燃氣計量表全自動成套工藝裝備研制

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器進行精確計數的一種計量裝置[1]，在能源貿易結算中，發揮著至關重要的作用。隨著時代的發展，我國的燃氣計量表呈現智能化、自動化和遠程化發展的態勢[2]。然而，其生產過程還停留在傳統的人工裝配模式，難以適應現代化快速發展的需求。因此，大力發展適用于燃氣計量表產業的成套智能裝備，提高國產燃氣計量表精密裝配質量和生產效率，已經成為我國燃氣計量表產業發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，需要創新出先進的方法來實現。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+數字化制造”理念。通過研發生產過程執行管理系統，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據進行對比[4],實現裝配過程的流程化引導、裝配質量的數字化分析以及裝配過程中的人機交互、關鍵點智能化監控等，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。

總體設計方案系統構成如圖3所示。

圖3 總體設計方案系統構成

3 技術實施

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

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，并經過系統的信息集成實現均衡生產、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為紐帶，采用標準化模塊設備實現快速換模(品種更換)，模具計算器提供可靠的模具維護保養時間。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 計數器裝配檢測工藝裝備研制

計數器由外殼、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字“0”正對外殼窗口，計數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，集成多機協同及視覺引導機械手，在車間底層生產過程執行管理系統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、協同裝配，實現燃氣計量表計數器的全自動串、并行混合裝配與檢測。計數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精度。

圖6 計數器裝配工藝流程

圖7 計數器裝配設備結構圖

圖8 計數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行管理系統控制下，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行管理系統(BASE MES)研發

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

圖12 數據采集與監管拓撲圖

3.5 質量追溯系統研制

根據用戶編碼系統和項目應用的射頻識別系統，結合研發的工位信息記錄系統及車間底層生產過程執行管理系統(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信息的實時在線收集、建檔和分析、利用，實現產品制造全過程質量追溯功能(圖13)。

圖13 質量追溯系統應用

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實現了年工業總產值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%；車間整體從業人數減少近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，實現了燃氣計量表上下蓋、計數器、機芯等精密零部件制造的裝配、檢測一體化，是該行業國內研發的首臺套工藝裝備。

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；創新出雙分度盤鏡像對稱協同裝配方式，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器的全自動裝配與檢測；綜合采用了以太網、RFID、編碼等基于物聯網的車間制造過程數據采集與監控系統設計技術，將采集的生產數據、檢測數據與管理信息進行集成，實現燃氣計量表上下蓋組件、計數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，實現了信息質量追溯和柔性生產。