硬质合金工具基体毛坯棒材自动转运物流系统设计与应用

头部广 告

摘要：针对硬质合金工具基体制造车间毛坯棒材长期依赖地堆存放、人工找料、人工搬运的粗放作业模式，本文设计了一套基于AGV自动化搬运、智能对接装备与智能系统协同的物流转运系统。系统以激光SLAM导航AGV为核心载体，以自动化接驳设备为硬件接口，以LES为调度中枢，通过5G+Wi-Fi混合组网实现设备全连接，覆盖A车间入库、B车间入库、检验送料、产线配送、空托盘回收等多类业务流程，实现毛坯棒材从入库到出库的全流程自动化转运。应用结果表明，该方案可有效提升物流效率，降低人工成本，为同类型硬质合金企业物流智能化改造提供可复制的工程实践参考价值。

关键词：硬质合金；AGV；自动化；生产物流

作者：张开河

厦门金鹭硬质合金有限公司

一

引言

硬质合金工具基体制造属于离散型智能制造领域，生产工序多、物料种类繁杂，毛坯棒材作为关键中间制品，其转运效率直接决定生产线节拍与产品交付周期。传统工厂长期采用地堆存放、人工找料、人工搬运的粗放模式，存在找料耗时、路径不固定、信息不实时、流转效率低、易出现差错与物料磕碰等问题，难以满足现代化智能制造对高效、稳定、精准自动化转运的要求。

随着工业4.0与智能制造深度推进，AGV自动化搬运、智能化装备、5G工业通信等技术日趋成熟，为生产物流自动化升级提供了可靠技术支撑[1]。以自动化转运为核心的线边仓智能化改造，已成为离散制造业提升物流效率、实现生产与物流协同的关键路径[2]。本文以硬质合金工具基体制造车间毛坯棒材为研究对象，聚焦地堆存放管理、人工找料等核心痛点，结合企业现有生产布局，设计一套低成本、高适配、易落地的自动化转运物流系统，通过AGV自动化搬运与智能系统协同，实现毛坯棒材入库上架、检验、产线配送及空托盘回收的全流程自动化转运，为同类型企业物流智能化改造提供可复制的工程实践参考。

二

系统规划设计

1.设计目标与原则

系统设计围绕“自动化转运、信息化管理、智能化调度”三大目标，遵循四项基本原则：一是最小化改造原则，采用激光3D SLAM导航AGV避免地面改造，减少土建投入[3]；二是模块化架构原则，硬件与软件分层解耦，各模块独立运行、协同联动；三是生产节拍适配原则，AGV配置数量基于运输距离、运行速度、作业频率精确测算；四是全流程覆盖原则，涵盖入库、存储、检验、配送、回收等完整业务闭环，消除物流断点。

2.系统总体架构

系统由硬件设备层、网络通信层、软件业务层三部分构成。硬件层包括叉车AGV、智能输送线及接驳设备、传感器、呼叫装置、充电桩等，统一接入物联网平台实现状态采集与指令下发。网络层采用5G工业专网+Wi-Fi混合组网，5G覆盖AGV等高移动性设备，Wi-Fi覆盖固定设备，充分考量端到端低时延及多终端支持。软件层以LES为核心，向上对接MES获取生产计划，向下通过MQTT与AGV调度系统RCS联动，实现任务调度、库存管理、设备监控的一体化管控。整体架构在不改动工厂原有生产体系的前提下，实现毛坯棒材全流程转运的自动化调度与无人化作业。

3.业务流程规划

图1 智能线边仓总体布局图

模压智能线边仓总体规划布局如图1所示，基于硬质合金毛坯棒材工序生产物流全链路需求，系统规划八类核心业务流程：（1）A车间入库——自动卸炉设备将冷却后的毛坯棒材送至输送线出口，触发信号后系统生成入库任务，AGV叉取物料运送至线边仓指定库位；（2）B车间入库——车间物料就绪后，人员通过PDA呼叫AGV，AGV前往指定位置叉取物料后返回线边仓入库，户外路段配套红绿灯和雨水检测装置保障运行安全；（3）检验送料——系统根据订单汇报情况自动生成送料任务，确保检验区输送线始终有料，配送AGV到线边仓叉取物料送至检验输送线；（4）成品返检——检验车间物料需复检时，系统调度AGV将物料送至检验区；（5）弯检回库——检验完成后人员将物料放上回库输送线并用PDA扫码确认，系统自动生成回库任务，AGV叉取物料返回线边仓指定库位；（6）线边仓出库——产线或系统自动下发出库任务，配送AGV到线边仓叉取物料送至无心磨加工产线货架；（7）切割出入库——配送AGV将线边仓物料送至切割成型区输送线，切割完成后人员放置在回库输送线，输送线出口检测到有货后即生成回库任务；（8）空托盘回收——配送AGV完成出库任务后自动检测无心磨货架空托盘，根据自动卸炉设备空托盘缓存位情况将空托盘送回指定位置。八类流程覆盖毛坯棒材从产出到加工的完整物流链路，实现全流程无人化自动转运。

三

硬件系统设计

系统硬件由AGV转运设备、智能输送线及接驳设备、充电与安全设备、网络终端、检测设备五部分组成，统一接入物联网平台实现状态采集、指令下发与故障告警。

1.网络结构设计

系统采用5G工业专网+Wi-Fi混合组网，网络结构如图2所示，满足AGV高移动性、低时延、高可靠通信需求，网络无缝覆盖整个车间。

图2 网络结构图

5G工业专网覆盖AGV、工业平板、手持PDA等高移动性设备，AGV在车间内持续移动作业，采用5G通信保证跨区域切换时通信链路零中断，支持快速任务切换与毫秒级调度响应。Wi-Fi覆盖输送线控制器、无线呼叫器等固定设备，5G工业路由器产生Wi-Fi热点实现就近接入，采用冗余备份保证数据传输稳定可靠。整体网络实现端到端时延小于20ms、设备状态1s刷新、支持50台以上设备同时在线，为AGV调度与多机协同提供坚实通信支撑。

2.AGV转运设备与产线配套设施设计

AGV转运设备与产线配套设施是系统硬件核心组成部分，如图3所示，涵盖AGV本体、托盘载具、产线货架及呼叫装置，共同构成从搬运执行到人机交互的完整设备体系。

图3 AGV与产线配套设计图

系统选用国产定制叉车AGV，举升行程1500mm。托盘载具采用耐磨尼龙复合材料，具有抗冲击、耐腐蚀、自重轻的特点，适应硬质合金生产现场粉尘多、腐蚀性强的环境，底部加强筋结构承载300kg变形量小于2mm。导航采用激光3D SLAM技术，无需地面改造，通过车载激光雷达实时扫描环境特征实现自主定位与路径规划。额定载重300kg，运行速度0～1.4m/s，弯道自动降速至0.3～0.5m/s，加速度控制在0.3m/s²以内，避免急停造成物料晃动。定位精度±10mm，叉取位置精度±5mm，满足高精度作业需求。

无心磨产线货架采用分层存储结构，根据物料尺寸定制层高和层深，每层可存放1～5托物料。货架配置光电检测传感器实现库存自动感知：有物料时遮挡光束判断有货，光束畅通判断为空位，系统实时更新库存数据，为产线配送提供精准物料位置信息。

工位呼叫盒采用Wi-Fi无线接入，安装在各产线关键工位，配备呼叫按钮、紧急停止按钮及状态指示灯。工人按下呼叫后，系统调度空闲AGV前往，呼叫盒显示预计到达时间；AGV到达后发出声光提示，完成作业循环。

3.物料接驳与存储设备设计

物料接驳与存储设备是连接生产工序与AGV转运系统的关键枢纽，承担物料缓存、状态转换、位置对接等功能，其设计合理性与运行稳定性直接影响整个物流系统的转运效率。

图4 PLC硬件连接图

如图6所示，自动卸炉对接过程中经历PDA扫码、托盘物料码垛、PLC交互、输送线运输、物料到位检测、AGV接驳等重要流程。输送线设备设计为一个双层机制的流水线结构，上层是用于空托盘放置的输送线，该输送线入口装配光电传感器，当检测到空位置时，触发回收空托盘任务，方案中使用PLC方案与AGV进行信息交互，系统PLC硬件连接如图4所示，完整的AGV取托盘物料与补空托盘交互任务流程如图5所示，其中寄存器D1000为取托盘任务信号（1=下发，2=AGV准备，3=完成），D1001为补空托盘任务信号（1=下发，2=AGV准备，3=完成，0可取消补空任务），D1002寄存器为当前任务对应工单数量，D1003寄存器值表征具有一定换算关系的工单重量，D1004-D1015寄存器为工单信息业务关联数据；工人作业首先使用PDA对物料盒棒材工单进行扫码，完成报工同时记录物料信息传递给LES系统，后将物料盒放置于托盘物料码垛机上进行多盒物料的自动堆叠，完成后传递于下层输送线上，下层输送线同时配置光电传感器用于检测物料输送到位信号，AGV设备接收到传感器信号与系统任务后，排队调度至输送线开展运输，由此形成卸炉对接全流程自动化作业。

图5 PLC与AGV信号交互流程图

图6 物料接驳与存储设备设计图

自动卸炉设备对接区采用双对接口设计是解决入库瓶颈的关键举措。烧结工序产出的毛坯棒材首先经过卸炉设备冷却下线，卸炉节拍较快，而AGV转运能力有限，单对接口模式容易造成卸炉工位积压拥堵。为此，在卸炉设备两侧各设置一个物料对接口，形成“A/B双通道”模式。两侧接口可同时接收物料，AGV可从任意一侧取料，分散了入库作业流量高峰，有效降低入库拥堵压力。系统根据AGV当前位置和各接口等待物料数量，智能分配取料任务。

输送线配套光电检测系统实现物料状态的全程感知。物料到位传感器安装在输送线末端，当物料移动至传感器检测区域时，传感器发射的光束被遮挡，触发来料信号并上传至系统，同时物料上方的扫码传感器扫描当前批次的作业指令单校验物料信息，系统记录物料到达时间并等待后续指令。物料取走传感器安装在AGV取料位下方，当AGV叉取完成物料离开后，传感器信号恢复，系统判定该物料已完成转运任务，生成物料出库记录。回库传感器则用于监控空托盘返回状态，确保托盘循环使用的全流程可控。

输送线支撑结构设计充分考虑AGV叉取作业的空间需求。传统输送线立柱间距较小（通常300～400mm），会阻挡AGV叉臂进入，导致无法完成对中叉取。本系统对立柱间距进行专项设计，要求支腿间距必须满足小于350mm或大于750mm两个条件之一。小于350mm的窄间距支腿位于AGV作业区域外侧，不影响叉臂活动；大于750mm的宽间距支腿留出足够空间供叉臂完整伸入。两端设置引导斜面，辅助AGV快速对准输送线位置，定位偏差容许量达±50mm。

四

软件系统设计

系统采用前后端分离、分层模块化架构，以LES为核心，依托MQTT物联网平台实现数据交互[4]，与MES无缝对接，构建集计划拉动、任务调度、库存管理、设备监控于一体的智能化软件体系。

1.软件系统总体架构

系统构建操作终端层、生产业务层、物流业务层、设备控制层四级架构，如图7所示。操作终端层覆盖PC浏览器、触摸平板、手持PDA、物理按钮四类终端，面向现场操作人员和生产管理人员提供多终端统一操作入口，实现多场景、多角色全覆盖的人机交互体系。生产业务层以MES为核心，下发物料转运任务并接收物流执行反馈。物流业务层以LES为核心中枢，实现全流程物流任务统一调度。设备控制层包含MQTT物联网平台与RCS机器人调度系统，MQTT承担双向数据传输与协议转换，RCS专门管理AGV集群作业。四层架构自上而下指令逐级下发、状态逐层回传，各模块松耦合独立运行。

图7 软件体系架构图

2.生产物流执行系统LES设计

LES集成物流执行、仓储管理、机器人调度三大功能，替代传统分立的WMS和RCS系统，实现业务统一、数据统一、调度统一，降低系统复杂度，提升运行效率。物流任务管理覆盖八类业务流程，每类定义作业步骤和校验规则，系统自动驱动任务执行。任务实现待执行、已分配、执行中、已完成、异常、已取消六种状态可视化管理，支持异常复盘分析。

智能调度与路径规划是系统核心技术。调度算法综合考虑任务时效、设备可用性、路径可达性与负载均衡，采用改进型遗传算法求解多目标优化问题，输出最优任务分配方案和执行路径。路径规划采用动态规划算法，检测拥堵时自动触发重规划生成替代路径。多AGV协同采用分布式协调算法，各AGV实时广播位置自主协调通过，如图8所示。

图8 系统智能调度与路径规划

库位管理采用网格化编码体系，系统实时维护库位状态。入库自动推荐最优库位，出库按FIFO原则调度最早批次。库存实时更新确保账实一致，低于阈值时自动生成补料任务。批次管理记录入库时间、供应商、检验状态等信息，支持按批次追溯。如图9所示，设备监控实时展示AGV位置、状态、电量，支持远程控制与分级告警。

图9 AGV详情监控

五

系统应用成效

本系统已于2025年在硬质合金工具基体车间正式投入运行，覆盖多车间中多类业务流程。为客观评价系统应用成效，项目组从物流效率、运营成本、作业质量、信息化水平四个维度进行系统性的对比评估。

1.方案对比分析

针对人工作业模式与AGV自动化模式，从物料存储方式、搬运方式、找料方式、信息管理、任务调度、作业时间、异常处理、数据追溯等方面开展全面对比分析，详细情况参见表1。

表1 改造前后作业模式对比

2.关键指标数据对比

项目组对系统上线前后关键运营指标进行了跟踪采集与统计分析，各项指标对比参见表2。数据采集周期为2025年6～8月（改造前基线期）和2025年9～11月（改造后运行期）。

表2 系统上线前后关键运营指标对比

基于多月运行数据对比分析，系统上线后物流执行效率大幅提升，运营成本显著降低，各项指标达到预期设计目标，综合形成了“自动化搬运+智能调度+信息化管控”的高效方案。

六

结论

本文针对硬质合金工具基体制造车间毛坯棒材工序生产物流自动化程度低、效率不高等问题，设计了智能线边仓物流解决方案。系统以激光SLAM导航AGV为转运载体，以自动化接驳设备为硬件接口，以LES为调度中枢，通过5G+Wi-Fi混合组网与MQTT物联网平台实现设备全连接与数据全贯通，覆盖A车间入库、B车间入库、检验送料、产线配送、空托盘回收等多类业务流程的全流程自动化转运。方案依托现有设备进行最小化改造，AGV配置与生产节拍高度适配，具备改造成本低、落地性强、拓展性好等优势，显著提升物流效率与规模化作业能力并降低人工资源成本，全面拉动企业物流管理水平，为同类型硬质合金企业的仓储物流智能化改造提供了可行的工程实践参考，具有良好的推广应用价值。

参考文献:

[1]张鑫,李国斌,高亚非,等.基于伺服电机部件加工的智能制造生产线设计[J].制造技术与机床.2021,(8):197-202.

[2]毕娜.考虑AGV路径规划的智能制造流水线车间布局研究[J].浙江工业大学学报.2022,(5):568-573.

[3]王烨.面向3D SLAM的关键技术研究[D].南京理工大学, 2026.

[4]许翼.基于MQTT的城市级水务物联网平台设计[J].集成电路应用.2025,(3):415-417.

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编辑、排版：王茜

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