创建了多条路径。贴上标签
全文共13622字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[517]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
