近年来,随着全球经济快速发展与基础设施建设投入增加,城市化水平不断提高,隧道及地下空间开发快速发展,盾构机设备在国内外得到广泛应用,产品需求与日剧增。随着盾构机设备生产交付周期缩短,产品质量要求提高,对产品工艺方案的高效性、安全性提出了更高的要求。
《中国制造 2025》指出,在重点领域推进一批智能工厂和数字化工厂建设,重点推进生产过程的数字化、网络化和智能化,推进我国制造业加速向智能制造转变。装配自动化和信息化是实现智能制造规划不可或缺的部分,也是提升产品质量和竞争力的重要手段。主驱动作为盾构机最核心部件,因其装配工艺流程复杂、质量管控点多和装配技术要求高等特点一直以来都是盾构机制造过程中的难点,其装配自动化、信息化建设需求尤为突出。
现阶段国内外盾构机的主驱动装配工序基本采用集中固定工位式装配模式,装配现场多依赖于纯人工作业,装配辅助及自动化装置、信息化管控措施不完善。这种传统装配方式主要存在以下问题: 1)装配效率低,其中以零/ 部件清洗作业及小齿轮组件的加热、压装作业为代表,工人劳动强度大,产品产出量有限;2)物料转运效率低,采用叉车转运、行车吊装的方式进行,生产高峰期叉车和行车资源紧张,耽 误工期;3)信息化程度低,紧固件拧紧信息及产品装配进程或异常无法自动记录和实时传递,产品质量可追溯性差。
为解决主驱动装配中以人工作业为主的传统装配方式带来的诸多问题,通过对主驱动零件组成及装配工序进行分析,合理规划装配工艺流程及生产线布局,建设全新主驱动装配生产线,定制开发和引入专用装配装备,重点突破零/ 部件自动化清洗、物料自动化转运、小齿轮组件自动化装配、紧固件扭矩检测及装配质量信息可追溯等瓶颈工序。同时通过设计主驱动装配生产线智能调度系统,实现主驱动装配生产线与上下游产品生命周期管理(Product Lifecycle Management, PLM)、企业资源计划(Enterprise Resource Planning, ERP)和数据采集与监视控制(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)等系统的互联互通,完成生产线各工序之间的信息衔接及设备数据采集与监控,达到盾构机主驱动装配质量及效率提升的要求。
一、主驱动装配需求分析
盾构机主驱动的装配需求分析是装配生产线设计的基础。常规土压平衡盾构机主驱动结构主要包括主轴承、变速箱、主驱动环件、密封件、减速机、小齿轮和变频电机等部件。主轴承是主驱动的核心部件,同时承受轴向、径向及倾覆力矩;变速箱及主驱动环件是主驱动主体构成部分;小齿轮与主轴承大齿圈组成齿轮副以传递扭矩。
盾构机主驱动装配工艺流程如图 1 所示。根据主驱动的装配工艺需求,结合各工序的工艺特点和操作的便捷性,装配生产线主要集成了移动式激光清洗设备、小件清洗专机、转运车(Automatic Guided Vehicle, AGV)、小齿轮组件装配生产线、工位起重机和扭矩工作站等自动化设备,将整条装配生产线划分为卸货及分拣区、零/ 部件清洗区、小齿轮组件装配区、物料流转区及主驱动总装区等,实现了零件清洗自动化、部件装配规范化和拧紧信息可追溯。考虑到各工序生产节拍及流转速度的调整需求,在工位之间设计合理的缓存区。针对装配过程可能产生的不合格品,在装配生产线设计不合格品存放区,以便根据产品质检结果完成后续处理。
二、主驱动装配生产线设计
装配生产线工艺流程
盾构机主驱动装配生产线整体设计思路以主驱动装配物料流转工艺流程为基础来规划各功能区域。盾构机主驱动装配生产线工位布局和物料流转路线分别如图 2 和图 3 所示。图 2 中和图 3 中,在厂房入口来料卸货区卸下物料,依次分拣到小件分拣区和大件来料缓存区;小件、大型环件分别利用小件清洗专机、移动式激光清洗机完成自动清洗,将清洗后的零/ 部件转运至相应缓存区;小齿轮组件通过小齿轮组件装配专机自动完成小齿轮与滚动轴承的加热与压装, 外密封环在对应缓存区完成压力试验,随后在总装工位利用工位起重机及行车完成法兰、主部件、密封件、驱动及附件装配以及啮合检测、压力试验等工序;在总装翻身工位可进行环件及总体翻身,主驱动装配完成后根据质检结果转运至成品存放区或不合格品存放区;其中 AGV 负责零/ 部件的灵活流转,扭矩管理系统负责紧固件的拧紧、检测及数据传输。
主驱动零件自动化清洗技术
根据主驱动零/ 部件的结构特点及其清洁度要求,结合国内外先进清洗技术和设备发展现状,应用超声波清洗、激光清洗等技术,进行不同类型、不同规格尺寸的主驱动零/ 部件清洗作业,形成柔性清洗生 产线,提高零/ 部件清洗质量和效率,降低人工清洗作业强度,减少因清洁度未达标导致的返工作业。
针对主驱动小齿轮、调心轴承、轴承套、内外压紧环、螺栓、螺柱和螺母等小型精密零 / 部件,利用超声波清洗技术清除表面轻微锈蚀和油污。所采用的小件清洗专机主要由桁架机构、机体、水箱、输送系统、超声清洗系统、旋转漂洗系统、旋转吹干系统、热风烘干系统、液体过滤系统、排污系统、雾气处理系统及电气控制系统等组成。通过桁架机构实现物料框的自动校正定位及抓取转移,通过电气控制系统保证设备正常工作,通过三级过滤超声清洗系统保证清洗精度,通过旋转吹干系统及热风烘干系统实现工件的快速干燥,多种系统的融合最终实现零/ 部件的自动高效清洗。
小件清洗专机清洗工艺流程如下:首先通过四爪结构机械手抓取料筐,机械手额定负载为 1 t,抓取精度为±2 mm;当料筐进入上料端后,通过两侧校正气缸自动进行校正定位,校正精度为±2 mm;随后由机动辊道输送系统将料筐自动传输至清洗区,依次经过超声清洗、旋转喷淋漂洗,全方位清洗工件;清洗后的工件由旋转吹干系统及热风烘干系统去除表面水分,并传输至下料端;当接近开关检测料框支架上无其余料筐时,机械手将料筐转移至下料位的料框支架上,由 AGV 进入料筐下方取料并转运至缓存区。
小件清洗专机工作系统由 PLC 控制,对不同类型物料分别编号并设置对应控制程序,当清洗机在上料位读取料框内无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)卡信息后,自动匹配清洗程序,实现物料的清洗及吹干,达到单框标准清洗节拍为 10 分/ 套。
针对主驱动大型零/ 部件(变速箱、主轴承、法兰、内外密封环、内密封支撑环和连接环)的焊缝清洗、无损清洗和精确定位清洗等需求,研究开发激光清洗技术进行表面清洗。
大件清洗阶段所用移动式激光清洗机结构如图 4 所示。图 4 的结构主要由激光清洗机主机、激光清洗头、除尘系统、悬臂吊挂装置和可移动集成小车等部件组成。通过应用表面力学共振、污物热膨胀和瞬间气化原理的清洗技术,将窄脉宽、高功率密度的激光束照射于工件表面,使工件表面的油污、锈蚀和气割氧化物等发生瞬间蒸发或剥离,高速有效地清除钢材件表面有害杂质。作为一种非接触式清洗方法,激光清洗具有绿色环保、精准可控和无基材损伤等优势。此外,通过配置移动式集成小车,使激光清洗机能灵活调整清洗位置,使用方便,占地面积小,清洗效率高。
经过现场验证,移动式激光清洗机对主驱动配件、阀块和销轴等精密加工件的表面中等锈蚀、油污, 清理效率可达 40 cm2 / s,对重油污、锈蚀,清理效率 3 ≥ 0 cm2 / s;对于焊缝部位、薄板件表面轻微锈蚀及油污,清理效率可达 40 cm2 / s,对中度锈蚀、油污,清理效率可达 30 cm2 / s,对焊接、涂装质量无任何不良影响。激光清洗后的金属表面涂装油漆时涂层附着力≤1 级 (GB / T 9286),涂装后漆膜表面均匀,无肉眼可见清洗轮廓。
物料自动化转运技术
在整个装配生产线工艺流程中,物料的搬运配送是重要组成部分,例如零/ 部件在分拣区、缓存区、清洗区、小齿轮组装工位及总装工位等位置的流转,物料输送直接影响到装配生产线的生产节拍。针对工位间转运物料的精确性和灵活性要求,本文设计的生产线通过 AGV 来实现,具有占地面积小、定位精准和灵活性高的优点。
AGV 如图 5 所示,其采用潜伏举升式结构,搬运物料时升起顶部举升平台,背负物料框行走,到达指定地点后举升平台下降至低点,将物料框落于支撑架工装上,AGV 撤离。AGV 通过双舵轮驱动转向,可实现前后行走、左右横移和原地转向动作,以便 AGV 能灵活改变输送方向。AGV 采用复合导航方式,在装配生产线上按规划路径行驶时采用激光导航,行走精度小于±10 mm,在库位中停车采用二维码导航,停车精 度小于±5 mm,实现精准定位。通过设计轮系悬挂系统,使 AGV 适应车间小范围不平整地面,保证运行时平稳无冲击;此外,为保证运输过程的安全性,设计了限位装置,当运行至极限位置时 AGV 能自动停止,同时具备障碍检测激光雷达、机械防撞、声光报警和急停等安全防护措施。
在控制系统方面,AGV 以中央控制平台为基础, 搭载通信系统、调度系统及库位管理系统,实现对调度指令、车辆及交通、地图路径数据、库位信息、物料出入库记录及库存信息的综合管理。为配合小齿轮组件装配专机完成自动化装配并保证装配节拍,在 AGV 具备一定识别及定位能力的基础上,重点策划并匹配物流工艺路线及配送方案,使 AGV 能根据调度系统指令自动规划物流路径,执行物料框的入库储存、出库运送到目标工位等命令,完成自动配送。
零/ 部件自动化装配技术
根据本装配生产线总体布局及装配工艺流程规划,将主驱动零/ 部件装配分为 2 个部分,首先在小齿轮组件装配区利用装配专机完成相应部件装配,然后在总装工位处结合工位起重机和行车完成剩余步骤的装配。
小齿轮组件经过清洗后转运至小齿轮组件装配专机工位进行自动加热及压装。小齿轮组件装配专机如图 6 所示,主要由桁架式机器人、轴承加热器、精准定位工作台和压装机协同开展工作,可实现对轴承及小齿轮的自动上下料、轴承自动加热保温、轴承与小齿轮装配面精准定位、轴承自动压装及生产信息展示功能,满足主驱动小齿轮组件自动化装配。通过合理安排各设备工作效率,可保证单套小齿轮组件产出节拍为 20 分/ 套。
在小齿轮组件装配专机接收到小齿轮组件装配指令,同时物料通过 AGV 转运至上料工作位后,自动开始识别检测、装配等工作。小齿轮组件装配工艺流程如图 7 所示。
小齿轮组件装配专机首先通过配备工装夹具及视觉系统的桁架式机器人自动识别工件的具体型号及装配工艺尺寸信息,实时分析工件摆放姿态并选择合适的抓取角度和抓取位置,实现轴承、小齿轮的抓取及 180°翻身,并按工序要求将零件精准放置在指定工位;抓取工装末端重复定位精度为±0.5 mm、最大负载为 600 kg。
在轴承加热阶段,通过电磁感应轴承加热器使轴承在交变磁场产生涡流,从而自动加热轴承至设定温度并进行恒温保温,轴承加热器最大承载质量为 60 kg,最高加热温度可达 120 ℃ ,满足内径为 Φ80 ~ Φ330 mm、外径为 Φ150 ~ Φ450 mm 和轴向高度为 46~100 mm 的轴承加热需求。
在压装阶段,通过精准定位工作台,实现轴承内圈圆心与小齿轮轴心精准定位,重复定位精度为±0.02 mm;通过压装机上的温度传感器对轴承内圈温度进行检测,若轴承内圈温度低于设定值可自动停止压装工序,同时将温度异常的轴承自动返回至轴承加热器进行二次加热,直至达到装配条件方可进行轴承压装; 在压装过程中通过行程传感器对轴承轴向压装尺寸进行检测和管控,通过压力传感器检测压装状态,出现异常时及时制动、报警,避免工件损伤;完成压装后的小齿轮组件在工作台上自然冷却,随后由桁架机械手将其放至物料托盘上。
在完成小齿轮组件装配后,将物料转运至总装工位完成主驱动其余零/ 部件装配,此阶段起重吊装主要由工位起重机结合行车完成。工位起重机结构如图 8 所示,由主框架、行走轨道(起重机行动轨道)、电动葫芦、万向行走脚轮、电动行走脚轮、照明系统和控制系统组成。为满足主驱动总装装配对作业空间的要求,设计工位起重机主框架外形尺寸为 9.50m × 9.32m,有效起吊区域为8.1m×7.1m;为满足主驱动大部分小型零/ 部件的起重量及装配速度需求,在主框架上设计额定负载各为2t 的2根固定轨道和1根行动轨道;采用双电动行走脚轮加双万向行走脚轮结构,配置工业级耐磨脚轮和脚杯,保证工位起重机具备优良的调速和静动特性;为保证使用安全,配备了安全保护、过载过热保护、漏电保护及起升限位开关等保护设施。
紧固件扭矩管理技术
在传统装配模式下,对于主驱动部件上的螺栓、螺母等紧固件的扭矩质量控制,通常采用自检与抽检的人工检验手段来实现。在操作过程中,常出现扭矩遗漏、欠扭或过扭及拧紧错序等问题,给主驱动的安全平稳运转带来隐患。为提高主驱动装配过程中的扭矩管理水平,开发了一套具备信息记录与检测功能的扭矩管理系统,其拓扑图如图 9 所示。
图 9 中,通过一体式设计,将电动定扭工具(扭矩工具)、反力杆、扫码枪、套筒选择器、套筒、平衡器、扭矩工具控制器、不间断电源(Uninterruptible Power Sys-tem,UPS)和服务器等集成到移动工作小车上,形成移动式扭矩管理工作站;其中,服务器主要负责软件承载、操作显示及数据汇总,实现了数据采集和信号输入;扭矩工具控制器及扭矩工具用于执行扭矩施加作业,能满足主驱动使用紧固件(M16 ~ M36) 的装配空间及扭矩要求,扭矩精度为±6 %;扭矩工具的机身显示屏可直观查看扭矩结果,且能实时与控制器无线网络通信,保证数据稳定传输;条码扫码枪可扫描识别主驱动零/ 部件信息,报警灯可对拧紧异常项发出语音及亮灯警报,此外,扭矩管理系统还具备超载、过压、过流、超温和防卡死等自动保护功能。
当进行拧紧作业时,操作工人依次扫描人员码及部件码,通过系统数据库识别工号及部件信息后获取工具操作权,系统将通过事先设定的程序自动将扭矩值和扭矩数量等信息发送至相应扭矩工具,操作工人通过显示终端设备查看装配工艺文件,选择合适的扭矩工具及套筒,并按照规定的装配顺序完成拧紧作业。系统会实时采集并记录拧紧阶段的扭矩信息,并与预设的程序进行对比,自动检测拧紧过程是否存在异常,若存在异常,系统将发出报警提示。同时通过无线网络将扭矩信息实时传输至公司内网制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES),保证数据可存储、分析和追溯。
完成拧紧作业后,在显示器上展示作业人员工号、作业时间点、工具号、产品和部件号、紧固件位置点位、工具的工作状态、拧紧参数和拧紧结果判定等追溯所必须的相关信息。拧紧过程中自动记录的数据上传至数据库后可进行数据分析、生成并进行曲线分析、生成报表、综合判断拧紧质量情况和拧紧质量趋势等。通过设定不同的报警条件,可将生产事件及时通知推送给指定人员,实现质量问题快速响应和高效处理。
信息集成技术
近年来,生产制造系统逐步朝着信息化、智能化发展,以便处理海量复杂的生产装配质量信息,进一步提高生产系统的柔性化和自动化水平。为了提高主驱动装配过程信息化管理程度,该装配生产线通 过研发并设计智能调度系统,实现主驱动装配生产线生产计划与上游 PLM、ERP 等系统的信息衔接,协同 SCADA 系统完成设备信息及装配过程的数据采集与监控,各设备之间的信息交互及装配过程联动信息可通过报表看板展示。盾构机主驱动装配生产线信息流业务流程见图 10。
图 10 中,智能调度系统负责主驱动装配生产线的生产管理,通过对接上游 PLM、ERP 系统,接收工艺产品物料清单( Product Bill of Materials,PBOM) 数据信息、订单、项目和配件管理信息,完成生产调度、计划派工及任务管理;对接 SCADA 系统,调用设备管理 (设备程序、设备数据)模块,可对设备进行集中线上管理,从操作规范、故障预测等方面延长设备使用寿命;通过报表看板显示进度计划、作业指导、设备状态和生产统计分析等信息。
智能调度系统与生产线设备进行数据交互,可根据设备所传递的触发指令、需求指令等信息,对 AGV 的中控系统发出调度指令。
主驱动装配生产线调度流程(结合图 2、图 3) 如下:1)智能调度系统根据订单信息,将装配物料配送至卸货区卸货,随后进行分拣装框,并写入物料信息; 2)将需清洗的小件清洗件人工上料小件清洗专机,经 清洗后下线扫码将物料信息传递至智能调度系统,智能调度系统呼叫 AGV 将物料运送至已清洗小件缓存区(库);3)小齿轮组件装配专机根据计划信息,呼叫 AGV 进行物料配送,将组装完成的小齿轮组件运送至物料缓存区;4)当总装工位进行装配时,通过终端发出物料需求给智能调度系统,智能调度系统呼叫 AGV 将物料从缓存区运送至总装工位。
通过信息化手段进行产品计划管理及调度,实现装配过程信息监控及传输,增强产品装配透明度,能更及时客观地了解产品装配进展和质量信息,高效地进行质量判定,大幅增强质量追溯和分析能力。
三、装配线工艺验证
最终设计的盾构机主驱动装配生产线于 2023 年 7 月在铁建重工厂房进行组装调试,根据制定的布局及安装方案,于同年 9 月顺利完成安装与调试,装配生产线现场如图 11 所示,通过盾构机主驱动装配生产线建设,有效地提高了装配质量及装配效率,就单台套盾构机主驱动而言,节约组装时间周期 20 %以上,同时也保障了生产安全。
四、结语
本文针对盾构机主驱动的装配,完成了主驱动装配生产线的整体布局,给出了主驱动零/ 部件自动化清洗、物料自动化转运、小齿轮组件自动化装配及紧固件扭矩管理等关键技术的实施方案,并通过搭载智能调度系统实现了装配过程信息化管理。该装配生产线自动化程度高,在减轻现场工人作业强度的同时,缩短装配周期,提升工作效率及产品产出量。该装配生产线投产后取得了良好的效果,对提高企业的经济效益具有重要意义,在业界具有示范性作用。
参考文献.