智能化裝備在兵器特種車輛裝配過程中的集成應(yīng)用

王克偉，蘇 震，孫 林，孫 波，張曉華

(中國兵器工業(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)域智能制造推進路線進一步明確，國家將構(gòu)建開放、共享、協(xié)作的智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)，推動生產(chǎn)裝備智能化升級、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)新的增長點[1]。

對于軍用特種車輛，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)運過程中出現(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、驗收，裝配車體均固定在工位內(nèi)。在該種方式下進行現(xiàn)代化裝備的改造實施，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于臃腫。“十二五”末期，車輛企業(yè)開始逐步將傳統(tǒng)“固定并行工位裝配”模式改為現(xiàn)代化的“脈動式流水裝配作業(yè)”模式[2]。為達到現(xiàn)代化的流水作業(yè)要求，實現(xiàn)作業(yè)流程的優(yōu)化配置，在裝配過程中需要增加智能化的裝備。

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

1 AGV的應(yīng)用

為解決重載車體的轉(zhuǎn)運，最初的物流轉(zhuǎn)運方式是采用有軌智能搬運車(RGV)(見圖1)。RGV是沿軌道運行的智能型自動穿梭車，連接多個工位站點，可以根據(jù)裝配流水線的生產(chǎn)規(guī)模選用多臺RGV同時作業(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、工位人機對話、無線通信系統(tǒng)、現(xiàn)場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RGV(帶液壓升降)，控制系統(tǒng)可實現(xiàn)RGV穿梭運行到安裝工位，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)過程中軌道輸送的限制，且裝配過程中若存在臨時下線操作時，RGV轉(zhuǎn)運方式實現(xiàn)起來會非常復(fù)雜，成本代價也比較大，對RGV車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計也要求很高；因此，目前車體轉(zhuǎn)運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，又能通過手動操作按臨時路徑行走，輸送平穩(wěn)、可靠。

1.1 AGV的特點

AGV(見圖2)最大的特點是移動方式靈活，轉(zhuǎn)彎半徑為零，可實現(xiàn)任意方向的行走，而且起動平穩(wěn)，側(cè)移迅速。該車還可負載工業(yè)機器人進行打磨、鉆孔和焊接等工序作業(yè)。該車移動方式與傳統(tǒng)車輛對比示意圖如圖3所示。

圖2 AGV

圖3 傳統(tǒng)車輛與麥克納姆輪式AGV移動方式對比

1.2 AGV的組成

AGV組成及配套見表1。

AGV主要組成部分技術(shù)說明如下。

1)底盤車架。底盤車架采用高強度鋼一體焊接式車架，車架設(shè)計方案如圖4所示，通過大板整體焊接而成。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(見圖5)。麥克納姆輪選用鍛造鋁合金作為支撐輪輞，進口高強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，與常規(guī)輪子相比可提供更強的承載能力和壽命。

圖5 麥克納姆輪實物圖

3)懸掛模塊。懸掛模塊采用雙柱塞油缸作為平衡支撐，利用直線滑軌實現(xiàn)輪組安裝板的上下滑動，從而實現(xiàn)整個移動平臺各個驅(qū)動輪的獨立懸掛功能。每個懸掛模塊均有高度檢測傳感器和壓力反饋，可以實現(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，所有的控制信號均由綜控箱輸出。控制面板是車輛控制的人機交互窗口，包含顯示屏和多個操作按鈕。此外，AGV操作/狀態(tài)顯示界面、整車工作開關(guān)、充電開關(guān)和充電口等均集成在綜控箱上(見圖6)。

圖6 綜控箱面板

5)遙控器(見圖7)。無線遙控器由手持發(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，以及遙控和自動定位之間的功能切換。遙控器可控制車輛的行走及升降動作，并設(shè)置急停開關(guān)，可在緊急情況下停止車輛運行。遙控器接收機和遙控器通信天線安裝在車體后部，便于故障時檢測維修。

圖7 遙控器

6)安全激光掃描儀(見圖8)。車體左前角及右后角各安裝一個安全激光掃描儀，用于探測AGV四周障礙物情況。安全激光掃描儀掃描角度270°，保護距離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)航傳感器和視覺導(dǎo)航傳感器組成，可自動識別導(dǎo)航磁條、磁釘和色帶，使運輸平臺車可沿指定軌跡行駛至指定工位，減小操作人員作業(yè)強度，提高設(shè)備自動化水平。整車優(yōu)先采用磁導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)。當?shù)竭_鋼制地面區(qū)域時，磁導(dǎo)航傳感器(見圖9)不能有效采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動采用視覺導(dǎo)航傳感器(見圖10)數(shù)據(jù)進行導(dǎo)航。當?shù)竭_非導(dǎo)航區(qū)域，2種傳感器均無數(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)域為色帶)。導(dǎo)航模塊可根據(jù)客戶預(yù)設(shè)的路徑實現(xiàn)點到點直線導(dǎo)航，也可識別其他復(fù)雜路徑進行自動行駛。導(dǎo)航精度優(yōu)于10 mm。

圖9 磁導(dǎo)航傳感器

圖10 視覺導(dǎo)航傳感器

1.3 AGV的主要技術(shù)指標

AGV主要技術(shù)指標如下：1)額定負載>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)動方式為車輪獨立驅(qū)動；6)制動距離為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，視覺導(dǎo)航為輔；9)操縱形式為無線遙控，自主導(dǎo)航；10)驅(qū)動電源是免維護鋰電池；11)續(xù)航時間是≥4 h；12)充電形式是有線充電+自動電刷板充電；13)人機交互為觸摸屏，可設(shè)定參數(shù)；14)通信為具有與上級管理系統(tǒng)實現(xiàn)信息互通、數(shù)據(jù)共享、實時監(jiān)控和故障報警等功能。

2 智能懸浮式裝配機械臂

智能懸浮式裝配機械臂(見圖11)是智能懸浮型提升機構(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，高強度鋁合金垂直臂可滿足500 kg×800 mm(懸臂長度)的扭力要求，在兼顧部件安裝需求的同時，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孔、軸配合的安裝需求，故懸浮功能在裝配過程中成為必不可少的配置，當?shù)跗甬a(chǎn)品部件后按動“懸浮”按鈕進入該模式后，操作人員可以很輕松的手扶工件，并將其挪動至準確安裝位置。

該種懸浮垂直起重裝置的優(yōu)點表現(xiàn)在如下方面：1)選用高強度鋁合金型材；2)符合人體工程學(xué)原理，移動靈活；3)毫米級的精準度；4)多種用途的“浮動模式”；5)安裝簡易，操作維修方便；6)在保護人員和設(shè)備安全方面具有超載保護功能、防反彈技術(shù)、斷電保護功能和電動機過熱保護功能，結(jié)構(gòu)牢固，控制手柄堅固耐用，防護等級為IP54。

為顯著改善裝配工人的勞動強度，采用拉動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，軌道系統(tǒng)運行平滑，拖拉阻力<0.3%，相對于鋼制軌道阻力更小，使得在裝配過程中，操作者可以更輕松、靈活地操作。每根軌道、每個滑車都配有二次保護裝置，即使軌道超載脫落，二次保護裝置也可保證起重機下操作者的安全，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

鋁合金軌道的特點如下：1)采用高強度鋁合金材料一次擠壓成型，獨特的軌道截面設(shè)計；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45%；3)運行極其順暢，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2 000 kg；6)符合人體工程學(xué)，讓重載荷的搬運更輕松；7)噪聲等級更低；8)系統(tǒng)幾乎免維護；9)因其模塊化的系統(tǒng)設(shè)計，讓規(guī)劃更自由；10)更加美觀。

上述裝備還可以集成在無橫梁桁架工位中，工位設(shè)計成貫通式，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，可降低投資和生產(chǎn)使用成本；同時，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，達到裝配車體靈活轉(zhuǎn)運的目的。無橫梁式桁架結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 無橫梁式桁架結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

按照“先進、實用、智能、高效”的設(shè)計理念，在充分借鑒固定并行工位裝配方式的基礎(chǔ)上，積極推行脈動式流水裝配作業(yè)模式，并在裝配過程中引入AGV、智能懸浮提升裝置等先進實用的智能化技術(shù)裝備，最大程度地解決了裝配效率低、輔助時間長和勞動強度大等問題，同時提出了車間行車與無橫梁自立式桁架有效配合的作業(yè)方式，可靈活應(yīng)對裝配過程中出現(xiàn)的物流輸送應(yīng)急狀況，如物流運轉(zhuǎn)等待、卡滯等問題，最大程度地降低了轉(zhuǎn)運等待時間，提高了裝配過程的作業(yè)效率。