李兆楠，周桂生，陳嵐，經(jīng)彭，馮帥捷

（徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

近年來(lái)我國(guó)基建工程項(xiàng)目蓬勃發(fā)展，極大地推動(dòng)了我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。 在工程機(jī)械上，裝配工藝的合理性在某種程度上決定著整機(jī)性能的實(shí)現(xiàn)程度。 一般情況下，在工程機(jī)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(jī)加工、熱處理等均委托外廠生產(chǎn)， 真正受主機(jī)廠控制的關(guān)鍵工序是裝配工序。裝配階段出現(xiàn)問(wèn)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(jī)械裝配方面不斷增加開(kāi)支。 隨著工程機(jī)械行業(yè)向智能化、數(shù)字化制造的轉(zhuǎn)型，智能化的機(jī)器產(chǎn)品在裝配線、生產(chǎn)線等方面的應(yīng)用越來(lái)越普遍， 其中以AGV 及其衍生產(chǎn)品在工程機(jī)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(diǎn)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(jìn)行定位；具有上下左右調(diào)節(jié)功能的獨(dú)立AGV 小車裝載前、 后連接座可實(shí)現(xiàn)其與主臂的快速對(duì)位裝配；前、后油缸分別采用限位V 型塊和C 型夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。鉆臂整體實(shí)現(xiàn)了智能化裝配，替代了行車吊裝、人工對(duì)孔的裝配方法，裝配質(zhì)量明顯提升，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低，生產(chǎn)效率提升。

1 工程機(jī)械裝配工藝現(xiàn)狀

裝配工藝是機(jī)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(jī)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(guò)程中對(duì)裝配工藝沒(méi)有太高的要求。 近年來(lái)隨著工序分包的精細(xì)化，裝配工藝越來(lái)越顯得重要。先進(jìn)高效的裝配工藝可以為機(jī)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(jī)械產(chǎn)品的性能與使用壽命，加快我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展速度。 大體來(lái)說(shuō)，工程機(jī)械裝配有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）對(duì)于一些大型工程機(jī)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(tái)車， 一次生產(chǎn)只有幾臺(tái)，最多也就幾十臺(tái)。

（2）大型工程項(xiàng)目，如川藏鐵路線項(xiàng)目中需要的機(jī)械設(shè)備品種較多，成套化性質(zhì)較強(qiáng)，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(jī)。

（3）伴隨項(xiàng)目工程量的不斷擴(kuò)大，新興產(chǎn)業(yè)的增加， 項(xiàng)目當(dāng)中使用的機(jī)械設(shè)備也朝著體型巨大、模塊化的方向發(fā)展，機(jī)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(huì)相應(yīng)變大，零部件的搬運(yùn)和吊裝也會(huì)變得復(fù)雜，從而造成零部件移動(dòng)困難， 極大地降低了裝配的靈活性[1]。

（4）在工程機(jī)械裝配領(lǐng)域，不僅需要對(duì)機(jī)械配件進(jìn)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(guó)工程機(jī)械裝配過(guò)程中裝配形式方面的特征主要有兩種： 固定裝配與移動(dòng)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(diǎn)，將相關(guān)的零部件放置在固定裝配點(diǎn)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(jī)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(dòng)性，可以在不同地點(diǎn)由不同的裝配人員來(lái)完成，這種裝配方法在提升裝配效率的同時(shí)，適用于較大批次量的裝配任務(wù)。移動(dòng)式裝配形式指的是不同裝配人員與裝配地點(diǎn)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(guó)工程機(jī)械裝配中有著更為廣泛的應(yīng)用[2]。

（6）工程機(jī)械產(chǎn)品，尤其是大型專用工程機(jī)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(lái)應(yīng)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性?；Q法、選配法、修配法及調(diào)整法是現(xiàn)階段我國(guó)工程機(jī)械普遍用到的裝配方法。目前工程機(jī)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(duì)零部件進(jìn)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(duì)于修配法而言， 其特點(diǎn)是零件之間無(wú)法相互使用，從而降低了裝配效率。 調(diào)整法對(duì)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(shí)，企業(yè)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)有針對(duì)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(dòng)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(hù)功能的運(yùn)輸車輛，又叫自動(dòng)導(dǎo)引車或無(wú)人搬運(yùn)車，具有靈活性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、智能化等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用。 AGV 小車可以方便地重組，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的柔性化運(yùn)輸，顯著特點(diǎn)是無(wú)人駕駛。 AGV 上裝備有自動(dòng)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(wú)人工引航的情況下沿預(yù)定的線路自動(dòng)行駛，將物料運(yùn)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(jī)械行業(yè)的應(yīng)用減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了危險(xiǎn)性，提高了生產(chǎn)效率。

3 AGV 與工程機(jī)械智能制造

工程機(jī)械智能制造， 指的是融合了計(jì)算機(jī)、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(guó)工程機(jī)械制造業(yè)處于向智能制造轉(zhuǎn)型的初級(jí)階段。 AGV 在工程機(jī)械智能制造方面的應(yīng)用體現(xiàn)在以下五個(gè)方面。

（1）提高作業(yè)安全性。在生產(chǎn)制造車間，安全永遠(yuǎn)是第一位的。 采用AGV 提高了運(yùn)輸過(guò)程中的安全性。 人力搬運(yùn)過(guò)程中的小小失誤，都可能造成搬運(yùn)人員的人身傷害。 AGV 不僅可以在無(wú)人監(jiān)控的狀態(tài)下正常運(yùn)行，同時(shí)也能通過(guò)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(dòng)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(yùn)到指定的位置，AGV 系統(tǒng)中所有需要維護(hù)保養(yǎng)的部件均采用快裝設(shè)計(jì)，通常情況下只有電池和車輪等需要維護(hù)[4]，維護(hù)周期2年以上，維護(hù)工作量小，不對(duì)生產(chǎn)構(gòu)成負(fù)擔(dān)，且AGV系統(tǒng)中所有AGV 均可單獨(dú)維護(hù)。采用AGV 搬運(yùn)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(yùn)輸包括原材料、 半成品和成品間的存儲(chǔ)和運(yùn)輸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，制造系統(tǒng)中物料運(yùn)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(yùn)輸，減少了人力成本；作為運(yùn)輸機(jī)械，AGV 可以實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)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(shí)間和空間內(nèi)最大限度地提升工作效率和質(zhì)量。同時(shí)AGV 不像人力搬運(yùn)受時(shí)間限制。這些都可以降低運(yùn)輸費(fèi)用，從而降低制造成本[6]。

（4）可與計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)化生產(chǎn)裝配系統(tǒng)有機(jī)地連接。 AGV 采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)控制，提供自動(dòng)存/取、數(shù)控設(shè)備、FMS、自動(dòng)裝配等系統(tǒng)接口[7]。

（5）節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境。 AGV 的充電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗少，能量利用率高，噪音低，對(duì)環(huán)境沒(méi)有不良影響。 另外，AGV 采用無(wú)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(duì)車間其他設(shè)施都構(gòu)不成障礙，對(duì)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(jìn)鉆車、錨桿臺(tái)車、采礦臺(tái)車、拱架臺(tái)車等，工作裝置涉及單臂、兩臂、三臂、平臺(tái)臂。作為整機(jī)的核心部件，鉆臂的裝配質(zhì)量直接影響整機(jī)的性能。通常鉆臂上面裝有前后6 個(gè)油缸，油缸無(wú)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(diǎn)裝配法，油缸在總裝上裝配，裝配過(guò)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(guò)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(jī)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(guò)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(gè)鉆臂體的裝配工序進(jìn)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(hù)裝置安裝。

5.1 主臂和伸縮臂的裝配

使用機(jī)器人抓手將伸縮節(jié)抓取倚靠在斜坡臺(tái)上，側(cè)面夾鉗夾緊固定，抓手抓取外臂利用斜坡臺(tái)傾斜角以及自重自動(dòng)對(duì)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(jī)械臂將臂體整體抓取并安放在AGV 小車上，AGV 小車工作臺(tái)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(jiàn)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(dòng)至下一工位，另一臺(tái)輔助AGV 小車附帶工裝托運(yùn)臂座與臂體連接， 輔助AGV 附帶的工裝可以實(shí)現(xiàn)上下左右前后6 個(gè)維度的快速調(diào)整，因此臂座可以和臂體完成精準(zhǔn)對(duì)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(dòng)[8]。

圖5 連接座和臂體裝配

5.4 油缸的裝配

作為整個(gè)鉆臂體的核心，五個(gè)油缸（兩個(gè)前三角油缸、兩個(gè)后三角油缸以及旋轉(zhuǎn)油缸）的裝配是裝配過(guò)程的關(guān)鍵和難點(diǎn)。由于在添加液壓油之前，五個(gè)油缸相互之間沒(méi)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(guò)程中的定位，設(shè)計(jì)了專用的弓形限位副及特制卡板的限位機(jī)構(gòu)來(lái)限制各油缸的動(dòng)作。

圖6 臂體限位

5.5 臂體和主機(jī)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(guò)上下舉升和前后移動(dòng)，自動(dòng)對(duì)中，實(shí)現(xiàn)臂體和主機(jī)車體的快速對(duì)位、裝螺栓組對(duì)。 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(yǔ)

經(jīng)驗(yàn)證， 使用AGV 小車完成鉆臂的裝配僅需要2 人輔助，2 個(gè)小時(shí)即可完成一個(gè)臂的裝配工作；而使用傳統(tǒng)工裝平臺(tái)加馬腿的方式完成一個(gè)臂的裝配需要3 個(gè)人配合，4 個(gè)小時(shí)的時(shí)間來(lái)完成。 人均生產(chǎn)效率大約提高了3 倍，同時(shí)減少了反復(fù)的吊裝和轉(zhuǎn)運(yùn)，極大地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)作業(yè)[9]。