某產品自動化裝配線技術集成與工藝技術研究

段來明，閆曉東，劉永剛，李潤偉，李 濤，李 壯

(淮海工業集團有限公司，山西 長治 046012)

某產品總裝生產線采用傳統的人員密集、零散式工作模式生產，裝配人員達30人以上，長期以來，該生產線以人工流轉、手工作業、手工檢測等勞動密集型生產方式為主，生產模式、關鍵工序質量管控方法落后，依靠裝配人員素質來保證質量。部分工位生產環境惡劣、人員聚集，危害工人健康，存在安全隱患。隨著生產任務大幅增加和不均衡生產，傳統的密集型人員手工裝配的生產模式與日益提高的任務量已不相適應，特別是產品的高性能和高可靠性要求也對產品裝配提出了更高的標準，迫切需要對現有生產線進行自動化和信息化改造。

1 研究目標及應用設計

1.1 研究目標

通過布局優化、工序優化、工位優化，高度的人機結合工程設計和人機料法環測的互聯互通、信息感知，實現裝配過程的連續化、自動化、柔性化、智能化裝配[1]。

消除10人以上危險作業場所和現有的安全隱患，提升生產線本質安全度和精益化水平，提高生產效率、產品一致性、可靠性，建成一條實用、管用、好用、耐用的總裝精益生產線。

1.2 功能拓展與應用設計

1)裝配總控制系統性能可靠、技術成熟，能長期、穩定、連續運行；總控制系統與分執行系統具有可擴展、可推廣的柔性化技術。

2)立足現狀，在自動化建設與實施的基礎上，充分考慮生產過程中的人機協同，充分考慮現有工藝流程與精益化、自動化和信息化集成，滿足精益生產線建設評價規范。

3)本著安全、高效、經濟、實用的原則，從設計方案到實施過程等階段，全程評審論證。充分考慮總體裝配屬連續化、集成化設備的運行壽命和穩定性。

1.3 裝配自動化與柔性生產化目標

1)產品總體裝配以機器人與非標實施、信息化管控等技術緊密結合，實現全流程自動化；從進入裝配到產出成品的各工序各環節，實現數據采集、存儲、反饋及處理自動化。

2)裝配生產線所有設備及設施具備故障自行判斷、診斷信息提示，以便第一時間快速處理；人機防護、設備故障、運行管控、安全監控等異常運行，具備自動化實時報警提醒。

3)生產線能滿足現有多系列產品的柔性化生產，能兼容與現結構類似的新產品的拓展應用；實現生產流程的精準控制、產品信息實時跟蹤以及信息采集、處理、傳送、存儲和分析。

2 裝配流程與裝配技術研究

建設裝配自動化生產線，就要研究裝配工藝及裝配細節，進行科學規劃，總體研究裝配模式與裝配路線，結合前期人工裝配工藝過程中的寶貴經驗，設定新的裝配線要突出自動化、柔性化、安全快捷化，自動化替代手工裝配不是簡單的機器代人，產品以倍速鏈線體為中心，需要根據不同產品、不同零部件裝配工藝要求及裝配順序，以柔性化、通用化、數字化精確控制模式，通過托盤承載傳遞半成品及成品零件，借助于工業機器人機械抓手，按照模塊化、流程化設計任務要求，將線體、非標設備、固化庫等獨立式工作站串聯起來，形成連續、自動、信息化生產線[2]。

2.1 原總裝裝配生產線概況

原有總裝裝配生產線采用傳統的人員密集、零散式工作模式，存在危險工序人員聚集、安全隱患較大的現象；部分工位生產環境惡劣，危害工人健康；以人工流轉、手工生產、檢測等勞動密集型方式為主；生產模式、關鍵質量管控方法落后，手段單一，人為影響因素較大。隨著近幾年來生產任務的大幅增加且生產不均衡，造成生產線超負荷運行，再加上人員總量的減少和系列新產品的增加，裝配能力已不能滿足生產需求。

2.2 新建總裝生產線流程與工藝技術要點研究

1)零部件準備是開始裝配的第一個環節，在線端零部件庫，根據生產計劃人工完成當日班產量的零部件配盤及裝配批次、序號、年號的錄入，指導組織批量化生產。

2)艙段對接為關鍵裝配工序，在裝配自動生產線工位上，要自動完成各艙段的上線、夾緊、定位、對接，半自動完成發動機與戰斗部開口螺環的擰緊等工序；通過半自動機器輔助完成連接各艙段的螺釘擰緊、收翼面、調整彈帶等工序，關鍵技術是如何精確定位、準確對接，涵蓋擰緊力矩值的確定和調整，收翼角度控制與調整等工作，在非人工操作過程中，大量的機械控制、非標實施設計、機電一體化管控和信息上傳等技術，都在為后續研究奠定基礎。

3)測試主要包括電性能檢測、物理量檢測、氣密性檢測、合膛檢測等測試工序，根據測試應用與發展的現狀，需采用非標檢測儀器設備，進行全自動檢測并采集、分析檢測數據。

4)藥筒裝配涉及工序較多且復雜，屬重要工序，要在人工輔助完成部件裝配的基礎上，通過自動化運行完成產品搬運、合膛檢查、密封性檢查、綜合尺寸測量、電性能檢測、緊塞具高度測量、靈活性檢查、重量檢測等任務，并在此基礎上完成各種檢測、判定等系列研究工作。

5)收口工序要實現產品收口裝配全過程自動化，自動采集、分析收口過程中的相關檢測數據。通過自動化控制運行，完成產品收口后的補漆工序，結合烘干設備使產品能實時烘干。膠漆固化工序采用人工涂膠與自動化上線、存儲和下線等工序相結合模式。

6)噴標志和包裝工序位于裝配末端，要求將產品及生產序號、批號、年號、廠號等信息，在指定部位自動完成標志噴漆，以作為產品的身份信息及質量跟蹤依據。

3 改善對策與解決方案

產品裝配生產線整線設計過程中參照并采用高端汽車產線設計標準、高標準系統控制、多自由度機器人、機器人視覺、自動裝箱、自動檢測、自動擰緊、WMS系統等先進技術，針對產品裝配特點，在靜電防護、涉火產品檢測、裝配、包裝、運輸等方面，按軍工行業相關標準采取措施，建設一條信息化、智能化、安全可靠的裝配生產線。

3.1 參照高端汽車產線設計標準

整條裝配生產線的設計圖樣及技術資料實行標準化，產線整體規范統一，各個工位內相關元器件、走線、管路清晰明確，便于管理、檢查維修。

3.2 高標準系統控制集成與信息展示

PLC控制系統采用主從站的控制方式，主站PLC負責整體生產線控制，從站PLC實現各個專機的獨立控制，防止專機出現問題時影響主生產線的生產[3]。

3.3 多功能精益工作臺

集成電子看板、工藝信息卡、工作臺、工具料盒、操作面板、掃碼槍、平板相機等為一體的多功能操作臺，便于人工操作記錄信息。

3.4 柔性工裝和托盤

整線利用高柔性托盤和工裝，達到12種產品共線、快速換產。通過簡單明確的指示，旋轉對應的旋鈕即可，節省常規換產時更換工裝板的復雜工序[4]，節約成本，減輕勞動力與時間。

3.5 機器人自動抓取、放置和搬運

整條裝配生產線采用7臺機器人，配合傳輸線體及線邊設備(見圖1)，將整條生產線串聯起來，拉動式生產模式，節省人工搬運，避免產生回流、交叉等物流情況。機器人攜帶抓手，在視覺的引導下，對產品進行精確的抓取、放置，節省人工搬運。

圖1 自動化裝箱

3.6 物理量自動檢測專機與自動擰緊專機

全自動定位工件，檢測工件質量、質心、長度等物理量信息，通過PLC實時自動傳輸數據并儲存[5]。自動擰緊過程中，按既定擰緊力矩對工件進行自動擰緊，擰緊力矩沒有達到系統要求或擰緊的距離與系統設定不一致，系統將會聲光報警(見圖2)。

圖2 自動擰緊專機

3.7 自動化電檢測

托盤進入抗爆間自動定位，插線機插頭伸出，與托盤的航空插座對接，高精度電檢測設備對工件進行相應參數檢測，完成后檢測數據自動采集上傳。消除現有人工搬運進入電檢測間、人工抗爆間插接線纜、手動關閉防爆門等危險工序，提高安全性和效率。

3.8 自動包裝、噴碼

工位人員只需對產品進行掃碼，信息自動通過PLC通信，機器人配合抓手，在視覺的引導下對產品進行自動裝箱工序，噴碼機對產品自動噴碼。

4 關鍵工藝技術突破與創新成效

4.1 關鍵技術攻關和成效驗證

針對本項目中抓手、發動機與戰斗部預緊專機、3D視覺合膛檢測系統、收翼專機等重點、難點工序，對專機進行實況、實物驗證，達到產品檢測要求。

1)抓手：主要驗證夾取戰斗部是否可行。因戰斗部工藝要求不可用力夾取，而又要穩定可靠地將戰斗部從上線料盤中夾取出來放置到設備上。通過試驗驗證結果如下：抓手抓取工件位置精準，緊固無松動，對工件本體無損傷；戰斗部不能受力，故采用上下止口限位，中間間隙采用差值環抱，可準確、牢固抓取工件；視覺引導抓取，有效避免人工上料位置不準、避免損傷工件等問題[6](見圖3)。

圖3 抓手試驗場景

2)發動機與戰斗部對接預緊：主要驗證其對接預緊功能是否可行，人機協助的工作模式是否方便。發動機與戰斗部對接之前需要對接插頭，擰接地線螺釘，以往此操作需要2名操作者協作進行，一人扶住戰斗部，一人對接插頭，擰螺釘，費時費力。設計方案為機械手將戰斗部垂直放置，發動機水平放置，此時兩段艙體成90°，便于人工對接插頭，擰螺釘，完成后發動機自動旋轉90°，同時發動機下降，與戰斗部對接，人工用扳手預緊(見圖4)。通過試驗驗證結果如下：工件自動抓取，上下件位置精確；發動機與戰斗部線纜對接后，發動機旋轉對接可行；氣缸推動對接，克服墊圈阻力可行；自制擰緊工具預緊螺環可行；工件由設備進行搬運與對接，減輕操作者工作強度可行；設備自動對軸心，精度高，兩部分工件更容易對接成功。

圖4 對接預緊試驗

3)3D視覺成像合膛檢測系統：主要驗證其功能及精度是否能夠滿足工藝要求。由于以往通過合膛規的檢測模式容易損傷工件表面漆層，采用無接觸式檢測方式，利用外形輪廓檢測設備，在機器人的引導下，對產品工藝中要求的輪廓度、同軸度進行檢測(見圖5)。通過試驗驗證結果如下：滿足工件所有的外觀尺寸檢測要求，準確化程度高；采用高精度測量傳感器，精度可達0.01～0.02 mm，數據集中保存，具有可追溯性；取消原有測量方式，采用無接觸式測量，避免工件與量規間的接觸導致的表面磨損；技術成熟可靠，已應用在多個裝配領域且有成熟的案例[7]。

圖5 3D合膛檢測試驗實景

4)收翼專機：收翼專機主要由頂升組件、夾緊組件、解鎖組件、收翼組件、壓裝組件組成。工件由抓手放置到位，夾緊組件對工件進行定位，定位完成后，收翼組件由頂升組件頂升到位，解鎖組件移動到位后，首先對翼片進行解鎖，然后收翼組件驅動，直至將翼片收縮到位；人工將彈托安裝在尾翼座上，壓裝組件自動將彈托壓裝至儀器艙上(見圖6)。通過試驗驗證結果如下：解鎖銷軸直徑較小，容易折斷；通過更換銷軸的類型，解決了此問題，翼片解鎖成功。翼片收縮過程較為順滑，達到理論狀態，方案可行，安全可靠。

圖6 收翼專機試驗實景

4.2 安全防護與設備管控技術得到突破

4.2.1 筑牢安全第一的設計原則

1)對有爆炸危險的作業要在抗爆間內完成，人機要隔離；生產線具有可靠導靜電及接地裝置，保證無孤立導體存在；生產線各個運動副之間采用不同材料，避免在相對運動時產生火花導致發生危險[8]。

2)生產線設計安全互鎖，包含硬件互鎖和軟件互鎖；機械手或機器人在產品轉線過程中設有防止產品跌落措施，避免產品在突然斷電、斷氣時產品跌落；地面安裝有防護網，防止極端情況產品掉落地面；在人機交互區域采取隔離措施，避免設備誤動作傷人。

3)夾緊工裝與產品接觸部位做軟化處理，減少夾緊時對產品的沖擊，避免危險；在噴漆工序設有排風除塵裝置，降低粉塵濃度，排除有害氣體；裝配線上所有的設備及電氣元件均符合Ⅱ類危險場所防爆要求[9]。

4.2.2 科學設計、規劃各區域安全

生產線不同的作業區域(人工區、人機結合區和自動化區)具有明顯的隔離措施；禁止人員進入的區域設置安全隔離裝置，人機結合的區域專機設備設置合理限位，劃分人機各自的活動區域。

1)自動工位安全設計方案。

自動工位的安全圍欄高度為2.0 m，在圍欄外側設置安全警示標志；安全門鎖上設置有掛鎖位置，做到一人一鎖，進門掛鎖，安全圍欄外安裝急停按鈕和復位按鈕控制安全區域內所有設備，可以快速有效地停止設備和就地復位設備。當安全設備的保護區域被觸發時，應切斷移動設備的驅動電源，如電機的主回路，氣缸的控制信號，氣缸等夾緊裝置帶有機械自鎖功能，避免產品脫落。

2)人機結合自動工位安全設計方案。

人機結合工位安裝人工按鈕操作盒，具有急停、復位、手/自動、啟動等功能；人工按鈕操作盒與工裝之間必須有一定的安全距離，避免操作人員在操作按鈕盒時能接觸到單機設備；人工上料工位，人與工裝、機器人與工裝之間必須安裝安全保護設備——安全光柵進行安全保護，確保保護區域無盲點。安全設備保護區域也應保持一定的安全距離，避免操作人員在保護區域外能接觸到工裝夾頭等設備，造成人員傷害(見圖7)。當安全設備的保護區域被觸發時，可切斷人工上料工位的輸出模塊的電源。

圖7 人機結合自動工位安全方案

4.2.3 突發故障與管控

在停電、停氣或設備故障等突發情況下，生產線具備產品防跌落裝置，升降裝置不允許發生自滑；生產線各類設備設施可自動或手動恢復至安全狀態。在突發事件發生時能自動記錄設備及產品的狀態，在恢復運轉時能夠維持突發事件前的狀態(避免二次事故)。經人工確認、干預或在不產生安全風險條件下自動恢復，陸續啟動設備后正常運行。

生產線能夠自動監測和記錄設備運行情況，出現異常情況時能夠進行報警，并且立即停止系統運轉，同時將相關故障代碼發送至控制中心及故障工位，方便維修，恢復生產線正常運轉；所有檢測儀器、電腦等如不符合防爆要求，應與涉火裝配區域實現物理隔離；自動噴碼設備雙重接地保護；夾持類專機設備，具備手動接觸功能。自動運輸車(AGV)、自動導引車(AGV)在危險生產環境應用的安全規范。符合標準的AGV適用于彈藥、引信裝配及固體發動機裝配(含裝配后噴漆)場所使用。

安全護網：設在設備移動部件的外部，將可移動部分包裹在設備內部，防止人員在非維修狀態下，觸碰活動件，對人員造成傷害。某特種裝備裝配線設備護網如圖8所示。

圖8 某特種裝備裝配線設備護網

4.3 生產線運行與整體防護技術得到鞏固

4.3.1 裝配自動化生產線運行安全防護

1)線體安全。倍速鏈鏈條采用不銹鋼材質，工裝托盤與倍速鏈接觸部分耐磨條采用碳鋼材質，這樣保證運動時不會產生火花；工裝托盤上的夾具，與產品接觸部分采用防靜電橡膠，其電阻值滿足要求；倍速鏈設備本體接地。

2)產品安全。生產線運行過程中，產品輸送平穩、可靠、固定牢靠，在操作和傳輸時不發生傾倒、搖擺、磕碰；機械手臂抓、移、放置產品時可靠，無干涉。托盤上工件限位裝置如圖9所示。

4.3.2 裝配車間整體安全防護級別得到提升

產線多級化、全方位設置安全屏障，100%保護操作人員的安全，具有防靜電、防爆、防錯等安全措施。滿足機械設計、電氣設計、軟件設計安全標準，以及與其配套的網絡系統集成及綜合布線設計標準、裝配生產防靜電安全規程、防靜電用品設施驗收等標準的要求。新產線消除了10人以上危險場所，節約了制造成本，重要的是裝配效率增加一倍，生產線所產生的廢氣排放完全符合環保要求，裝配環境(見圖10)符合現代化制造業的發展要求[10]。

圖9 托盤上工件限位裝置

圖10 裝配生產線局部運行示意圖

4.3.3 裝配自動化生產線線路防爆技術應用

1)抗爆間的裝甲門(傳遞窗)與抗爆間內的自動設備進行互鎖，只有當抗爆裝甲門關閉時，自動化設備才能運行，否則設備處于禁止運行狀態。

2)所有電纜具有良好的絕緣性，防止漏電；采用屏蔽電纜傳輸電源和信號，降低電磁干擾；不同種類的信號線纜應隔離鋪設。

4.4 產品裝配技術得到提升

4.4.1 質量信息實時動態監控

生產線采用信息化的設計理念，從產品的上線、裝配、檢測、包裝、下線，到具體各工位操作者信息，通過掃碼槍、信息化檢測設備、打卡機等信息采集設備，全程實現數據自動采集，質量可追溯，履歷書電子化，數據分析實時化。

4.4.2 裝配信息展示

采用數字孿生技術，通過虛實互連技術手段，詳細記錄了生產線產品的全生命周期數據，即時跟蹤產品的裝配過程，并可以進行實時數據查詢、追溯、監控、預測的整個產線的運行情況，輔助管理人員更加直觀地了解產線的運行狀態。

4.4.3 可追溯性信息

信息系統的數據采集實現了對生產線的全覆蓋，詳細記錄了生產線產品的全生命周期數據，即時跟蹤產品的裝配過程，并可以進行實時數據查詢、追溯。

4.4.4 異常管理維護

線體采用模塊化、可替換、接頭快插、備用性設計，故障恢復時間小于2 h；生產線控制系統具有自動診斷功能，在發生故障時能提示相應的故障代碼及故障點信息，生產線上對應位置的柱燈會變為紅色閃爍狀態并發出報警聲音，方便設備維修人員快速到達與維修。

4.4.5 防錯、防呆技術

軟件：具備自動防錯功能，通過主控界面進行產品類型的切換，同時PLC根據工裝上傳感器狀態再次確認切換產品類型是否一致。確認無誤后PLC將產品型號信息傳遞給機器人，機器人自動調用相對應的工藝程序，實現自動控制，裝配過程正確可追溯。

PLC控制系統：采用主從站的控制方式，主站PLC負責整體生產線的控制，從站PLC實現各個專機的獨立控制，防止專機出現故障時影響主生產線的生產。

硬件：托盤取顏色和字體雙重標識，并在上線端部增加檢測開關，根據PLC判定托盤是否換型正確。擰緊力矩達不到系統要求，系統將會聲光報警。

緊固件料盒：每個人工工位配置緊固件糾錯料盒，按工序定量配給，防錯防呆便于識別。

5 結語

以產品裝配連續化、柔性化、通用化為基礎，將先進的自動化技術貫穿始終，確保了系列產品在裝配過程中實現自動化。在實施過程中圍繞目標任務，加大各項研究，先后解決了高精度電檢測和數據自動采集上傳問題，避免人工進入抗爆間參與檢測的安全和效率難題；增加了軍檢自動化檢測平臺，可使進入抗爆間的相關參數檢測數據自動形成軍檢報表，解決了裝配工序間的質量抽驗問題，為解決高效換產問題，通過模塊化的快換設計，利用一鍵切換功能即可實現快速換型。集中先進的制造技術和安全防護措施，將機器人與智能制造技術應用于總體裝配生產線，在視覺識別與精確定位、高效運行與安全防爆等方面得到顯著提升，有力推動了建設進程，經過大量的產品生產驗證和數據分析，各項工作成效顯著。