船用T型材自動焊接生產(chǎn)線的設計與應用

汪彥鈞

(中船第九設計研究院工程有限公司， 上海 200063)

0 引 言

船用T型材構件在船舶建造中起著關鍵作用，其用量可達整體用鋼量的20%左右，其生產(chǎn)效率和質量直接影響到船體建造的速度和水平。為能大批量、優(yōu)質高效、綠色環(huán)保地生產(chǎn)T型材構件，需配置專用的焊接生產(chǎn)線。然而，目前T型材焊接生產(chǎn)線配置到位的船廠并不多，有些船廠即使有相關配置，也存在自動化程度不足、生產(chǎn)線無法與車間制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES)聯(lián)通等問題，仍處在機械化和半自動化水平，制約了企業(yè)效率提升和產(chǎn)業(yè)鏈資源整合。推動T型材自動化焊接生產(chǎn)線的應用，對于船舶工業(yè)實現(xiàn)精益生產(chǎn)和管理，向智能制造轉型升級而言具有重要意義。本文以某大型船企建造的T型材自動焊接生產(chǎn)線為例，簡要介紹其設計和應用情況，供相關人員參考。

1 項目概述

該T型材自動生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品的技術規(guī)格為：面板寬度90～400 mm,厚度10～38 mm，腹板高度180～800 mm,厚度7～25 mm;T型材長度3 000～20 000 mm，材質為船用A級、B級、D級鋼及AH32、AH36、DH32和DH36。船用T型材典型產(chǎn)品見圖1。

圖1 船用T型材典型產(chǎn)品

以上規(guī)格的T型材涵蓋絕大多數(shù)船型修造需求，既能滿足船廠自身船舶產(chǎn)品配套的需求，又可為其他船廠提供外協(xié)服務，生產(chǎn)線使用率較高，可有效提高企業(yè)的整體生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

2 工藝設計

設計以圍繞現(xiàn)有設施進行規(guī)劃、工藝流程簡捷順暢、運輸路線短和整體布局緊湊為原則。考慮作業(yè)條件、上下道工序銜接和施工節(jié)拍，發(fā)揮機械效能，減少勞動負荷，提高生產(chǎn)自動化程度。

2.1 生產(chǎn)工序與過程

生產(chǎn)工藝流程為：將切割好的面板和腹板分別放在托盤內，運至上料區(qū)→平吊至輸送輥道和腹板托架上→面板對中和腹板翻轉90°預裝配→端部對正裝配、定位點焊和面板倒棱→橫移儲存→吊運至焊接平臺對正夾緊→門式焊接機焊接T型材→焊后檢修→吊運至矯直機矯正→吊至整理區(qū)裝托盤→重復以上過程，循環(huán)生產(chǎn)。

該生產(chǎn)線布置在車間168.0 m×14.5 m區(qū)域內，其總布置圖見圖2，建設完成之后的整體概貌見圖3。

注：1為定位焊輸送輥道； 2為面板定位裝置； 3為腹板定位裝置； 4為組立倒棱一體機；5為橫移出料裝置； 6為焊接平臺夾緊裝置； 7為焊接平臺翻起機構； 8為14電極自動門式焊接機； 9為立式矯正機圖2 T型材自動焊接生產(chǎn)線總布置圖

圖3 T型材自動焊接生產(chǎn)線概貌

2.2 生產(chǎn)節(jié)拍與產(chǎn)能

該自動生產(chǎn)線采用工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式，以工位為作業(yè)組織單元，按節(jié)拍化均衡生產(chǎn)的方式，以流水式作業(yè)組織生產(chǎn)，達到提高效率、提升品質、穩(wěn)定和有序生產(chǎn)的效果，適應當前精益生產(chǎn)模式的發(fā)展形勢。

按生產(chǎn)綱領和物量分解，工廠年T型材消耗量為3 000 t(30 000根)，兩班制，年工作日為250 d，日型材消耗量為120根。生產(chǎn)線節(jié)拍和產(chǎn)能計算結果見表1。每天工作2班的日型材生產(chǎn)量為140根，滿足日型材消耗量120根的要求。

表1 生產(chǎn)線節(jié)拍和產(chǎn)能計算結果

3 各工位組成及技術參數(shù)

該T型材自動生產(chǎn)線包括面板上料、腹板上料、T型材裝配和面板倒棱、T型材裝配后的橫移儲存、T型材焊接和T型材矯正等6種工位。

3.1 面板上料

面板上料2個工位分別完成2組面板的對正和輸送。每個工位各有20 m輸送輥道1套、面板定位裝置5套。面板進入輥道之后，按定位裝置預先設定好的導向對中輪進行定位，氣缸夾緊自動對中。面板上料工位定位裝置見圖4。

圖4 面板上料工位定位裝置

3.2 腹板上料

腹板上料2個工位分別完成2組腹板的儲存、90°翻轉和T型材的預拼裝。在同一工位中，一側為旋轉系統(tǒng)，另一側為托料架和翻轉系統(tǒng)。當面板上料定位好之后，旋轉系統(tǒng)臂自動旋進90°(見圖5a)，翻轉系統(tǒng)臂翻轉90°(見圖5b)，通過電磁鐵吸附，將吊放在托料架上的腹板翻起，自動豎立并對中落在面板上，完成T型材預拼裝，同時雙側的臂對腹板起到定位扶持的作用。圖5c為腹板定位裝置設備實物。

圖5 腹板上料工位定位裝置

3.3 T型材裝配和面板倒棱

裝配和面板倒棱2個工位分別完成2組T型材的精確裝配、定位點焊和面板倒棱。每個工位各有1套組立倒棱一體機(見圖6)，裝配速度為500～6 000 mm/min，倒棱圓弧

R

≥3 mm。

圖6 T型材裝配倒棱設備

組立機是一種在大批量生產(chǎn)中對形狀比較簡單而規(guī)則的產(chǎn)品或部件進行機械化組裝的專機，整個組裝和定位焊過程由可編程序控制器全自動程序控制，定位焊縫長度、焊接速度、間隔距離和兩焊縫之間的空程移動速度可預先設定，定位焊過程可自動完成。

組立機輸入輥道配有多組定位機構，對面板和腹板再次粗定位校準，在組立機內部，上端有4組腹板定位裝置，下部有4組面板定位裝置，一側機械聯(lián)動精確定位，另一側液壓迫近，根據(jù)腹板和面板的寬度自動調整對中，上托輥與輸入輥同平面，下壓輥將腹板下壓緊貼在面板上，確保組立的精度。

定位點焊采用1套OTC CPVE500(S-2) 數(shù)字式氣體保護焊焊接電源，點焊裝置端部導向輪在彈簧的作用下始終跟隨焊縫，保證焊絲一直對著焊縫進行點焊。焊槍由氣缸伸縮帶動進入焊接位置，2把焊槍同時起弧，自動進行點焊。

面板倒棱機用于進行毛邊修理和銳邊倒鈍，其2對主壓輥構成一個與面板尺寸相匹配的型腔，通過液壓缸使每對主壓輥保持一定的相對壓力。當面板在輸送輥和主壓輥輸送下按一定速度通過型腔時，由于型腔的4個角有小圓角過渡，面板4個角受擠壓力影響也會出現(xiàn)銳角變鈍、毛刺脫落，達到倒棱成R型的效果。

組立定位點焊速度與倒棱修邊的速度相匹配，進行聯(lián)動控制。

3.4 T型材裝配后的橫移儲存

橫移儲存2個工位完成T型材的緩沖儲存和工序轉移。每個工位包括20 m輸出輥道和橫移出料裝置各1套。橫移出料裝置為6組采用大排鏈傳送的平行移料機，一端通過鉸軸連接，另一端通過油缸頂升，當組立裝配好，倒過棱的T型材需要橫移時，平行移料機升起110 mm，將工件送出輥道并儲存，每工位緩沖儲存量不少于7根。

3.5 T型材焊接

T型材焊接3個工位，包含1套焊接平臺和1套14電極門式自動焊接機，用于完成T型材的雙邊焊接。焊接平臺長66 m，在長度方向上可同時放置3根長工件，在橫向上可放置7根工件，一次性可放置21根最大工件。

若不加約束，在自由狀態(tài)下焊接T型材角焊縫，會因焊縫與梁斷面重心線不重合、焊縫縱向收縮等引發(fā)彎曲變形，型材上拱，此時為控制變形，需設置夾緊裝置。該夾緊裝置為橫向布置的7組液壓夾緊機構(見圖7)，平臺縱向間隔3.0 m/2.5 m/3.5 m，共布置21組夾緊裝置，對T型材進行自動夾緊定位，固定在焊接平臺上。另外，在焊接平臺上內藏6組翻轉機構，焊接完畢之后翻起，防止焊后T型材松開夾緊裝置時翻倒。

圖7 焊接平臺夾緊與防倒裝置

門式焊接機是一種焊機變位機械，主要功能是實現(xiàn)焊接機頭的水平移動和垂直升降，使其達到施焊部位，在大型焊件焊接或無法實現(xiàn)焊件移動的自動化焊接場合使用。本線配置14電極門式自動焊接機(見圖8)，由導軌底座、龍門臺架、焊接系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成，沿工件長度方向運動，完成型材縱向水平角焊的焊接。

圖8 14電極門式自動焊接機

焊接方法為雙面單弧單絲CO氣體保護焊，將14臺OTC產(chǎn)CPVE630G數(shù)字焊機放置在行走龍門架第一層平臺上，將焊絲桶及送絲機構、除塵系統(tǒng)放置在第二層平臺上，通過送絲軟管與焊槍連接，可同時焊接7根T型材，單道焊腳高度為4.5～8.0 mm，焊接速度為100～2 000 mm/min。焊槍上方裝置集煙管道，對焊接煙塵進行收集之后，集中除塵凈化。

由于T型材結構形式已確定且焊縫較長，焊槍位姿的選擇只需保證焊縫成形即可，調試時確定合適的位姿即可將其作為不變量保留在程序中。自動焊接機工作時，輸入型材數(shù)量和規(guī)格，焊槍自動移動到相應水平位置并調整到焊接高度，如因型材尺寸偏差，可通過手動微調機構進行對正。

焊縫跟蹤采用接觸式伺服跟蹤器(見圖9)，其跟蹤頭的指針(叉狀)浮貼靠在T型材腹板和面板兩側，對焊縫位置變化進行實時跟蹤，將其左右/上下的位置偏差數(shù)據(jù)(靈敏度±0.2 mm)傳遞給跟蹤頭內的傳感器，通過控制器驅動伺服移動體，實時調整焊槍上下和左右位置；跟蹤器還具備自動尋位功能，在自動模式下焊槍會自動尋找焊接起始位置，啟動按鈕直接焊接，過程中無需人工干預。控制系統(tǒng)可儲存焊接工藝參數(shù)，可根據(jù)不同工藝參數(shù)隨時調用。

圖9 接觸式伺服跟蹤器

3.6 T型材矯正

T型材矯正工位完成T型材的面板角變形、上拱和旁彎矯正。矯正機設備由廠方提供，無需另行設計，此處不作贅述。

4 管理系統(tǒng)平臺

生產(chǎn)線集控中心設有管理系統(tǒng)平臺，為整條生產(chǎn)線提供信息化管理方面的數(shù)據(jù)，為船廠智能制造提供數(shù)字化基礎，其功能包括：

1) 經(jīng)由現(xiàn)場地面操作站的工控電腦，以以太網(wǎng)方式，通過傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)/網(wǎng)際協(xié)議(Internet Protocol，IP)通訊，采集現(xiàn)場設備可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的實時數(shù)據(jù)并將其上傳至平臺，監(jiān)控生產(chǎn)線上各工位設備的狀態(tài)；

2) 接收由上級企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)或MES下發(fā)的、或集控室現(xiàn)場輸入的生產(chǎn)計劃工單之后，基于設定的工廠工藝模型對生產(chǎn)工單進行解算，進行生產(chǎn)作業(yè)管理和生產(chǎn)節(jié)拍協(xié)調；

3) 對生產(chǎn)線上的產(chǎn)品進行追溯。整條T型材裝焊生產(chǎn)線在其產(chǎn)線入口和出口處，以及線上部分需人工操作行車吊運工件的地方，通過手持掃碼槍掃描二維碼/條形碼的方式獲取物料信息，或掃描存在故障時人工錄入，并與管理系統(tǒng)平臺進行實時通信，與生產(chǎn)作業(yè)計劃進行對比，確保生產(chǎn)物料規(guī)格在整個生產(chǎn)過程中準確無誤，完成物料從上線到下線的生產(chǎn)跟蹤管控和質量安全保障。

4) 進行設備臺賬管理，并對生產(chǎn)線各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，生成設備使用效率清單，并根據(jù)設備使用情況推薦維護保養(yǎng)計劃。

5) 進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，提供消耗原料、能耗、良品廢品、設備損耗、人員配置和生產(chǎn)線效率數(shù)據(jù)等方面的曲線或表格，并將數(shù)據(jù)轉化為各種數(shù)據(jù)格式，提供給其他生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

生產(chǎn)線管理系統(tǒng)平臺與外部網(wǎng)絡及現(xiàn)場設備系統(tǒng)的關系見圖10。生產(chǎn)線管理系統(tǒng)平臺采用對生產(chǎn)線上工位群信息進行集中管理的工作模式，布置在集中控制大屏顯示區(qū)(見圖11)。前期為保證工廠正常安全生產(chǎn)，僅用于生產(chǎn)線物流系統(tǒng)、各工位工作狀態(tài)的監(jiān)視和報警中，同時可下達停機指令，實現(xiàn)各工位設備出現(xiàn)故障時的急停。后期隨著生產(chǎn)線的成熟使用和整體管理水平的提升，也可擴充遠程操作等功能。

圖10 生產(chǎn)線管理系統(tǒng)平臺與外部網(wǎng)絡 及現(xiàn)場設備系統(tǒng)的關系

圖11 生產(chǎn)線管理系統(tǒng)平臺顯示屏

5 結 語

本文所述T型材自動焊接生產(chǎn)線已在船廠正式投產(chǎn)使用，相比建設前采用的半自動化生產(chǎn)，T型材平均約5萬m/月，日均完工1 800 m的產(chǎn)能，采用該生產(chǎn)線后物量得到明顯提升，已達到6萬m/月，日均完工2 400 m，同時產(chǎn)品的性能達標，滿足船舶與海工行業(yè)產(chǎn)品驗收要求，具有很強的實用性，能取得良好的社會和經(jīng)濟效益。

該項目實現(xiàn)了生產(chǎn)線的自動化和數(shù)字化，相關技術在國內處于領先水平，但受制于周邊配套設施和投資規(guī)模，離更高要求的智能化仍有很大距離。例如零件上料和組立裝配之后緩存工件移至焊接平臺，都需人工吊運，轉換生產(chǎn)不同規(guī)格尺寸工件時需重新手動調整定位對中裝置和倒棱壓輥等設備，對工人的專業(yè)化程度要求很高。建議從以下幾個方面加強：

1) 提高材料預處理與備料工序的自動化和數(shù)字化程度；

2) 采用先進的起重輸送機械，并在工位區(qū)間配置專用的區(qū)域性起重運輸設備和傳送帶，組成立體運輸網(wǎng)絡；

3) 更大程度地利用各種具備人工智能的高級傳感器，借助計算機軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)，使設備具有識別、判斷、實時檢測、運算、自動編程、參數(shù)優(yōu)化和記憶調用等功能，簡化或部分取代操作人員工作；

4) 在必要工位設置焊接機器人工作站，提高生產(chǎn)線的柔性。