專用設備臺架自動裝箱流水線的研究與應用

馬占宇 劉 軍

（中核<天津>機械有限公司，中國 天津 300300）

0 引言

某公司產品為一種專用設備臺架, 出廠合格率100%,專用設備臺架精密度高、造價高，且體積大、重量大、一次出貨量大，需要通過專列運輸交付客戶。為了避免臺架在運送中因晃動、 磕碰造成的質量隱患，確保交付合格率100%, 臺架生產完成下線后要裝配在專用運輸箱中。 原有裝箱方式為人工手工裝配，除了臺架使用天車起吊和落位， 包括運輸箱體的蓋板（約70 kg）、四塊側板（約40 kg/塊）的拆、裝在內的所有工序均為純手工作業，員工勞動強度大，過程安全隱患大，裝配效率低下。

目前，產品包裝機械正朝高速、多功能化及控制智能化的方向發展。 為滿足交貨期、降低工藝流通成本，未來包裝機械要求能夠進行高速生產。 同時對一些產品，還要求包裝機械和生產流水線相銜接，使包裝機械進一步智能化形成包裝流水線。隨著裝配技術的提升，裝配流水線也隨之迅速發展。 裝配線向模塊化、自動化、柔性化和虛擬化方向發展，以滿足多品種生產和自動化裝配要求；輸送設備向柔性輸送設備方向發展；螺栓緊固設備向定轉矩和轉角的多頭螺栓扭緊機方向發展；專用裝配設備向高精度、適應性強、自動化方向發展，一臺專機應能適應2～3 種產品的生產要求，以適應多品種生產的要求；以靜扭扳手和定轉矩電動扳手替代沖擊式氣動扳手是裝配工具的發展趨勢；一些產量大、零件數量少的零部件裝配線趨于采用全自動裝配線。

公司通過對先進自動化裝配流水線中輸送設備、全自動裝配線、螺栓緊固設備的充分調研,研究和裝配了一條專用設備臺架自動化裝箱流水線，順利解決了上述問題。本文對專用設備臺架自動化裝箱流水線的方案設計、工藝流程和實現過程進行闡述。

1 工作內容介紹

1.1 運輸箱的構成及臺架在箱體中的固定方式

運輸箱由蓋板（吊裝環焊接其上）、左右短側板、前后長側板、底座、護杠構成，通過連接螺栓固定。 臺架通過三塊連接板使用螺栓連接固定在箱體底座支撐架上。 運輸箱結構示意如圖1 所示,臺架固定示意如圖2 所示。

圖1 運輸箱結構圖

圖2 臺架固定示意圖

1.2 作業過程

運輸箱在公司與客戶間反復流轉使用，運輸箱到達客戶端,客戶拆箱取出臺架產品后，將四塊側板、護杠和連接螺栓躺置于箱體底座中，蓋板置于其上并連接固定，多層摞放運回公司。因此，公司臺架裝箱之前先得進行拆箱，作業便由拆箱和裝箱2 環節組成。 過程如圖3 所示。

2 裝箱流水線設計

2.1 總體方案

裝配線可以分為多種類型， 根據其組織形式，可以分為傳統的直線和U 形線， 相比直線裝配線，U 形線裝配線能夠提供更靈活、更高效的生產[1]。根據公司臺架和運輸箱的具體形狀、尺寸、重量，需要完成的工作內容、生產場地情況，裝箱線體采用U 形線布局，運輸箱輸送采用隨行輕軌車輸送，輕軌線體兩端設置移行機實現變向輸送。臺架由電瓶車從上序裝配車間運到本線臺架下料點，由本線的兩個空中桁架機械手在人工操作下抓取下料、分裝、并安裝到運輸箱內。運輸箱的拆解和裝配分別在前進線與返回線對應的位置,依靠懸掛助力工具抓取，并在兩線間搬運,直接完成拆解與裝配。整條線采用PLC 控制，并與工控機通訊，實現條碼掃描以及統計、記錄追溯資料等功能。 流水線整體布局如圖4 所示。

2.2 工藝流程

在滿足作業過程和線體設計生產節拍要求下，結合所有裝配動作工時測算結果，對各工位能夠安排的作業內容進行優化組合， 確定了裝配線體的工藝流程，如表1 所示。

2.3 實現過程

2.3.1 上料系統

運輸箱凈重550 kg、臺架凈重1 000 kg、裝箱后成品重超2 500 kg，人力無法完成上料。 鑒于1 工位成品運輸箱下線、空運輸箱上線落位精度較低，為提高上下線、成品周轉及碼放效率，此工位使用叉車完成上下料。臺架吊入箱體行程固定，動作單一，與天車相比，龍門桁架機械手定位精度高，更靈活、速度更快，4、5、6 工位使用桁架機械手完成起吊和運輸。 拆、裝蓋板、側板靠人力完成強度大、安全隱患高，2、3、8、9 工位使用轉臂起重吊具輔助完成蓋板和四塊側板的提放及移動。

圖3 臺架裝箱作業

圖4 流水線總體布局

表1 流水線體工藝流程

2.3.2 輸送系統

輸送系統由輕軌輸送線、輕軌車、移行系統和驅動裝置組成。 輸送線為平行鋼軌，通過膨脹螺栓直接在地面上固定并調平，包括前進線和返回線。 輕軌車在輕軌輸送線上運行，通過掛鉤兩兩首尾相連形成列車，由驅動裝置帶動整條列車一起運動。 運輸箱放在輕軌車的定位塊上，操作者可以在塌臺與輕軌車上行走及操作。移行系統負責在前進線與返回線之間傳輸輕軌車， 輕軌車驅動裝置將輕軌車從6/10 工位輸送至移行機上，脫鉤機構頂起，使6/10 工位與前一工位相連輕軌車脫鉤，分離對接裝置將輕軌車拉到移行輸送車上，移行輸送車橫向移動，將輕軌車輸送至返回/前進線側，分離對接裝置將輕軌車推動前行并與前面輕軌車對接，輕軌車驅動裝置將輕軌車從移行輸送車上拉出，移行輸送車返回上料線側。

2.3.3 控制系統

流水線體控制系統采用PLC 控制與工控機通信技術，在無人干預下，流水線體桁架機械手、輕軌輸送線和移行系統自動運行，完成設定動作[2]。通過控制面板設置線體工作節拍，通過條碼掃描系統實現臺架和運輸箱條碼的掃描錄入，建立對應關系，便于追溯查詢，通過液晶顯示裝置實現各工位的裝配信息、產量完成情況和線體故障的動態顯示和報警。

2.3.4 安全防護裝置

流水線體周圍配備0.5 米高工作踏板，供操作者行走和工作，整體采用角鋼及花紋鋼板焊接，塌臺邊緣裝有護欄，防止操作者掉落。 移行機及危險區域采用鋁型材框架甲鋼絲網防護， 配備光電檢測裝置，防止危險發生。過道處設置鋼管防撞梁，以免損傷設備。

3 應用情況

經過方案設計、論證和確定，零部件加工，線體安裝調試和驗收， 公司成功裝配了自動裝箱流水線，投入使用至今運行良好，達到了專用設備臺架自動化裝箱、裝箱效率提升和人員勞動強度降低的目標。

4 結論

（1）裝箱線體采用水平矩形線排列方式，運輸箱的拆解和裝配在前進線與返回線對應工位同時工作，實現了運輸箱拆裝過程的無縫對接，節省了箱體部件的緩存區域，縮短了裝箱節拍。 裝箱時間由每箱960 s降為600 s，效率提高37.5%。

（2）臺架下料及裝箱，蓋板與四塊側板的拿取、落位均由機械手、起重吊具輔助完成，氣動擰緊機代替普通扳手完成連接螺栓緊固，人員勞動強度和安全隱患大幅下降，產品質量得到有效保障。