李進，嚴加孟

(中國船舶重工集團 南京鵬力科技集團有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引言

燃氣計量表是依靠燃氣壓力通過傳動鏈推動計數(shù)器進行精確計數(shù)的一種計量裝置[1]，在能源貿易結算中，發(fā)揮著至關重要的作用。隨著時代的發(fā)展，我國的燃氣計量表呈現(xiàn)智能化、自動化和遠程化發(fā)展的態(tài)勢[2]。然而，其生產過程還停留在傳統(tǒng)的人工裝配模式，難以適應現(xiàn)代化快速發(fā)展的需求。因此，大力發(fā)展適用于燃氣計量表產業(yè)的成套智能裝備，提高國產燃氣計量表精密裝配質量和生產效率，已經(jīng)成為我國燃氣計量表產業(yè)發(fā)展的迫切需求和當前亟待解決的重大問題[3]。

1 產品對象

燃氣計量表結構主要由上下蓋組件、計數(shù)器組件、機芯組件以及配套的封圈、曲柄搖桿、接頭等零部件組成，如圖1所示。

自動化生產技術難點在于：1) 燃氣計量表產品結構復雜。典型產品需要配套的零部件數(shù)量多達66個。在狹小的空間內裝配如此多的精密零部件使得常規(guī)自動化設備由于結構尺寸限制而無法完成裝配操作，需要創(chuàng)新出先進的方法來實現(xiàn)。2) 生產工藝復雜。生產流程包括機加工(車、銑、磨)、鉗工、焊接、沖壓、注塑、電鍍、噴塑、壓鑄等多種工藝，采用自動化技術就需要突破多種類設備集成于一體的工藝難題。3) 品種多、精度高。品種多達20種左右，計量誤差要求控制在±1.5%以內，方案設計既要克服混流生產、柔性生產難題，又要保證高精度一體化作業(yè)標準。

圖1 燃氣計量表內部結構

生產流程如圖2所示，圖中箭頭表示物流方向。

圖2 生產流程

2 總體設計方案

針對燃氣計量表技術難點，整體設計思路采用“信息化管理+數(shù)字化制造”理念。通過研發(fā)生產過程執(zhí)行管理系統(tǒng)，利用多種智能工具、傳感技術、機器視覺等先進手段，使用有限元法進行封裝裝配偏差計算,通過與仿真裝配偏差數(shù)據(jù)進行對比[4],實現(xiàn)裝配過程的流程化引導、裝配質量的數(shù)字化分析以及裝配過程中的人機交互、關鍵點智能化監(jiān)控等，解決混流生產、柔性生產難題。

針對空間狹小、高精度裝配難題，設計思路采用部件分類組裝方式，即將智能裝配系統(tǒng)按照結構形式分為上下蓋全自動智能裝配生產線、機芯全自動智能裝配檢測生產線、計數(shù)器自動智能裝配檢測生產線等3部分。每一部分分類解決核心精密部件的高精度一致性難題。部件裝配采用工序集中原理，部件與部件之間裝配采用流水線工序原理，整體布局方案采用柔性化組裝設計思路。

總體設計方案系統(tǒng)構成如圖3所示。

圖3 總體設計方案系統(tǒng)構成

3 技術實施

燃氣計量表成套工藝裝備采用數(shù)字化、信息化、柔性化設計思路，對現(xiàn)有生產工藝和流程進行優(yōu)化集成，構建由上下蓋組件、計數(shù)器組件和機芯組件生產制造為主體的成套工藝裝備，通過自主開發(fā)的車間底層生產過程執(zhí)行管理系統(tǒng)對工藝裝備實施數(shù)字化管控，實現(xiàn)裝配檢測過程的透視化管理與高效協(xié)同。

3.1 上下蓋自動化高效成型工藝裝備研制

上下蓋利用卷料沖壓成型，優(yōu)化后的主要工藝流程為：自動進料—沖壓成型—定位柱引弧焊接—管接頭激光焊接—上蓋氣密性檢測—上、下蓋清洗—上、下蓋噴涂—底板鉚接及裝箱倉儲。

設計方案：通過專用輸送線、上下料機器人系統(tǒng)集成鋼板開卷、沖壓、焊接、清洗、噴涂、烘干等自動化設備，通過多傳感器的感知，并經(jīng)過系統(tǒng)的信息集成實現(xiàn)均衡生產、信息互通、質量可控及追溯。工藝裝備結構圖如圖4所示。

圖4 工藝裝備結構圖

上下蓋自動化生產線以信息系統(tǒng)為紐帶，采用標準化模塊設備實現(xiàn)快速換模(品種更換)，模具計算器提供可靠的模具維護保養(yǎng)時間。為了較為準確地預測薄壁盒形件的裝夾變形量,研究了不同誤差形式下薄壁盒形件的真空吸附裝夾變形趨勢[5],實現(xiàn)零件制造生產線操作簡單、設備維護方便、模具更換快捷，適應多品種變批量的柔性生產制造要求(圖5)。

圖5 上下蓋自動化生產線

3.2 計數(shù)器裝配檢測工藝裝備研制

計數(shù)器由外殼、齒輪、字輪、開關輪、輪軸等零部件組成[6]，各零件裝入后保證所有字輪轉動靈活且數(shù)字“0”正對外殼窗口，計數(shù)器裝配工藝流程如圖6所示。

設計方案：采用雙分度盤鏡像對稱結構設計，集成多機協(xié)同及視覺引導機械手，在車間底層生產過程執(zhí)行管理系統(tǒng)控制下智能抓取零部件，完成生產線工件的智能搬運、自動裝配、協(xié)同裝配，實現(xiàn)燃氣計量表計數(shù)器的全自動串、并行混合裝配與檢測。計數(shù)器裝配設備結構如圖7所示。

使用多料道震動送料器和專用上料工裝上料，自動裝配完成后再經(jīng)過視覺檢測字輪上字符的位置，即可具備多型號兼容生產能力，圖8為計數(shù)器裝配檢測生產線過程。

3.3 機芯裝配檢測工藝裝備研制

機芯組件的零件以注塑件居多，關鍵工序為膜片裝配、計量殼壓封、指針合件裝配、密封性檢測及誤差檢測，燃氣計量表的計量精度主要來自于機芯的裝配調節(jié)精度。

圖6 計數(shù)器裝配工藝流程

圖7 計數(shù)器裝配設備結構圖

圖8 計數(shù)器裝配檢測生產線過程

1) 機芯體上料：在車間底層生產過程執(zhí)行管理系統(tǒng)控制下，機芯體零件被機械手依次移載到輸送線上；通過編碼過程管理，該機芯體被系統(tǒng)賦予唯一編號(圖9)。

圖9 機芯體上料過程

2) 機芯體裝配：完成機芯體上料動作后，進行立軸組件、膜片組裝、計量殼壓封、機芯體涂膠并將閥柵與機芯體膠合等零件自動裝入(圖10)。

圖10 機芯體裝配過程

3) 機芯體測試：對前述各工序組裝完成的機芯體組件的密封性能進行測試，檢測各運動部件相對運動有無阻礙、障礙(圖11)。

圖11 機芯體測試過程

3.4 車間底層生產過程執(zhí)行管理系統(tǒng)(BASE MES)研發(fā)

車間底層生產過程執(zhí)行管理系統(tǒng)基于SOA的軟件架構設計，采用TCP/IP、MODBUS、自定義接口等技術，實現(xiàn)車間硬件設備的控制與數(shù)據(jù)采集。通過對裝配全過程的數(shù)據(jù)采集與分析，建立電子裝配質量檔案，建立燃氣儀表產品的規(guī)范化操作工藝庫、裝配數(shù)字化基礎數(shù)據(jù)庫。通過第三方系統(tǒng)集成與接口實現(xiàn)與其他企業(yè)信息系統(tǒng)(ERP、MES、PDM等)的集成與交互。圖12為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)管拓撲圖。

圖12 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)管拓撲圖

3.5 質量追溯系統(tǒng)研制

根據(jù)用戶編碼系統(tǒng)和項目應用的射頻識別系統(tǒng)，結合研發(fā)的工位信息記錄系統(tǒng)及車間底層生產過程執(zhí)行管理系統(tǒng)(BASE MES)，能夠在程序控制下完成每個工件在每個工位的操作和技術參數(shù)信息的實時在線收集、建檔和分析、利用，實現(xiàn)產品制造全過程質量追溯功能(圖13)。

圖13 質量追溯系統(tǒng)應用

4 項目實施情況

燃氣計量表全自動成套工藝裝備于2014年6月開始研制，于2016年6月投入生產。

項目投產以來，與原先比較，產品的生產周期減少10.4%，生產費用降低14.2%；產品一次性合格率由95%提升到99.7%，產品返修率由5%降低到0.3%以下；年產量由230萬臺增長到約350萬臺。通過改造的生產系統(tǒng)實現(xiàn)了年工業(yè)總產值2.23億元，比建設前增長32%；完成年利潤總額3 258萬元，比建設前增加約772萬元，同比增長31%；車間整體從業(yè)人數(shù)減少近100人，同比減少30%。產品國內市場占有率提高了6個百分點。該系統(tǒng)的應用大幅提升了產品質量、產能及生產效率。

5 結語

本項目集視覺檢測、編碼識別、智能傳感、柔性裝配、信息化等先進技術于一體，實現(xiàn)了燃氣計量表上下蓋、計數(shù)器、機芯等精密零部件制造的裝配、檢測一體化，是該行業(yè)國內研發(fā)的首臺套工藝裝備。

該項目突破了燃氣計量表上下蓋組件鉚接參數(shù)自適應控制技術，解決了燃氣計量表上下蓋形變成型制造難題；創(chuàng)新出雙分度盤鏡像對稱協(xié)同裝配方式，采用串、并行混合裝配方式，在7s以內完成一套燃氣計量表計數(shù)器的全自動裝配與檢測；綜合采用了以太網(wǎng)、RFID、編碼等基于物聯(lián)網(wǎng)的車間制造過程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設計技術，將采集的生產數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)與管理信息進行集成，實現(xiàn)燃氣計量表上下蓋組件、計數(shù)器等全制造過程的信息集成一體化與生產過程管理精益化，實現(xiàn)了信息質量追溯和柔性生產。