AGV衍生技術(shù)下的鉆臂智能裝配研究

李兆楠，周桂生，陳嵐，經(jīng)彭，馮帥捷

（徐州徐工基礎(chǔ)工程機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

近年來我國基建工程項目蓬勃發(fā)展，極大地推動了我國工程機械行業(yè)的發(fā)展。 在工程機械上，裝配工藝的合理性在某種程度上決定著整機性能的實現(xiàn)程度。 一般情況下，在工程機械產(chǎn)品制造當(dāng)中，因工序劃分細(xì)致，多數(shù)的前道工序諸如：下料、焊接、機加工、熱處理等均委托外廠生產(chǎn)， 真正受主機廠控制的關(guān)鍵工序是裝配工序。裝配階段出現(xiàn)問題，必定導(dǎo)致產(chǎn)品性能以及使用年限受影響，因而企業(yè)在工程機械裝配方面不斷增加開支。 隨著工程機械行業(yè)向智能化、數(shù)字化制造的轉(zhuǎn)型，智能化的機器產(chǎn)品在裝配線、生產(chǎn)線等方面的應(yīng)用越來越普遍， 其中以AGV 及其衍生產(chǎn)品在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用尤為廣泛。本文介紹鑿巖鉆車鉆臂的特點以及AGV 定位巡航技術(shù)在鉆臂裝配方面的應(yīng)用。 主臂落于AGV 小車上，上表面采用快速夾鉗加緊，側(cè)面采用快速夾鉗推靠的方式進行定位；具有上下左右調(diào)節(jié)功能的獨立AGV 小車裝載前、 后連接座可實現(xiàn)其與主臂的快速對位裝配；前、后油缸分別采用限位V 型塊和C 型夾緊機構(gòu)實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。鉆臂整體實現(xiàn)了智能化裝配，替代了行車吊裝、人工對孔的裝配方法，裝配質(zhì)量明顯提升，工人勞動強度大幅降低，生產(chǎn)效率提升。

1 工程機械裝配工藝現(xiàn)狀

裝配工藝是機械產(chǎn)品制造中的重要環(huán)節(jié)，同各種零部件制造前期的下料、焊接、機械加工等各類工藝相比， 裝配工藝通常涉及的設(shè)備少，傳統(tǒng)上認(rèn)為產(chǎn)品制造過程中對裝配工藝沒有太高的要求。 近年來隨著工序分包的精細(xì)化，裝配工藝越來越顯得重要。先進高效的裝配工藝可以為機械產(chǎn)品的調(diào)試工序提供可靠的保障，能有效提高生產(chǎn)效率，減少裝配工的數(shù)量。

此外，智能化的產(chǎn)品裝配方法可以有效提升工程機械產(chǎn)品的性能與使用壽命，加快我國工程機械行業(yè)的發(fā)展速度。 大體來說，工程機械裝配有以下幾個特點：

（1）對于一些大型工程機械產(chǎn)品，由于應(yīng)用領(lǐng)域的局限、使用頻率較低，批次生產(chǎn)量較小，如隧道施工使用的鑿巖臺車， 一次生產(chǎn)只有幾臺，最多也就幾十臺。

（2）大型工程項目，如川藏鐵路線項目中需要的機械設(shè)備品種較多，成套化性質(zhì)較強，因此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，往往需要較多零部件配合裝配，才能裝配成完整的整機。

（3）伴隨項目工程量的不斷擴大，新興產(chǎn)業(yè)的增加， 項目當(dāng)中使用的機械設(shè)備也朝著體型巨大、模塊化的方向發(fā)展，機械設(shè)備自身零部件多， 設(shè)備體型增大就意味著主體零部件也會相應(yīng)變大，零部件的搬運和吊裝也會變得復(fù)雜，從而造成零部件移動困難， 極大地降低了裝配的靈活性[1]。

（4）在工程機械裝配領(lǐng)域，不僅需要對機械配件進行裝配，還涉及到非常復(fù)雜的液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，閥塊和管路、線路伴隨著結(jié)構(gòu)件交叉在一起，造成裝配形式多種多樣。

（5）現(xiàn)階段我國工程機械裝配過程中裝配形式方面的特征主要有兩種： 固定裝配與移動裝配。固定裝配形式，需要在裝配車間中結(jié)合產(chǎn)能，選取數(shù)量不定的固定式裝配點，將相關(guān)的零部件放置在固定裝配點中，便于完成裝配任務(wù)。 根據(jù)批次生產(chǎn)量的大小，固定裝配形式又細(xì)分為集中式固定形式和分散式固定形式。在集中式固定裝配模式當(dāng)中，工程機械的裝配任務(wù)只能由固定的裝配人員完成， 這種裝配形式僅適用于小批次。分散式固定裝配具有一定程度的流動性，可以在不同地點由不同的裝配人員來完成，這種裝配方法在提升裝配效率的同時，適用于較大批次量的裝配任務(wù)。移動式裝配形式指的是不同裝配人員與裝配地點可變組成的一種裝配形式， 靈活性大，可以最大程度地提升裝配效率與質(zhì)量，在我國工程機械裝配中有著更為廣泛的應(yīng)用[2]。

（6）工程機械產(chǎn)品，尤其是大型專用工程機械產(chǎn)品，構(gòu)成零部件多，系統(tǒng)較復(fù)雜，且通常存在鑄鋼、鑄鐵、銅材質(zhì)等件，裝配困難程度增加，需要采用靈活的方法來應(yīng)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。互換法、選配法、修配法及調(diào)整法是現(xiàn)階段我國工程機械普遍用到的裝配方法。目前工程機械裝配中應(yīng)用最為頻繁的方法是互換法，互換法可以隨意對零部件進行調(diào)換使用，具有較高的裝配效率以及更低的裝配成本。盡管選配法與互換法有著許多相似的地方，但比互換法的裝配效率低。 對于修配法而言， 其特點是零件之間無法相互使用，從而降低了裝配效率。 調(diào)整法對零件精度有著嚴(yán)格的要求，因而裝配性能最為突出。 在選擇裝配方法時，企業(yè)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特點有針對性地選擇。

2 AGV 小車介紹

AGV(automated guided vehicle)小車，是裝備有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛， 具有安全保護功能的運輸車輛，又叫自動導(dǎo)引車或無人搬運車，具有靈活性、實用性、經(jīng)濟性、安全性、智能化等特點，目前已廣泛應(yīng)用。 AGV 小車可以方便地重組，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的柔性化運輸，顯著特點是無人駕駛。 AGV 上裝備有自動導(dǎo)向系統(tǒng)，AGV 的行駛路徑可以根據(jù)位置要求、生產(chǎn)工藝流程等設(shè)置，保障系統(tǒng)在無人工引航的情況下沿預(yù)定的線路自動行駛，將物料運送到目的地[3]。 與傳統(tǒng)的人工物料輸送方式相比，AGV 技術(shù)在工程機械行業(yè)的應(yīng)用減輕了勞動強度，降低了危險性，提高了生產(chǎn)效率。

3 AGV 與工程機械智能制造

工程機械智能制造， 指的是融合了計算機、通信、互聯(lián)網(wǎng)等信息化手段和現(xiàn)代管理方法的制造系統(tǒng)。目前我國工程機械制造業(yè)處于向智能制造轉(zhuǎn)型的初級階段。 AGV 在工程機械智能制造方面的應(yīng)用體現(xiàn)在以下五個方面。

（1）提高作業(yè)安全性。在生產(chǎn)制造車間，安全永遠是第一位的。 采用AGV 提高了運輸過程中的安全性。 人力搬運過程中的小小失誤，都可能造成搬運人員的人身傷害。 AGV 不僅可以在無人監(jiān)控的狀態(tài)下正常運行，同時也能通過車四周裝配的傳感器有效躲避障礙物，將人員傷害降到最低。

（2）提高勞動生產(chǎn)效率。 在保證安全的情況下， 提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率是制造車間的基本要求。 AGV 可以按照預(yù)先設(shè)定好的路線行走并能將物料搬運到指定的位置，AGV 系統(tǒng)中所有需要維護保養(yǎng)的部件均采用快裝設(shè)計，通常情況下只有電池和車輪等需要維護[4]，維護周期2年以上，維護工作量小，不對生產(chǎn)構(gòu)成負(fù)擔(dān)，且AGV系統(tǒng)中所有AGV 均可單獨維護。采用AGV 搬運物料可以大大地提高生產(chǎn)效率[5]。

（3）降低制造成本。在制造系統(tǒng)中，物料的運輸包括原材料、 半成品和成品間的存儲和運輸。據(jù)統(tǒng)計，制造系統(tǒng)中物料運輸成本占制造總成本的20%-50%。 AGV 的引入，可大幅度地降低這一成本。 AGV 不需人駕駛便可完成物料的運輸，減少了人力成本；作為運輸機械，AGV 可以實現(xiàn)全天候運行。 根據(jù)編輯好的路線和車輛管理方案，不同的AGV 之間可以最大限度地協(xié)調(diào)配合，在有限的時間和空間內(nèi)最大限度地提升工作效率和質(zhì)量。同時AGV 不像人力搬運受時間限制。這些都可以降低運輸費用，從而降低制造成本[6]。

（4）可與計算機控制的全自動化生產(chǎn)裝配系統(tǒng)有機地連接。 AGV 采用無線網(wǎng)絡(luò)計算機控制，提供自動存/取、數(shù)控設(shè)備、FMS、自動裝配等系統(tǒng)接口[7]。

（5）節(jié)約能源保護環(huán)境。 AGV 的充電和驅(qū)動系統(tǒng)能耗少，能量利用率高，噪音低，對環(huán)境沒有不良影響。 另外，AGV 采用無軌導(dǎo)引，只需在地下鋪設(shè)電纜或在地面裝設(shè)導(dǎo)引物（如激光導(dǎo)引的反射板等）， 但這些對車間其他設(shè)施都構(gòu)不成障礙，對環(huán)境不產(chǎn)生影響[8]。

4 鉆臂傳統(tǒng)裝配工藝

鑿巖類產(chǎn)品門類繁多， 產(chǎn)品有掘進鉆車、錨桿臺車、采礦臺車、拱架臺車等，工作裝置涉及單臂、兩臂、三臂、平臺臂。作為整機的核心部件，鉆臂的裝配質(zhì)量直接影響整機的性能。通常鉆臂上面裝有前后6 個油缸，油缸無法鎖死，裝配自由度復(fù)雜。傳統(tǒng)裝配方式為部件分段、定點裝配法，油缸在總裝上裝配，裝配過程需要雙梁行車配合半門吊行車一起作業(yè)，雙梁行車吊起臂體，連接座和車體完成裝配后，行車仍需吊著臂體，防止下墜，油缸安裝過程需要半門吊行車和人工配合完成。臂體和車體裝配完成后，在主機加油之前，臂體仍然需要行車吊著。 裝配流程如圖1 所示，裝配過程如圖2 所示。

圖1 鉆臂部件裝配工藝流程

圖2 鉆臂裝配示意圖

5 采用AGV 小車的鉆臂裝配工藝

首先，我們將整個鉆臂體的裝配工序進行分解：

（1）外臂和伸縮節(jié)的組裝。

（2）臂座和臂體的裝配。

（3）油缸安裝。

（4）閥塊、管路及防護裝置安裝。

5.1 主臂和伸縮臂的裝配

使用機器人抓手將伸縮節(jié)抓取倚靠在斜坡臺上，側(cè)面夾鉗夾緊固定，抓手抓取外臂利用斜坡臺傾斜角以及自重自動對準(zhǔn)穿入伸縮節(jié)，連接端螺栓和銷軸擰緊，如圖3 所示。

圖3 伸縮節(jié)和外臂裝配

5.2 臂體與AGV 小車的連接

利用重載機械臂將臂體整體抓取并安放在AGV 小車上，AGV 小車工作臺面上，一側(cè)設(shè)置側(cè)定位塊，另一側(cè)裝有快速夾鉗。 臂體放置在合適位置后，側(cè)面的快速夾鉗推靠，使臂體與側(cè)定位塊緊密貼合， 然后壓緊夾鉗， 最終使得臂體和AGV小車完全結(jié)合，見圖4。

圖4 臂體和AGV 小車連接

5.3 前后臂座和臂體的裝配

AGV 小車裝載臂體快速移動至下一工位，另一臺輔助AGV 小車附帶工裝托運臂座與臂體連接， 輔助AGV 附帶的工裝可以實現(xiàn)上下左右前后6 個維度的快速調(diào)整，因此臂座可以和臂體完成精準(zhǔn)對位安裝，如圖5 所示。 并且前后輔助AGV 小車可以和主AGV 小車同步移動[8]。

圖5 連接座和臂體裝配

5.4 油缸的裝配

作為整個鉆臂體的核心，五個油缸（兩個前三角油缸、兩個后三角油缸以及旋轉(zhuǎn)油缸）的裝配是裝配過程的關(guān)鍵和難點。由于在添加液壓油之前，五個油缸相互之間沒有直接的關(guān)系，各自的伸縮和旋轉(zhuǎn)具有較大的自由度和不確定性，如圖6 所示。 為了方便后續(xù)工序及主AGV 小車舉升過程中的定位，設(shè)計了專用的弓形限位副及特制卡板的限位機構(gòu)來限制各油缸的動作。

圖6 臂體限位

5.5 臂體和主機的裝配

臂體裝配完成后，輔助AGV 小車后退撤出，主AGV 小車平移至流水線邊， 通過上下舉升和前后移動，自動對中，實現(xiàn)臂體和主機車體的快速對位、裝螺栓組對。 安裝完成后，主AGV 小車后退撤出，如圖7 所示。

圖7 鉆臂和車體裝配

6 結(jié)語

經(jīng)驗證， 使用AGV 小車完成鉆臂的裝配僅需要2 人輔助，2 個小時即可完成一個臂的裝配工作；而使用傳統(tǒng)工裝平臺加馬腿的方式完成一個臂的裝配需要3 個人配合，4 個小時的時間來完成。 人均生產(chǎn)效率大約提高了3 倍，同時減少了反復(fù)的吊裝和轉(zhuǎn)運，極大地降低了工人的勞動強度，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)作業(yè)[9]。