本文是一篇工程硕士论文，本文主要面向航空结构件数字化车间，开展基于AGV的刀具自动化物流配送研究，设计了一款适应于航空结构件数字化车间的刀具AGV，对该AGV的总体设计、运动控制设计、导航控制方法进行了介绍。
1 绪 论
1.1 课题研究的背景和意义
制造业是我国经济“创新驱动、转型升级”的重要部分，是立国根本、兴国重器、强国根基，是国民经济的主要部分之一[1]。随着全球对制造业的重新审视，各国纷纷提出了智能制造规划，如美国“先进制造业-美国领导力战略”、德国“工业战略2030”[2]、日本“社会5.0”和欧盟“工业5.0”等，如图1.1所示。习总书记指出，新的科技与工业变革与本国加速转换经济成长方式形成历史性交汇，为实施创新驱动发展战略提供了罕见的重大机会[3]。新一轮工业革命是中国面临的巨大挑战，也是一个巨大的机会。《中国制造2025》和《智能制造“十四五”规划》的提出，为制造业转型的引领指明了清晰的方向。
制造业下属的航空制造业作为先进科学技术的集大成者，既牵引科技发展，又受科技发展的推动[4]。满足生产柔性化、生产自动化和生产智能化的需求，以适应基于数字化的航空结构件智能制造技术的发展趋势，我国飞机制造企业必须更新现有航空结构件生产制造模式，实施数字化车间建设，提升航空结构件加工自动化、智能化水准，实现由“制造”向“智造”转变。智能制造作为制造业转型发展的下一次革命，实现数字化制造是实现跨越式发展不可或缺的一步[5]。
1.2 航空制造业发展现状
航空制造业要求企业具备高度先进的系统集成能力、制造能力和工艺水平，是技术密集型行业，因此需要充分依赖科技进步和创新提升航空制造企业的经济效益。
在国外，航空制造企业的科学技术创新发展持续提速，波音、洛马等航空制造企业的智能化水平也越来越高。2014年，GNK公司与庞巴迪、势必锐（Spirit）、GE等联合开展的“未来机翼结构使能制造技术的验证与集成”（VIEWS）项目，机翼设计、制造、组装自动化、智能化水准得到了提升。波音在2015年的“黑金刚石项目”中开展了基于计算机详细模型的工程，并将更多的自动化技术融入到飞机结构制造中。2016年，“机身全自动化制造工厂”研究在波音开展，根据生产速度和订单向6个装配单元分派任务，通过AGV控制工作流程和时间节点，使AGV进入到装配单元工作[7]。
中国航空制造企业的技术水准也随着国家实力的增强而有了很大的进步。我国航空制造业从上世纪50年代起，发展了超过60年，累积生产各种飞机、直升机等2万多架[8]。国外机构Aero Dynamic Advisory在2017年的调研中指出，中国航空工业总产值占全球总产值的6%。就我国航空制造业有效专利拥有量而言，从2000年的139件增长约40倍至2015年的5339件，中国的航空制造业正在快速提升其自主创新能力[9]。中国的航空制造业已跨入世界的航空制造业链条，并具备一定优势。但是与空客、波音等公司相比，我国的航空制造企业仍然处于航空产业链分工体系中的较低端的环节[10]。
2 航空结构件数字化车间构建与特点
2.2 航空结构件的特点及发展趋势
航空结构件主要包括框、肋、梁等多种类零件，是构成飞机机体内部骨架的主要部分，在飞机制造成本中占比很大，其中尺寸最大且数量最多的是框、梁类结构件。如图2.1所示，2012年，据统计全世界航空结构件的制造成本约是整机的27%[53]。随着现代化国防建设的不断推进，对新的主力战机提出了新的要求，如轻量化、长寿命、易维护等。这使航空结构件走向整体化、薄壁化、承载力强、功能复杂化等，采用整体化设计的航空结构件也越来越多。同时也要求航空结构件具备良好的刚性、高强度、低重量、良好的气密性、高的形位精度等。从而导致设计出来的航空结构件具有多种特点，如复杂的型腔，较薄的壁板，较多的自由曲面，以及较高的加工精度和加工难度。
2.3 航空结构件数字化制造车间
2.3.1 数字化车间概况
数字化车间是一种柔性的自动化生产模式，依托于数字化控制过程和数字化制造环境。航空结构件数字化车间主要加工对象为航空结构件中的肋、梁和框类零件，基础设施设备包括柔性加工生产线系统、柔性加工生产单元、数控加工中心、数控铣床等，数字化作业技术系统包括基于知识与信息关联规划的工艺设计、编程与仿真、生产执行以及测量检测等，数字化管控包括数字化化工艺管理、数字化生产管理和数字化质量管理。旨在形成面向智能制造的高效、绿色和柔性化的制造模式。如图2.2所示为航空结构件数字化车间。
航空结构件的生产由于批量小，品种多等特点导致会有大量的设计变更会在研制和生产过程中出现。在实现紧缩加工制造周期、减小制造成本、降低环境污染、缩减能耗的同时，满足航空结构件制造的个性化需求。在工业4.0背景下，航空结构件数字化车间的主要特点是实现制造具有定制化程度高的复杂产品，生产制造系统能够依照实际需求自行组织生产和优化。而其特点与工业4.0的生产方式有较高的相通性。因此，开展航空结构件设计与制造技术的研究，实现其高效率、高质量、低成费用、满足环保要求的柔性设计与制造，构建航空结构件设计与制造协同化平台，这对于企业核心竞争力的提升意义非凡。
3 刀具AGV总体设计简述.......................... 21
3.1引言................................ 21
3.2 数字化车间布局及配送系统..................... 21
4 刀具AGV路径规划与控制方法.............. 34
4.1引言................................ 34
4.2 AGV运动学建模与仿真......................... 34
5 基于AGV配送的数控刀具防错方法............................... 56
5.1引言................................ 56
5.2 AGV的刀具配送及防错流程.................... 56
5 基于AGV配送的数控刀具防错方法
5.2 AGV的刀具配送及防错流程
在航空结构件数字化车间中，加工航空结构件的刀具资源准备由加工辅助系统进行调度，由物流系统控制AGV对刀具进行配送。加工辅助系统通过加工刀具需求列表与数控加工中心刀库列表进行对比，形成刀具配送列表，并发送至刀具准备室的操作中心。刀具准备室的人员根据该刀具配送列表准备刀具，并按要求放入刀具缓存库，并扫码录入系统。加工辅助系统根据刀具准备情况，下发任务至物流系统，由物流系统协调并控制AGV对已准备好的刀具进行配送，即将刀具缓存库中的刀具配送至对应的数控加工中心的刀库中。
刀具配送至数控加工中心的刀库后，由于该过程为无人干预过程，因此减少了工人对刀具的检查过程。传统数控加工中的刀具检查，通常由操作人员使用游标卡尺测量等方式对刀具的尺寸进行检查。数控加工中心则采用激光测刀仪对刀具的几何尺寸进行检查，但其通常只检测刀具的刀长，对半径的测量也较少，而且不包含对铣刀底角的测量。
为保证自动化刀具配送的准确性，避免因配送刀具的几何尺寸错误和破损情况，导致零件加工出现质量问题，因此在刀具配送至数控加工中心的刀库后，采用激光测刀仪对配送的刀具进行测量，测量的内容包括刀长、半径以及铣刀的底角。若刀具在测量时尺寸误差超过允许值，则会通过数控加工中心向总控系统报警，由操作人员对相应刀具进行检查后，重新配送。如图5.1所示为刀具配送流程。
6 结论与展望
6.1全文工作总结
本文主要面向航空结构件数字化车间，开展基于AGV的刀具自动化物流配送研究，设计了一款适应于航空结构件数字化车间的刀具AGV，对该AGV的总体设计、运动控制设计、导航控制方法进行了介绍，研究了基于改进A星算法的路径规划方法。同时，针对刀具自动化配送中的刀具防错要求，开展刀具防错设计以及刀具几何尺寸检测方法研究。
1）本文对航空结构件的特点和发展形势进行了阐释，并分析和介绍了航空结构件数字化车间的总体情况，梳理了航空结构件车间的生产管理系统、物流管控系统以及刀具管理系统，阐述了航空结构件加工中的刀具种类、刀具管理和监控方式，进而说明了在航空结构件车间开展刀具配送及其防错的重要意义。
2）针对航空结构件车间中刀具自动化物流配送的需要，本文开展了刀具AGV的总体设计，设计并制造了一款满足车间布局和配送系统需要的全方位移动刀具AGV，用于车间的刀具配送。同时对该AGV的行走与驱动机构、控制系统、自动充电系统、视觉导航系统以及安全防护系统进行说明介绍。
3）针对刀具AGV自主导航控制和全局路径规划难题，本文建立了运动学模型并仿真验证，并通过对A星算法的改进实现了刀具AGV的最短路径快速规划，结合车间环境规划相关路径，并据此设计了自主导航控制方法，实现了基于刀具AGV的数字化制造车间刀具自动化配送功能。
参考文献（略）
