智能化裝備在兵器特種車輛裝配過(guò)程中的集成應(yīng)用

王克偉，蘇 震，孫 林，孫 波，張曉華

(中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

隨著“十三五”將智能制造提高到新的高度，各領(lǐng)域智能制造推進(jìn)路線進(jìn)一步明確，國(guó)家將構(gòu)建開(kāi)放、共享、協(xié)作的智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)，推動(dòng)生產(chǎn)裝備智能化升級(jí)、工藝流程優(yōu)化改造、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)全方位共享及關(guān)鍵智能裝備和產(chǎn)品、核心部件不斷突破，促進(jìn)新一代信息通信技術(shù)、高端裝備等產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大，逐步形成新型制造體系，并進(jìn)一步依托智能制造創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)和發(fā)展模式，培育出行業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)[1]。

對(duì)于軍用特種車輛，因其車體自身質(zhì)量大，且隨著裝配工序的增加整體質(zhì)量和質(zhì)心都在變化，所以在傳統(tǒng)裝配方式下，為避免轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)意外事故，主要采用固定并行工位裝配方式，即直至最后交檢、驗(yàn)收，裝配車體均固定在工位內(nèi)。在該種方式下進(jìn)行現(xiàn)代化裝備的改造實(shí)施，應(yīng)將所有并行的工位全部配置成一樣的裝配設(shè)備，重復(fù)投資大且裝配車間的布局過(guò)于臃腫?！笆濉蹦┢?，車輛企業(yè)開(kāi)始逐步將傳統(tǒng)“固定并行工位裝配”模式改為現(xiàn)代化的“脈動(dòng)式流水裝配作業(yè)”模式[2]。為達(dá)到現(xiàn)代化的流水作業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)作業(yè)流程的優(yōu)化配置，在裝配過(guò)程中需要增加智能化的裝備。

本文以智能全向移動(dòng)輸送車(AGV)、智能懸浮式裝配機(jī)械臂為例，介紹了智能化裝備在兵器特種車輛裝配過(guò)程中的集成應(yīng)用。

1 AGV的應(yīng)用

為解決重載車體的轉(zhuǎn)運(yùn)，最初的物流轉(zhuǎn)運(yùn)方式是采用有軌智能搬運(yùn)車(RGV)(見(jiàn)圖1)。RGV是沿軌道運(yùn)行的智能型自動(dòng)穿梭車，連接多個(gè)工位站點(diǎn)，可以根據(jù)裝配流水線的生產(chǎn)規(guī)模選用多臺(tái)RGV同時(shí)作業(yè)，以滿足生產(chǎn)流水線的任務(wù)要求。系統(tǒng)主要由RGV、RGV通行軌道、滑觸線及供電設(shè)備、工位人機(jī)對(duì)話、無(wú)線通信系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制和地面控制系統(tǒng)等組成。總裝生產(chǎn)線可配置多臺(tái)RGV(帶液壓升降)，控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)RGV穿梭運(yùn)行到安裝工位，根據(jù)工藝要求完成安裝器件的升降、輸送和裝配。

圖1 RGV

RGV因受制于流轉(zhuǎn)過(guò)程中軌道輸送的限制，且裝配過(guò)程中若存在臨時(shí)下線操作時(shí)，RGV轉(zhuǎn)運(yùn)方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)非常復(fù)雜，成本代價(jià)也比較大，對(duì)RGV車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要求很高；因此，目前車體轉(zhuǎn)運(yùn)方式采用麥克納姆輪式AGV，該車既能夠按照預(yù)定的路徑行走，又能通過(guò)手動(dòng)操作按臨時(shí)路徑行走，輸送平穩(wěn)、可靠。

1.1 AGV的特點(diǎn)

AGV(見(jiàn)圖2)最大的特點(diǎn)是移動(dòng)方式靈活，轉(zhuǎn)彎半徑為零，可實(shí)現(xiàn)任意方向的行走，而且起動(dòng)平穩(wěn)，側(cè)移迅速。該車還可負(fù)載工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行打磨、鉆孔和焊接等工序作業(yè)。該車移動(dòng)方式與傳統(tǒng)車輛對(duì)比示意圖如圖3所示。

圖2 AGV

圖3 傳統(tǒng)車輛與麥克納姆輪式AGV移動(dòng)方式對(duì)比

1.2 AGV的組成

AGV組成及配套見(jiàn)表1。

AGV主要組成部分技術(shù)說(shuō)明如下。

1)底盤(pán)車架。底盤(pán)車架采用高強(qiáng)度鋼一體焊接式車架，車架設(shè)計(jì)方案如圖4所示，通過(guò)大板整體焊接而成。該類型車架整體剛度高，穩(wěn)定性好，整機(jī)設(shè)備自重易于控制。

圖4 整體焊接式車架

2)麥克納姆輪(見(jiàn)圖5)。麥克納姆輪選用鍛造鋁合金作為支撐輪輞，進(jìn)口高強(qiáng)度聚氨酯作為麥克納姆輪滾子材質(zhì)，在減輕麥克納姆輪總重的同時(shí)，與常規(guī)輪子相比可提供更強(qiáng)的承載能力和壽命。

圖5 麥克納姆輪實(shí)物圖

3)懸掛模塊。懸掛模塊采用雙柱塞油缸作為平衡支撐，利用直線滑軌實(shí)現(xiàn)輪組安裝板的上下滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)移動(dòng)平臺(tái)各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的獨(dú)立懸掛功能。每個(gè)懸掛模塊均有高度檢測(cè)傳感器和壓力反饋，可以實(shí)現(xiàn)整車四角同步舉升。

4)綜控箱。綜控箱是AGV整車的控制中樞，所有的控制信號(hào)均由綜控箱輸出?？刂泼姘迨擒囕v控制的人機(jī)交互窗口，包含顯示屏和多個(gè)操作按鈕。此外，AGV操作/狀態(tài)顯示界面、整車工作開(kāi)關(guān)、充電開(kāi)關(guān)和充電口等均集成在綜控箱上(見(jiàn)圖6)。

圖6 綜控箱面板

5)遙控器(見(jiàn)圖7)。無(wú)線遙控器由手持發(fā)射器和車載接收器組成，用于車輛遙控模式下行駛的全部操作，以及遙控和自動(dòng)定位之間的功能切換。遙控器可控制車輛的行走及升降動(dòng)作，并設(shè)置急停開(kāi)關(guān)，可在緊急情況下停止車輛運(yùn)行。遙控器接收機(jī)和遙控器通信天線安裝在車體后部，便于故障時(shí)檢測(cè)維修。

圖7 遙控器

6)安全激光掃描儀(見(jiàn)圖8)。車體左前角及右后角各安裝一個(gè)安全激光掃描儀，用于探測(cè)AGV四周障礙物情況。安全激光掃描儀掃描角度270°，保護(hù)距離10 m，滿足AGV使用要求。

圖8 安全激光掃描儀及滿足掃描區(qū)域5 m范圍示意圖

7)導(dǎo)航模塊。導(dǎo)航模塊主要由磁導(dǎo)航傳感器和視覺(jué)導(dǎo)航傳感器組成，可自動(dòng)識(shí)別導(dǎo)航磁條、磁釘和色帶，使運(yùn)輸平臺(tái)車可沿指定軌跡行駛至指定工位，減小操作人員作業(yè)強(qiáng)度，提高設(shè)備自動(dòng)化水平。整車優(yōu)先采用磁導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)竭_(dá)鋼制地面區(qū)域時(shí)，磁導(dǎo)航傳感器(見(jiàn)圖9)不能有效采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)采用視覺(jué)導(dǎo)航傳感器(見(jiàn)圖10)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航。當(dāng)?shù)竭_(dá)非導(dǎo)航區(qū)域，2種傳感器均無(wú)數(shù)據(jù)，導(dǎo)航系統(tǒng)自行停止。廠房地面內(nèi)需鋪設(shè)相應(yīng)的導(dǎo)航磁條(在鋼制地面區(qū)域?yàn)樯珟?。導(dǎo)航模塊可根據(jù)客戶預(yù)設(shè)的路徑實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)直線導(dǎo)航，也可識(shí)別其他復(fù)雜路徑進(jìn)行自動(dòng)行駛。導(dǎo)航精度優(yōu)于10 mm。

圖9 磁導(dǎo)航傳感器

圖10 視覺(jué)導(dǎo)航傳感器

1.3 AGV的主要技術(shù)指標(biāo)

AGV主要技術(shù)指標(biāo)如下：1)額定負(fù)載>30 t；2)車體自重約5 t；3)行駛速度，滿載為0～0.5 m/s(0～30 m/min)，空載為0～0.7 m/s，速度多擋可調(diào)；4)行走方式為前后直行，90°側(cè)移，任意角度及原地轉(zhuǎn)彎；5)驅(qū)動(dòng)方式為車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；6)制動(dòng)距離為150 mm；7)懸架模式為液壓平衡懸架；8)導(dǎo)航方式是以磁導(dǎo)航為主，視覺(jué)導(dǎo)航為輔；9)操縱形式為無(wú)線遙控，自主導(dǎo)航；10)驅(qū)動(dòng)電源是免維護(hù)鋰電池；11)續(xù)航時(shí)間是≥4 h；12)充電形式是有線充電+自動(dòng)電刷板充電；13)人機(jī)交互為觸摸屏，可設(shè)定參數(shù)；14)通信為具有與上級(jí)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息互通、數(shù)據(jù)共享、實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障報(bào)警等功能。

2 智能懸浮式裝配機(jī)械臂

智能懸浮式裝配機(jī)械臂(見(jiàn)圖11)是智能懸浮型提升機(jī)構(gòu)和鋁合金垂直型硬臂結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合。選用鋁合金垂直硬臂結(jié)構(gòu)可以減輕整體設(shè)備質(zhì)量，讓支撐結(jié)構(gòu)的規(guī)格更為輕巧，高強(qiáng)度鋁合金垂直臂可滿足500 kg×800 mm(懸臂長(zhǎng)度)的扭力要求，在兼顧部件安裝需求的同時(shí)，可為車間內(nèi)行車吊裝預(yù)留出約2 m的空間。

圖11 智能懸浮式裝配機(jī)械臂

懸浮起重采用智能提升系統(tǒng)，由于裝配零部件中有對(duì)孔、軸配合的安裝需求，故懸浮功能在裝配過(guò)程中成為必不可少的配置，當(dāng)?shù)跗甬a(chǎn)品部件后按動(dòng)“懸浮”按鈕進(jìn)入該模式后，操作人員可以很輕松的手扶工件，并將其挪動(dòng)至準(zhǔn)確安裝位置。

該種懸浮垂直起重裝置的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在如下方面：1)選用高強(qiáng)度鋁合金型材；2)符合人體工程學(xué)原理，移動(dòng)靈活；3)毫米級(jí)的精準(zhǔn)度；4)多種用途的“浮動(dòng)模式”；5)安裝簡(jiǎn)易，操作維修方便；6)在保護(hù)人員和設(shè)備安全方面具有超載保護(hù)功能、防反彈技術(shù)、斷電保護(hù)功能和電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)功能，結(jié)構(gòu)牢固，控制手柄堅(jiān)固耐用，防護(hù)等級(jí)為IP54。

為顯著改善裝配工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，采用拉動(dòng)阻力更小的鋁合金導(dǎo)軌。鋁合金軌道自身質(zhì)量較輕，承載能力強(qiáng)，軌道系統(tǒng)運(yùn)行平滑，拖拉阻力<0.3%，相對(duì)于鋼制軌道阻力更小，使得在裝配過(guò)程中，操作者可以更輕松、靈活地操作。每根軌道、每個(gè)滑車都配有二次保護(hù)裝置，即使軌道超載脫落，二次保護(hù)裝置也可保證起重機(jī)下操作者的安全，極大程度地降低安全隱患。鋁合金軌道如圖12所示。圖12中，伸縮梁結(jié)構(gòu)可在不影響其他工位的前提下，靈活地增減覆蓋面積。

圖12 鋁合金軌道

鋁合金軌道的特點(diǎn)如下：1)采用高強(qiáng)度鋁合金材料一次擠壓成型，獨(dú)特的軌道截面設(shè)計(jì)；2)與同等鋼質(zhì)軌道設(shè)備相比，質(zhì)量更輕，降低自重可高達(dá)45%；3)運(yùn)行極其順暢，操作力僅為鋼制主梁的55%；4)安裝和改造更加便捷；5)載重量高達(dá)2 000 kg；6)符合人體工程學(xué)，讓重載荷的搬運(yùn)更輕松；7)噪聲等級(jí)更低；8)系統(tǒng)幾乎免維護(hù)；9)因其模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，讓規(guī)劃更自由；10)更加美觀。

上述裝備還可以集成在無(wú)橫梁桁架工位中，工位設(shè)計(jì)成貫通式，同側(cè)上懸掛的智能懸浮提升式垂直起重裝置可以在工位范圍內(nèi)自由滑動(dòng)，可降低投資和生產(chǎn)使用成本；同時(shí)，工位可以在輸送小車異常情況下，利用車間內(nèi)行車吊裝車體，達(dá)到裝配車體靈活轉(zhuǎn)運(yùn)的目的。無(wú)橫梁式桁架結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 無(wú)橫梁式桁架結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

按照“先進(jìn)、實(shí)用、智能、高效”的設(shè)計(jì)理念，在充分借鑒固定并行工位裝配方式的基礎(chǔ)上，積極推行脈動(dòng)式流水裝配作業(yè)模式，并在裝配過(guò)程中引入AGV、智能懸浮提升裝置等先進(jìn)實(shí)用的智能化技術(shù)裝備，最大程度地解決了裝配效率低、輔助時(shí)間長(zhǎng)和勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，同時(shí)提出了車間行車與無(wú)橫梁自立式桁架有效配合的作業(yè)方式，可靈活應(yīng)對(duì)裝配過(guò)程中出現(xiàn)的物流輸送應(yīng)急狀況，如物流運(yùn)轉(zhuǎn)等待、卡滯等問(wèn)題，最大程度地降低了轉(zhuǎn)運(yùn)等待時(shí)間，提高了裝配過(guò)程的作業(yè)效率。