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空间定位系统重工工件定位方法

 论文栏目:重工业论文     更新时间:2019/3/12 9:03:25   

摘要:针对目前重工行业小型结构件的定位还在使用传统的机械式样板定位的方法已经很难满足生产和市场的需求,开展了基于空间定位系统的重工工件定位方法研究。使用最新的空间定位系统,激光集成视觉识别零件的几何特征,在3D空间中激光投影准确定位工件,能够极大地缩短操作工时,降低工作强度,提高工件定位精度。该方法对不同的工件产品有极高的兼容性。

关键词:重工;空间定位;集成视觉;激光投影;定位精度

重工行业中,在对主体的大型结构件完成拼点焊接后,有很多小型工件需要进行定位焊接。在试生产或者小批量生产的情况下,一般是由具有丰富经验的操作工进行现场手工测量焊接,工件位置通过工件边缘和圆心进行测量和标注,这种方法不可避免地会产生测量误差和标注误差,不仅工件精度没有保障,而且非常耗时。在产品量产的情况下,一般是由工装工程师根据产品结构特征设计工装样板,然后根据样板的硬定位,找到工件的位置,这种方法带来的问题是样板设计生产周期会影响生产进度,不仅增加了制造成本,而且兼容性低。空间定位系统是空间测量定位和产品检验的新型技术[1],目前已经在轻工业和电子行业得到广泛应用[2-3]。空间定位系统具有快速、智能、精准、高兼容性和环保的特点,不但能提高产能和产品质量,还能保证生产过程安全环保[4-6]。应用空间定位系统和视觉识别技术进行重工行业定位和检验作业,改变低能、高强度作业的生产现场,是重工行业走向工业4.0的必经之路[7]。

1传统的工件定位工艺

在挖掘机结构件的生产过程中,对主体的大型结构件(如动臂,斗杆,上、下车架)完成拼点焊接后,需要进行小工件的定位焊接。小工件的定位精度一般要求为2~5mm,因此需要特配的工装和工具来完成工件的定位焊接。传统的工件定位工艺流程如图1所示。采用传统的工件定位工艺存在如下问题。1)每种产品的工件定位样板都是特配的,即每种产品都需要设计生产一套适用的样板,这样不仅给企业带来高昂的人工成本和生产成本,而且在有新产品引进的情况下无法迅速响应完成换型,从而延长了新产品的生产周期。2)样板的制作一般是根据待定位产品图样,搭建样板基本框架,定好基准面/孔,然后人工测量焊接定位板,压紧/拧紧装置,这样做出来的样板几乎是无法直接使用的。需要用样板试制一台产品送检,根据检验报告结果,先调整产品工件位置,再根据工件位置调整样板定位板定位。这一过程往往需要重复3~5次才能做出合格的样板(见图2)。3)由于样板的基准面/孔贴平是通过人工肉眼观察的,所以每次生产产品的质量一致性较差,另外操作工的长期作业有可能会出现操作失误,生产出不合格产品,因此,产品质量可控性没有保障。4)由于重工行业的产品和工作环境的特殊性,在样板的存放和使用过程中不可避免地会对样板产生撞击或压折,通常样板的使用寿命在2~3a,在此期间应定期对样板进行检验,以防止由于样板的长期使用产生变形而导致工件定位超差。

2空间定位系统在重工工件定位中的应用

空间定位系统采用目前最热门的CCD视觉技术,对多个空间位置点进行捕捉,找到参考基准,系统根据已输入的CAD图样,利用激光将图样数据投至工件位置,操作工只需参照激光投射位置及区域摆放对应工件,使小件边缘、直线、弧线、圆与激光投射光线重叠,即可完成工件的定位(见图3)。在试生产或者小批量生产的情况下,采用空间定位系统定位具有如下优点:1)免除了手工测量、排版和装配步骤,零件位置直接从CAD图样数据中读取,并用激光投射至工件以满足精确的设计位置;2)能将耗用工时缩减至原来的40%(取决于零件大小和复杂程度);3)即使在最复杂的焊接件上仍可快速、精确地定位焊接位置,无论是对于平面还是曲面,都可以消除因使用部件上不精确的参考点而导致的超差;4)在使用过程中,无论是设备或工件的任何移动,系统均能对激光投射位置自动实时调整更新,保证位置的精度,不会出现因误动或误操作造成的位置偏移;5)可视化的提示指导操作工完成各项操作,激光投射的文本显示控件可自定义编辑;6)在操作工操作过程中,可实时检查放置工件的位置精度,并根据系统里提前设置的公差带自动判断工件装配位置精度是否合格,若合格则通过,否则将给出不合格警示,操作工可即时调整工件位置,消除偏差,直至工件位置精度合格(见图4),这不仅可以免除后续的检验工作,而且避免了工件超差导致产品不合格的返工;7)空间定位系统和激光投射的方法更加安全,不仅避免了装拆样板带来的人体磕碰、砸伤等风险,而且减少了产品的磨损以及磕碰磨痕的补焊修磨工作。在产品量产的情况下,采用空间定位系统具有如下优点:1)可以避免产品制造与设计之间产生的误差,因为生产线操作工使用的始终是最新生效的CAD文件,即使出现工程变更,系统只需参考更新后的CAD文件即可对操作工进行精确的定位焊接引导;2)工程变更只需几分钟时间即可传送至生产现场,节省大量的工装设计生产和调整时间;3)只需要定期对设备进行维护保养,免除了样板定期检查矫正的工作,更无需因样板的磨损、损坏而重新制作样板。

3传统工艺与空间定位系统应用对比分析

传统工艺工件定位精度取决于如下3个方面因素:1)工装样板制作和调整的精度;2)操作工使用样板的熟练程度;3)样板的磨损变形程度。3个方面因素使得样板精度可控在1.5~7mm。空间定位系统的工件定位精度则取决于如下2个方面因素:1)CAD图样的精确度(输入图样是否有误);2)激光投影的投影精度。显而易见,CAD图样几乎不会出现精度不满足要求的现象,而激光投影的精度更是达到了0.02mm,完全满足重工行业工件定位的2~5mm精度要求。从现场抽取2台同一型号同一批次的2种工艺方法生产的产品,通过激光跟踪仪进行检验,检验结果如图5所示。取样产品共包含34个工件,70个定位点,其中包括圆和矩形等不规则工件,定位面包含平面和曲面等。从图5中可以看出,采用空间定位系统定位的工件,定位点100%合格,其中,有61个定位点在[-2,2]之间,70个定位点全部在[-5,5]之间;采用样板定位方法定位的工件,定位点91.43%合格,即6个定位点不合格,其中,有36个定位点在[-2,2]之间,64个定位点在[-5,5]之间。从现场每周抽取4台产品,2种工艺方法生产的产品各2台,连续抽取18周,从72台产品的检验报告中提取第12号定位点数据(该点精度要求为[-3,3]),对比结果如图6所示。从图6可以看出,36台新工艺方法得到的产品第12号定位点合格率为100%,并且所有产品的定位精度在[-2,2]之间;传统样板工艺方法的合格率仅为66.67%。而且从图中可以看出,在样板使用初期,产品基本都能满足定位精度要求,但随着样板使用时间的延长,样板磨损、变形,使得在最后几周的使用中,工件定位精度达不到要求。

4结语

应用空间定位系统进行工件定位,不仅可以降低设备工装的制作成本、人力的投入、工作强度和安全隐患,而且还可以提高工件的定位精度和生产效率,解决重工行业小件工件定位不准、劳动强度大和操作不安全等多方面的难题。这是智能化生产制造在重工行业的又一次成功应用,更是重工行业朝向工业4.0,解放高强度作业,实现智能化无人工厂的又一次迈进。

作者:黄静 刘奔 王凯 刘小霞单位:(卡特彼勒(徐州)有限公司

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