智能選配在裝配自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用研究

王 瑩,陳馨雯,邱彥杰

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司,江蘇 常州 213011)

1 實(shí)際問題

高速列車從運(yùn)營環(huán)境及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)考慮,通常采用齒式結(jié)構(gòu)。聯(lián)軸節(jié)通常設(shè)計(jì)成兩半對稱結(jié)構(gòu),組成部件主要包括鼓形齒、內(nèi)齒套、過載襯套等,鼓形齒與內(nèi)齒套的嚙合,鼓形齒與過載襯套的配合均應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求[1]。

聯(lián)軸節(jié)組裝生產(chǎn)時(shí),根據(jù)訂單生產(chǎn)計(jì)劃向生產(chǎn)現(xiàn)場配發(fā)對應(yīng)項(xiàng)目和數(shù)量的鼓形齒、內(nèi)齒套等零件,為滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的配合間隙,組裝前將配發(fā)至生產(chǎn)現(xiàn)場的零件通過測量選配的方式形成配對。但在實(shí)際操作過程中會存在較多問題,影響聯(lián)軸節(jié)選配效率、測量精度：

①當(dāng)生產(chǎn)批量較大時(shí),隨機(jī)選取零件配對難以得到最優(yōu)解(即配對成功對數(shù)最多的配對組),導(dǎo)致反復(fù)測量、退庫更換零件等情況,選配效率較低。

②部分未配對成功的零件退庫長期壓滯,倉庫存貨壓力大。

③若根據(jù)零件檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行人工理論計(jì)算配對再測量校核,生產(chǎn)批量大,樣本量過多,難以從大量零件中找到所需對應(yīng)編號的零件實(shí)物。

④人員操作力度、手法、測量角度及測量工裝定位情況一定程度上影響配對頂隙、側(cè)隙測量精度。

2 解決方案

為解決上述問題,同時(shí)提高聯(lián)軸節(jié)選配過程的自動化、智能化程度,加快工藝裝備升級轉(zhuǎn)型,考慮利用零件檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)配對,得出最優(yōu)配對組[2-3],再應(yīng)用自動化測量設(shè)備進(jìn)行復(fù)測校核,方案流程如圖1所示。方案硬件包括選配立體倉庫、機(jī)械手、選配測量裝置等,軟件為工業(yè)視覺系統(tǒng)、集成智能選配系統(tǒng)。將選配工序分為理論預(yù)配對、測量校核2個過程。理論預(yù)配對過程主要涉及數(shù)據(jù)層面,考慮集成MES、WCS、QMS等系統(tǒng)[3],根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃將零件上料至選配立體倉庫,零件與對應(yīng)托盤通過RFID綁定、關(guān)聯(lián)貨位[4],QMS將零件質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)傳遞至MES,MES根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃將選配零件型號、數(shù)量需求、選配要求、零件質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)等信息傳遞至WCS系統(tǒng),WCS系統(tǒng)選配算法對立體倉庫中零件進(jìn)行預(yù)配對,根據(jù)配對組WCS輸出選配指令通過堆垛機(jī)、機(jī)械手按順序出料。測量校核過程主要涉及操作執(zhí)行層面,應(yīng)用自動化測量設(shè)備進(jìn)行復(fù)核測量選配尺寸,并將測量值反饋MES系統(tǒng)進(jìn)行判定、記錄[5]。

圖1 選配方案流程

2.1 智能選配測量方案

2.1.1選配立體倉庫方案設(shè)計(jì)

經(jīng)產(chǎn)品年產(chǎn)量評估,生產(chǎn)線節(jié)拍應(yīng)滿足10 min/件。選配立體倉庫中主要存儲鼓形齒、內(nèi)齒套、波紋管組件、過載襯套等尺寸較大、需要選配的聯(lián)軸節(jié)零部件,根據(jù)以往選配經(jīng)驗(yàn)估算,假設(shè)理論計(jì)算配對成功率為80%,則選配立體倉庫需要設(shè)置至少432個貨位,保證每次上料滿足當(dāng)天產(chǎn)量需求。

選配立體倉庫主要由立體貨架、巷道式堆垛機(jī)、進(jìn)/出料口及操作控制系統(tǒng)等組成[6]。除上述基本配置外,還設(shè)置有緩存輸送線,滿足空料盒的緩存、回收,根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍能夠有效緩解人工上料、堆垛機(jī)、機(jī)械手的工作強(qiáng)度。為便于上料、下料及回收料盒,定制通用料盒托盤(見圖2),可兼容需要立體倉庫存儲的所有類型零件。

圖2 通用料盒托盤

2.1.2WCS系統(tǒng)的選配算法設(shè)計(jì)

聯(lián)軸節(jié)內(nèi)齒套和鼓形齒選配時(shí),須保證鼓形齒和內(nèi)齒套配合頂隙、側(cè)隙尺寸。當(dāng)鼓形齒和內(nèi)齒套的配合頂隙在ε1～ε2(直徑方向),同時(shí)側(cè)隙在ε3～ε4時(shí),則可以配對組裝。

頂隙：ε1≤df-da≤ε2

(1)

側(cè)隙：ε3≤e-s≤ε4

(2)

式中：da為鼓形齒的齒頂圓直徑,df為內(nèi)齒套齒根圓直徑,e為內(nèi)齒套分度圓齒槽寬,s為鼓形齒中截面分度圓齒厚。ε1、ε2、ε3、ε4值根據(jù)聯(lián)軸節(jié)產(chǎn)品型號確定。

結(jié)合陳馨雯等[7]提出的面向零件利用率的組件選配方法,一個選配批次中有內(nèi)齒套m件,鼓形齒n件,假設(shè)n≥m,零件全部隨機(jī)裝配形成一個選配方案,為這批零件選配解空間的一個解,所有可能的方案定義為這批聯(lián)軸節(jié)的選配解空間,則選配解空間大小為

(3)

假設(shè)在一個選配批次中,內(nèi)齒套有m個,測得齒根圓直徑分別為df1、df2、……、dfm,通過測得的跨棒距計(jì)算出分度圓齒槽寬分別為e1、e2、……、em;鼓形齒有n個,測得的齒頂圓球面直徑分別為da1、da2、……、dam,通過測得的公法線長度計(jì)算出中截面分度圓齒厚分別為s1、s2、……、sn。選配目標(biāo)是從這m個內(nèi)齒套和n個鼓形齒中快速匹配出符合頂隙、側(cè)隙要求的最多對(w對)零件。

根據(jù)已有的內(nèi)齒套A和鼓形齒B實(shí)測尺寸,可以計(jì)算出一組系數(shù)gij：

(4)

式中：i=1,2,……,m;j=1,2,……,n。

則配對目標(biāo)函數(shù)

(5)

即實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的一組xij解就確定了一組最大配對組(也可能有多種最大配對組合解)。

2.1.3自動化測量設(shè)備設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由移載機(jī)構(gòu)、頂隙測量機(jī)構(gòu)、側(cè)隙測量機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、打標(biāo)機(jī)等組成(見圖3)。

圖3 自動測量設(shè)備示意圖

移載機(jī)構(gòu)主要包含X向移動機(jī)構(gòu)、Z向高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。電缸控制與X向?qū)к墭?gòu)成移動副的移載底板,使零件能夠沿X軸方向移動至頂隙測量位、側(cè)隙測量位、打標(biāo)位。電缸控制與Z向?qū)蛑鶚?gòu)成移動副的鼓形齒支撐板,能夠調(diào)節(jié)鼓形齒與內(nèi)齒套相對高度,以匹配不同型號產(chǎn)品輪齒嚙合測量區(qū)域。

頂隙測量機(jī)構(gòu)主要包含壓緊機(jī)構(gòu)、位移測量機(jī)構(gòu)、前推板機(jī)構(gòu)、后推板機(jī)構(gòu)。氣缸驅(qū)動壓緊機(jī)構(gòu)壓頭沿Z向升降,帶錐度結(jié)構(gòu)的壓頭壓緊定位鼓形齒。位移測量機(jī)構(gòu)的氣缸驅(qū)動位移傳感器沿Y向移動,控制位移傳感器測量頭位置。氣缸以適當(dāng)?shù)耐屏?、速度分別驅(qū)動前、后推板推動內(nèi)齒套外圓沿徑向?qū)χ蟹较蛞苿?位移傳感器采集位移量。

側(cè)隙測量機(jī)構(gòu)主要包含壓緊機(jī)構(gòu)、扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同軸安裝于壓緊機(jī)構(gòu)外側(cè),氣缸驅(qū)動壓緊機(jī)構(gòu)、扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)壓頭沿Z向升降,帶錐度結(jié)構(gòu)的壓緊機(jī)構(gòu)壓頭壓緊定位鼓形齒(同頂隙測量機(jī)構(gòu))。扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶有可伸縮夾爪,夾爪伸出通過內(nèi)齒套內(nèi)孔定位、夾持內(nèi)齒套,電機(jī)驅(qū)動夾爪以適當(dāng)?shù)呐ぞ嘏まD(zhuǎn)帶動內(nèi)齒套沿與鼓形齒同軸軸線轉(zhuǎn)動,角度傳感器采集角度變化量,根據(jù)具體產(chǎn)品參數(shù)通過設(shè)備控制系統(tǒng)換算成位移量。

2個測量機(jī)構(gòu)中嵌入的測量模塊主要包括位移傳感器、推力速度調(diào)節(jié)控制、角度傳感器、扭矩調(diào)節(jié)控制等。

定位機(jī)構(gòu)包括上料位定位機(jī)構(gòu)、打標(biāo)位定位機(jī)構(gòu),2個工位的定位機(jī)構(gòu)原理相同,由氣缸驅(qū)動位于定位底板上構(gòu)成對合移動副的前定位板、后定位板,前定位板、后定位板均為V型機(jī)構(gòu),氣缸驅(qū)動其對合時(shí)夾緊零件可實(shí)現(xiàn)對中。

激光打標(biāo)機(jī)用于零件配對標(biāo)記的刻打。打標(biāo)時(shí),移載機(jī)構(gòu)的鼓形齒支撐板升降,配合調(diào)整高度以適應(yīng)激光打標(biāo)機(jī)對焦位置。

工業(yè)視覺模塊主要包括相機(jī)、鏡頭、光源、控制器及軟件算法等[8]。本文應(yīng)用工業(yè)視覺識別系統(tǒng)對零件標(biāo)識、位置、角度方向進(jìn)行識別,識別信息傳遞至控制系統(tǒng),引導(dǎo)機(jī)械手對零件進(jìn)行抓取、放置。機(jī)械手將內(nèi)齒套、鼓形齒依次抓取至視覺識別區(qū),視覺識別系統(tǒng)識別零件標(biāo)識信息,并傳遞至MES系統(tǒng)記錄;同時(shí)根據(jù)零件標(biāo)識的特殊字段信息,MES系統(tǒng)指令自動測量設(shè)備控制系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)型號產(chǎn)品的參數(shù)程序。視覺識別系統(tǒng)識別零件狀態(tài),即內(nèi)齒套、鼓形齒的位置、角度方向,傳遞至機(jī)械手控制系統(tǒng)以引導(dǎo)機(jī)械手調(diào)整零件狀態(tài),可實(shí)現(xiàn)輪齒嚙合頂隙測量時(shí)鼓形齒齒寬與內(nèi)齒套齒槽寬的方向?qū)χ?使零件在移載機(jī)構(gòu)上處于測量方向和位置,保證其測量精度。

2.1.4自動化測量設(shè)備測試驗(yàn)證、參數(shù)設(shè)置

在自動測量設(shè)備(見圖4)上分別對其頂隙、側(cè)隙測量情況進(jìn)行驗(yàn)證,并設(shè)置適用的設(shè)備參數(shù)。

圖4 自動測量設(shè)備實(shí)物外形圖

①頂隙測試驗(yàn)證及參數(shù)設(shè)置

隨機(jī)選取一套鼓形齒、內(nèi)齒套,原始測量模式下其配對頂隙為0.43 mm,并做配對標(biāo)識;將工件放至測量設(shè)備,按照配對標(biāo)識、測量方向擺放,位移傳感器測量頭伸出抵住內(nèi)齒套測量位置,設(shè)備固定鼓形齒,用手緩慢推拉內(nèi)齒套,根據(jù)傳感器檢測到的位置點(diǎn)變化得到該套工件配對頂隙值,多次測量頂隙值與人工手動測量值相符,具體測量結(jié)果如表1所示。

表1 手動測量頂隙結(jié)果 mm

根據(jù)設(shè)備原理結(jié)構(gòu),前后推板的推力、速度會直接影響頂隙測量結(jié)果。通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)氣缸動作速度,調(diào)壓閥調(diào)節(jié)氣缸推力,分別以v1、v2、v3的推板氣缸動作速度(v1>v2>v3)和0.15 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa的推板氣缸氣壓驗(yàn)證頂隙測量效果,具體測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同推板氣缸氣壓、速度下設(shè)備實(shí)測頂隙值

a.先以v1推板氣缸速度,分別測量推板氣缸氣壓為0.15 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa時(shí)的頂隙值。當(dāng)推板氣缸速度為v1時(shí),各氣缸氣壓的頂隙測量值均大于真實(shí)頂隙值,且氣缸氣壓越大頂隙測量值越大。當(dāng)氣缸氣壓過大(即推力過大)時(shí),由于內(nèi)齒套出現(xiàn)傾斜無法完全貼于支撐板水平前后移動,導(dǎo)致測量值偏大且不穩(wěn)定;當(dāng)氣缸氣壓過小(即推力過小)時(shí),由于氣壓接近驅(qū)動氣缸動作的最小極限氣壓,導(dǎo)致推板動作不穩(wěn)定,影響測量值。若推板推送內(nèi)齒套速度較快,根據(jù)動量定理,在內(nèi)齒套與鼓形齒接觸瞬間產(chǎn)生較大的振動,且采集頂隙值的位移傳感器較靈敏,也會導(dǎo)致頂隙測量值不真實(shí),不穩(wěn)定。結(jié)合測量結(jié)果數(shù)據(jù),選取0.2 MPa、0.3 MPa,進(jìn)行速度調(diào)整驗(yàn)證。

b.降低推板動作速度,以v2推板氣缸速度,分別測量推板氣缸氣壓為0.2 MPa、0.3 MPa時(shí)的頂隙值。當(dāng)推板氣缸速度為v2時(shí),0.2 MPa、0.3 MPa的氣缸氣壓頂隙測量值仍均大于真實(shí)頂隙值。

c.繼續(xù)降低推板動作速度,以v3推板氣缸速度,測量推板氣缸氣壓為0.3 MPa時(shí)的頂隙值,測得17組數(shù)據(jù)平均值為0.435 mm,與人工測量的0.43 mm和設(shè)備手動測量的0.433 mm基本吻合。且由于0.3 MPa的氣缸氣壓可滿足氣缸穩(wěn)定動作,17組頂隙測量值的偏差小,較穩(wěn)定。

綜上,為保證頂隙測量精度,應(yīng)設(shè)置設(shè)備以0.3 MPa的推板氣缸氣壓、v3推板氣缸速度進(jìn)行測量。

②側(cè)隙測試驗(yàn)證及參數(shù)設(shè)置

隨機(jī)選取5套鼓形齒、內(nèi)齒套,人工手動測量其配對側(cè)隙分別為1.29 mm、1.37 mm、1.38 mm、1.33 mm、1.30 mm,并做配對標(biāo)識。將工件放至測量設(shè)備,按照配對標(biāo)識、測量方向擺放,分別以30%～90%的電機(jī)額定扭矩進(jìn)行側(cè)隙測量,根據(jù)頂隙測量經(jīng)驗(yàn),設(shè)置較慢的扭轉(zhuǎn)速度,具體測量結(jié)果如圖6所示(圖中側(cè)隙值均為多個測量值的平均值)。

圖6 不同電機(jī)扭矩下設(shè)備實(shí)測側(cè)隙值

a.對內(nèi)齒套施加低于35%的電機(jī)額定扭矩時(shí),角度傳感器檢測不出角度變化量,表示扭矩過小無法帶動內(nèi)齒套轉(zhuǎn)動,無法進(jìn)行測量。

b.對內(nèi)齒套施加35%～55%的電機(jī)額定扭矩時(shí),隨著扭矩增加,測得的側(cè)隙值呈顯著遞增趨勢,表示在這個扭矩區(qū)間內(nèi)輪齒仍未接觸,測量值偏小。

c.對內(nèi)齒套施加55%～90%的電機(jī)額定扭矩時(shí),隨著扭矩增加,測得的側(cè)隙值呈現(xiàn)緩慢遞增趨勢,表示在這個扭矩區(qū)間內(nèi)輪齒逐漸接觸。其中,當(dāng)扭矩設(shè)置至85%電機(jī)額定扭矩時(shí),測得各組側(cè)隙值均與人工手動測量值相符(偏差0.05 mm以內(nèi))。

所以,為保證側(cè)隙測量精度,應(yīng)設(shè)置設(shè)備以85%的電機(jī)額定扭矩進(jìn)行側(cè)隙測量。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

對比人工選配測量方式,智能選配具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

①能夠整合零件數(shù)據(jù),根據(jù)系統(tǒng)選配算法形成最優(yōu)解配對清單,按清單依次出庫流轉(zhuǎn)至測量工位,避免反復(fù)測量、退庫更換零件的情況。

②系統(tǒng)全面掌握選配立庫中所有未配對成功零件信息,為零件工藝配對提供有效信息支撐,可滿足庫存壓滯件定期處置的需求。

③選配立體倉庫實(shí)時(shí)追溯鎖定倉庫中物料的流向、庫位,能夠?qū)崿F(xiàn)指定種類、編號物料的自動檢索、出庫,解決了批量生產(chǎn)過程中人工從大量零件中尋找所需要對應(yīng)編號零件的困難。

④自動測量設(shè)備能夠根據(jù)產(chǎn)品型號參數(shù)調(diào)整對應(yīng)機(jī)構(gòu),設(shè)備動作穩(wěn)定,能夠避免人工測量時(shí)因測量角度、動作速度、力度等因素對測量精度的影響,測量精度高、一致性好。

⑤自動測量設(shè)備能夠兼容不同型號產(chǎn)品,無須更換治具工裝,測量效率高,且可實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)自動采集、判定。

3 應(yīng)用場景實(shí)施

結(jié)合聯(lián)軸節(jié)鼓形齒、內(nèi)齒套等選配、測量過程應(yīng)用場景,為滿足實(shí)現(xiàn)選配件的理論預(yù)配對、測量校核兩部分任務(wù),構(gòu)建選配立體倉庫、自動測量設(shè)備、機(jī)械手結(jié)合的作業(yè)模式(流程見圖7),具體作業(yè)過程如下。

圖7 選配、測量流程圖

①上料。根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃人工將對應(yīng)型號的鼓形齒、內(nèi)齒套等零部件上料至立體貨架,通過條碼、二維碼或RFID芯片將零件與料盒綁定,保證追溯倉庫中物料的流向、庫位。

②理論配對。MES系統(tǒng)將對應(yīng)型號的選配要求、零件尺寸等信息傳遞至WCS系統(tǒng)中的選配模塊,對倉庫中物料進(jìn)行理論計(jì)算預(yù)配對,生成最優(yōu)配對組清單。

③出料。WCS系統(tǒng)控制堆垛機(jī)出料,堆垛機(jī)按照配對組、零件需求順序依次出料。機(jī)械手依次將零件從立體倉庫出料口運(yùn)轉(zhuǎn)至自動化測量設(shè)備。

④測量校核。工業(yè)視覺系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)械手上料至自動化測量設(shè)備,機(jī)械手調(diào)整零件上料角度,保證輪齒嚙合區(qū)域沿齒寬方向?qū)χ?設(shè)備移載機(jī)構(gòu)的鼓形齒支撐升降機(jī)構(gòu)調(diào)整鼓形齒與內(nèi)齒套的相對高度,模擬輪齒嚙合真實(shí)軸向位置。在頂隙測量工位、側(cè)隙測量工位分別進(jìn)行頂隙、側(cè)隙測量,測量均重復(fù)2次,對比數(shù)據(jù)在要求范圍內(nèi)并取平均值。

⑤若選配測量結(jié)果符合要求范圍,則將零件移載至打標(biāo)區(qū)進(jìn)行配對標(biāo)識刻打。

⑥若選配測量結(jié)果不符合要求范圍,則機(jī)械手將零件成組運(yùn)轉(zhuǎn)至NG品處置區(qū)。

經(jīng)過多品種產(chǎn)品批量測試驗(yàn)證,按照本文方案實(shí)現(xiàn)了組裝零件的物料存儲調(diào)用、選配、測量、流轉(zhuǎn)輸送過程的自動化、智能化,滿足產(chǎn)線各工序零件成套供料需求,實(shí)際應(yīng)用場景如圖8所示。

圖8 實(shí)際應(yīng)用場景

理論預(yù)配對需要在MES系統(tǒng)中設(shè)置產(chǎn)品基本參數(shù)、選配要求及關(guān)聯(lián)物料,WCS系統(tǒng)基于MES系統(tǒng)傳遞的信息,將選配立體倉庫中庫存物料進(jìn)行配對分組,并出庫、送料至測量設(shè)備。

4 總結(jié)

①實(shí)現(xiàn)MES、WCS、QMS等多系統(tǒng)的集成,以信息化為載體,充分利用所掌握的產(chǎn)品零件質(zhì)量數(shù)據(jù),通過預(yù)配對來提高選配測量的合格率。

②選配自動化測量設(shè)備的通用性較好,各機(jī)構(gòu)尺寸、行程設(shè)計(jì)均滿足不同型號產(chǎn)品的測量需求,通過設(shè)備控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)測量模式的快速切換。

③工業(yè)視覺技術(shù)和機(jī)械手的配合應(yīng)用,視覺引導(dǎo)機(jī)械手放置、調(diào)整零件位置,有效消除了人工測量時(shí)零件測量位置相位偏差對測量精度的影響,測量精度提升明顯。

④本文的預(yù)配對與自動化測量相結(jié)合的方案能夠?qū)崿F(xiàn)選配無人化作業(yè),且作業(yè)效率得到很大提升,作業(yè)時(shí)間由人工選配平均10 min/組減少至智能選配1.5 min/組。選配算法生成的最優(yōu)配對組,使產(chǎn)品整體選配成功率由70%提升至約95%,避免因選配不成功導(dǎo)致庫存物料壓滯的問題,一定程度上節(jié)約了物料成本。

⑤智能選配技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時(shí),需要特別重視零件檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?；诹慵z測數(shù)據(jù)預(yù)配對選配,若準(zhǔn)確性較差,則難以滿足測量校核的控制要求,所以零件檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確程度直接影響智能選配成功率。

本文的智能選配技術(shù)同樣可推廣應(yīng)用于其他零部件選配產(chǎn)品生產(chǎn)中,具有很好的應(yīng)用前景。