MONTAŻ KOŁA NAWROTNEGO W TYPOSZEREGU SKRZYŃ BIEGÓW Andrzej ZBROWSKI, Tomasz SAMBORSKI Streszczenie W artykule zaprezentowano mechatroniczne urządzenie do montażu koła nawrotnego w typoszeregu skrzyń biegów wytwarzanych w procesie produkcji seryjnej. Rozwój technologii wytwarzania w kierunku integracji w ramach CIM (Computed Integrated Manufacturing) oraz rosnące wymagania ze strony odbiorców wymuszają na producentach prowadzenie działań zmierzających do zapewnienia niezbędnego poziomu jakości oferowanych wyrobów. Jedną ze zidentyfikowanych przyczyn awarii skrzyni biegów było wysunięcie się osi na skutek braku lub niewłaściwego montażu pierścienia zabezpieczającego. Fakt ten wymusił na producencie wprowadzenie działań korygujących uniemożliwiających wystąpienie w przyszłości podobnej sytuacji. Opracowane rozwiązanie pozwala na montaż w korpusie skrzyni biegów w jednej operacji zespołu koła nawrotnego składającego się z: koła zębatego, podkładek dystansowych, osi oraz pierścienia zabezpieczającego. Na konstrukcję przyrządu istotny wpływ miał sposób transportu międzyoperacyjnego w realizowanym procesie wytwarzania. W trakcie montażu skrzynia biegów zamocowana jest trwale na wózku transportowym przemieszczanym pomiędzy poszczególnymi gniazdami technologicznymi. Zastosowanie w procesie montażu opracowanego, sterowanego mikroprocesorowo urządzenia, ograniczającego do minimum udział człowieka, zapewnia pełną kontrolę nad realizacją procesu, eliminując możliwość niewłaściwego lub niekompletnego montażu, np. bez pierścienia zabezpieczającego. Pozyskana z montażu informacja o jego wyniku pozwala na dalsze efektywne wykorzystanie w sterowaniu jakością całego procesu wytwarzania. Słowa kluczowe koło zębate, pierścień zabezpieczający, oś, przyrząd montażowy Wprowadzenie Nieodłączną częścią procesu produkcyjnego urządzenia jest proces technologiczny montażu obejmujący całokształt następujących po sobie czynności związanych z wykonywaniem operacji łączenia i regulacji elementów konstrukcyjnych w podzespoły, zespoły lub moduły. Prawidłowo zaprojektowany proces [1] pozwala na zdefiniowanie niezbędnych środków technicznych, w ramach przyjętego systemu transportu międzyoperacyjnego, oraz metod i narzędzi kontroli [2, 3]. Rozwój technologii wytwarzania w kierunku integracji procesów w ramach CIM (Computed Integrated Manufacturing) oraz rosnące wymagania ze strony odbiorców wymuszają na producentach prowadzenie działań zapewniających osiągnięcie niezbędnego poziomu jakości oferowanych wyrobów [4, 5]. Wprowadzane zmiany znajdują odzwierciedlenie w ewolucji procesu montażu polegającej na wyeliminowaniu subiektywnej oceny lub niepowtarzalnych działań człowieka wykonywanych tylko na podstawie wiedzy rutynowej. Proces montażu koła nawrotnego Jedną z głównych operacji montażowych realizowanych w procesie montażu wielostopniowej skrzyni biegów jest aplikacja zespołu koła nawrotnego składającego się z: koła zębatego, dwóch podkładek, osi oraz pierścienia zabezpieczającego (rys. 1). W zależności od wymagań i możliwości technicznych producenta montaż może przebiegać z wykorzystaniem prostych narzędzi ręcznych, uniwersalnych pras hydraulicznych lub specjalizowanych Rys. 1. Fragment przekroju skrzyni biegów: a) z komponentami przeznaczonymi do montażu, b) ze zmontowanym zespołem: 1 korpus skrzyni biegów, 2 koło zębate, 3 podkładka dystansowa, 4 oś, 5 pierścień zabezpieczający Fig. 1. Part of a gearbox cross section: a) components intended for installation, b) assembled unit: 1 body of a gearbox, 2 toothed wheel 3 washer, 4 axis, 5 locking ring 25
4/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu przyrządów montażowych [6]. Dodatkowo na stosowane środki techniczne montażu istotny wpływ ma wykorzystywany w procesie produkcji transport międzyoperacyjny. W wielu przypadkach skrzynia biegów pozostaje na wózku transportowym, poruszającym się wzdłuż wyznaczonego toru, począwszy od zamocowania korpusu, kończąc na wyposażeniu skrzyni w elementy sterowania. Z reguły konstrukcja wózka pozwala na zmianę orientacji montowanego wyrobu, niezbędną w kolejnych fazach realizacji procesu. Nie zapewnia jednak uzyskania powtarzalnej pozycji, warunkującej wykorzystanie stałych urządzeń montażowych, ani wystarczającej sztywności pozwalającej na wywieranie siły niezbędnej w procesie wciskania osi. W montażu prowadzonym z wykorzystaniem najprostszych środków technicznych główne operacje to [7]: umieszczenie w korpusie koła zębatego wraz z podkładkami (zorientowanie części), wbicie osi (połączenie), założenie pierścienia zabezpieczającego (utrwalenie połączenia). Wszystkie następujące po sobie czynności wykonywane są zgodnie z obowiązującą instrukcją, w której kontrola poprawności montażu pozostawiona jest pracownikowi prowadzącemu montaż. Stanowi to źródło błędów trudnych do zweryfikowania na etapie kontroli jakości gotowego podzespołu [8, 9]. Potwierdzeniem tego było wystąpienie usterki rozpatrywanej skrzyni biegów, gdzie zidentyfikowaną przyczyną awarii było wysunięcie się osi na skutek braku lub niewłaściwego montażu pierścienia zabezpieczającego. Fakt ten wymusił na producencie wprowadzenie działań korygujących uniemożliwiających wystąpienie w przyszłości podobnej sytuacji. Rys. 2. Model 3D przyrządu do montażu zespołu koła nawrotnego (opis w tekście) Fig. 2. 3D model of the device for the assembly of a reversing wheel (description in the text) Budowa przyrządu do montażu koła nawrotnego Autorski projekt przyrządu do montażu zespołu koła nawrotnego (rys. 2, rys. 3) w wielostopniowej przekładni samochodowej wytwarzanej w warunkach produkcji seryjnej został opracowany na podstawie następujących wymagań: jednoosobowa obsługa, montaż prowadzony na wózku transportowym, kontrola obecności pierścienia zabezpieczającego oś, przekazanie do systemu kontroli informacji o przebiegu montażu. Rys. 3. Przekrój osiowy urządzenia do montażu zespołu koła nawrotnego (opis w tekście) Fig. 3. Axial section of a device the assembly of a reversing wheel (described in the text) Konstrukcję nośną przyrządu stanowi skręcany z płyt korpus 1 zapewniający sztywność niezbędną do wciskania osi i montażu pierścienia zabezpieczającego. W dolnej części korpusu umocowany 26
jest specjalny cylinder hydrauliczny 2. Tłoczysko cylindra zakończone jest, podpartym sprężyną 14, gniazdem 3, w którym umieszczane są przeznaczone jest do montażu w korpusie skrzyni biegów: pierścień zabezpieczający 17 i oś koła nawrotnego 16. Z gniazdem połączony jest czujnik optyczny 4 kontrolujący obecność w gnieździe pierścienia zabezpieczającego. Pomiędzy płytami korpusu znajduje się, połączony obrotowo z korpusem, zacisk wychylny 5 zakończony rękojeścią 11. Dwie spiralne sprężyny 15, łączące korpus z zaciskiem wychylnym, zapewniają wstępny docisk przyrządu do skrzyni biegów. Końcowy docisk uzyskiwany jest za pośrednictwem siłownika hydraulicznego 16 blokującego zacisk wychylny. Powyżej zacisku wychylnego umieszczone są, sterowane ręcznie, dwa zaciski hakowe 6, dociskające przyrząd do powierzchni bocznej skrzyni biegów. W górnej części korpusu przyrządu znajduje się hydrauliczny zacisk obrotowy 7 oraz regulowany zespół pozycjonowania 8 urządzenia względem skrzyni biegów. Przyrząd połączony jest z zasilaczem hydraulicznym za pośrednictwem dwóch szybkozłączy 12. Sterowanie pracą przyrządu odbywa się za pomocą uruchamianego ręcznie trójpołożeniowego zaworu 9 oraz przycisków elektrycznych uruchamiających zasilacz hydrauliczny. Przyrząd wyposażony jest w uchwyt 10 pozwalający na ergonomiczne manipulowanie urządzeniem połączonym, za pomocą wieszaka 13, z układem równoważącym ciężar (balanserem). Metodyka montażu Na całość procesu montażu zespołu koła nawrotnego w skrzyni biegów składają się działania związane z główną operacją (obejmującą zorientowanie części, ich połączenie oraz utrwalenie połączenia) oraz przekazaniem do systemu jakości informacji o jej przebiegu. W położeniu początkowym tłok cylindra hydraulicznego 2 z gniazdem 3 zajmuje dolne, skrajne położenie. Proces montażu rozpoczyna się od dwóch czynności wykonywanych przez operatora: umieszczenie w gnieździe przyrządu pierścienia zabezpieczającego 17 i osi koła nawrotnego 16 (rys. 4, rys. 5) umieszczenie i wstępne ustalenie w korpusie skrzyni koła zębatego 18 z podkładkami 19 za pomocą sworznia 20 (rys. 4b). Rys. 5. Proces montażu: 1 przyrząd montażowy, 2 skrzynia biegów, 3 wózek transportowy Fig. 5. The assembly process: 1 assembly device, 2 gearbox, 3 trolley Po pozytywnym zweryfikowaniu przez czujnik obecności pierścienia zabezpieczającego w gnieździe, system sterowania zezwala na uruchomienie zasilacza hydraulicznego. Operator, z wykorzystaniem uchwytu 10 i rękojeści 11 umieszcza urządzenie na korpusie skrzyni biegów w pozycji, w której o górną powierzchnię korpusu skrzyni biegów wspiera się zespół pozycjonowania 8 (rys. 5). Wycięcie w zespole pozycjonowania zapewnia właściwe usytuowanie urządzenia względem korpusu skrzyni biegów. Ruch ku górze rękojeści 11, towarzyszący przenoszeniu urządzenia, powoduje obrót zacisku wychylnego 5, umożliwiając wprowadzenie końcówek zacisku wychylnego pod dolną krawędź korpusu skrzyni biegów. Zwolnienie rękojeści powoduje wstępne unieruchomienie urządzenia na korpusie skrzyni biegów, na skutek oddziaływania sprężyn 15. Jednocześnie korpus urządzenia styka się z powierzchnią boczną korpusu skrzyni biegów. Kolejna faza polega na zablokowaniu Rys. 4. Proces montażu (faza wstępna orientowanie części): a) w przyrządzie, b) w korpusie skrzyni biegów Fig. 4. Assembly process (initial phase orientating of the parts): a) in the device, b) in the body of the gearbox 27
4/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu położenia urządzenia z wykorzystaniem ręcznych zacisków hakowych 6. Po sprawdzeniu poprawności położenia urządzenia operator uruchamia proces wciskania za pomocą zaworu 9. Sprężony olej wprowadzony zaworem do obwodów urządzenia powoduje zablokowanie siłownikiem hydraulicznym 16 zacisku wychylnego 5. Jednocześnie zacisk obrotowy 7 dociska górną krawędź korpusu skrzyni biegów do korpusu przyrządu. Po zablokowaniu przyrządu następuje ruch tłoczyska cylindra z gniazdem w kierunku otworu w korpusie skrzyni biegów. W końcowej fazie ruchu tłoczysko cylindra wypycha z gniazda elementy przeznaczone do montażu: oś koła nawrotnego i pierścień zabezpieczający, umieszczając go w przeznaczonym rowku. Po zakończeniu procesu wciskania operator przełącza zawór sterujący, w wyniku czego tłoczysko cylindra, docisk hydrauliczny oraz zacisk obrotowy zajmują pozycje wejściowe. Po ręcznym zwolnieniu zacisków hakowych i uniesieniu rękojeści zacisku wychylnego możliwe jest zdjęcie przyrządu z korpusu skrzyni biegów. Opracowany mechatroniczny przyrząd montażowy (rys. 6) pracuje pod kontrolą programowalnego sterownika PLC. Specjalizowane oprogramowanie sterownika PLC, analizując sygnały pochodzące z umieszczonych w przyrządzie sensorów, decyduje o możliwości wykonania kolejnych kroków związanych z montażem. Wszystkie stany procesu mogące wpłynąć negatywnie na jego przebieg generują zalgorytmizowane zachowanie lub przekazywane są operatorowi w formie sygnalizacji optycznej. Informacja o zakończeniu procesu (pozytywna lub negatywna) przekazywana jest do głównego systemu odpowiedzialnego za realizację procesu technologicznego montażu skrzyni biegów. Podsumowanie Integracja procesu wytwarzania w ramach CIM (Computed Integrated Manufacturing) oraz rosnące wymagania ze strony odbiorców wywołują ustawiczne doskonalenie procesu technologicznego montażu ukierunkowane na wyeliminowanie operacji ręcznych oraz subiektywnej oceny organoleptycznej. Wprowadzenie do montażu, w ramach istniejącej struktury transportu międzyoperacyjnego, mechatronicznych przyrządów pozwala na osiągnięcie dwóch głównych celów. Pierwszy cel to zapewnienie pełnej kontroli nad przebiegiem procesu montażu zespołu koła nawrotnego, eliminując możliwość niewłaściwego lub niekompletnego montażu, np. bez pierścienia zabezpieczającego. Drugi cel dotyczy sfery informatycznej związanej z pozyskaniem informacji o przebiegu procesu w celu dalszego, efektywnego wykorzystania w sterowaniu jakością całego procesu wytwarzania. Opracowane rozwiązanie, wdrożone w dużym polskim zakładzie specjalizującym się w produkcji skrzyń biegów, zapewniło poprawę jakości wytwarzanych wyrobów. Praca naukowa wykonana w ramach zamówienia z Centrum Obrabiarek i Urządzeń Specjalnych w Poznaniu. LITERATURA 1. Łunarski J., Stadnicka D.: Ocena poziomu konkurencyjności stosowanej technologii. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 2/3, 2007, s. 25 29. 2. Hwia-En Tseng, Rong-Kwe Li: A novel means of generating assembly sequences using the connector concept. Journal of Intelligent Manufacturing (1999) 10, 423 435. 3. Afazov S. M.: Modelling and simulation of manufacturing process chains. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology 6 (2013), 70 77. Rys. 6. Przyrząd do montażu zespołu koła nawrotnego: a) widok ogólny, b) widok zasilacza hydraulicznego z szafą systemu sterowania Fig. 6. Device for the assembly of the reversing wheel unit: a) general view, b) view of the hydraulic power supply with the control cabinet 28
4. Hu W., Starr A. G., Zhou Z., Leung A. Y. T.: A systematic approach to integrated fault diagnosis of flexible manufacturing systems. International Journal of Machine Tools & Manufacture 40 (2000), 1587 1602. 5. Łunarski J.: O problemach jakości w procesach montażu. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 1, 2001, s. 2 4. 6. Chernyi A. G.: Nonsynchronous Automated Assembly Line. Russian Engineering Research (2009), Vol. 29, 9: 897 902. 7. Kowalski T., Lis G., Szenajch W.: Technologia i automatyzacja montażu maszyn. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000. 8. Stork S., Schubö A.: Cognition in Manual Assembly. Künstl Intell (2010) 24: 305 309. 9. Godwin G. Udo, Aniekam A. Ebiefung: Human Factors Affecting the success. Computers & Industrial Enginering (1999) 37: 297 300. Dr inż. Tomasz Samborski Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, 26-600 Radom, ul. Pułaskiego 6/10, e-mail: tomasz.samborski@itee.radom.pl. Dr inż. Andrzej Zbrowski Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, 26-600 Radom, ul. Pułaskiego 6/10, e-mail: andrzej.zbrowski@itee.radom.pl. REVERSING WHEEL ASSEMBLY IN A GEARBOX Abstract The article presents a mechatronic device for an assembly of a wheel reversing in batch production of gearboxes. The development of manufacturing technologies towards Computed Integrated Manufacturing and growing customer demands force manufacturers to ensure the required level of safety of their goods. One of the most common causes of gearbox faults is the protrusion of the axis resulting from the lack of or an improper mounting of a locking ring. The occurrence of such fault means that a producer has to introduce a set of corrective actions. The device presented in this paper enables a complex assembly of an entire reversing wheel system (including a toothed wheel, washer, axis, and locking ring) during one operation. The architecture of the device depends on how the transportation of elements looks like between operations undertaken in one production process. During the assembly, the gearbox is fixed onto the trolley and is moved from one technological slot to another one. The application of the developed device enables full control over the assembly process and guarantees the elimination of the possibility of an improper or incomplete installation of a gearbox (e.g. without locking a ring). The device is controlled through a microprocessor, which means that a human involvement is reduced to an absolute minimum. The information about the outcome of the assembly enables the device to be used for the inspection of quality of the entire assembly process. Keywords toothed wheel, locking ring, axis, mounting device 29