工程機械中薄鋼板自動化下料系統設計及實施

方 羽，趙天生

（中機中聯工程有限公司，重慶 400050）

0 引言

在中國提出“中國制造2025”的大背景下，眾多裝備制造企業開始向智能制造邁出堅實的步伐，根據《國家智能制造標準體系建設指南》總體要求［1－2］，建設引領制造業各個領域的燈塔級智能工廠，采用智能化，自動化，信息化技術，如機器人關節臂，航桁架機械手，自動化輸送等手段結合MES系統實現少人化甚至無人化，提高生產效率，降低勞動強度［3－5］。潘小華［6］研究并設計了厚板的沖壓自動上下料生產線設計，完成了厚板件液壓精沖生產整個工作流程自動化；陸葉［7］針對3C產品基于工業機器人實現了產品生產的自動化和無人化。

傳統裝備制造多是采用單機下料模式，人員勞動強度大，自動化率低、生產效率、切割質量、切割精度及人均產值較低，且切割設備空載率較高，此外，等離子切割過程中的煙塵對操作者身心健康影響較大，已經遠遠不能滿足瞬息萬變的市場需求［8］。鞠云鵬等［9］研究了鋼板切割下料最優組合；現有技術中，夏志亭［10］提出了一種鋼板切割系統，將下料切割機排成一排，每臺切割機后端串聯分揀工位，然后空托盤專門設置一條返回線，此種方案占地面積較大，在不同分揀線上的相同零件或者相同工序的零件很難碼垛至相同托盤中，需要二次集配，且此種方案的分揀仍然是人工分揀，人工勞動強度較大［11］。采用工業機器人實現零件自動揀選替代人工重復性工作，降低勞動力強度并提高生產效率成為發展趨勢［12－13］。本套自動化下料系統采用程控行車，設置在鋼料堆場附近，其配備有真空吸盤吊具，將切割所需的鋼板由鋼板碼垛區吊入至自動輸送線單元中對應的鋼料托盤上。其通過高效的輥道輸送線單元和高效的RGV小車接駁單元，將生產所需的每張板材以及鋼板切割所獲得的零件有序的輸送到指定的數控切割機位置和分揀工位，使鋼板的輸送、切割、分揀等環節精準銜接，保證生產節拍的連貫性，實現了柔性分揀，大幅提高了鋼板下料的效率，此外，切割布置成串并聯混合機群式布置形式，切割托盤輸送層與切割機設計成上下層關系，兩臺切割機同時叫料產生的擁堵，提高了設備利用率，等離子切割機以及激光切割機的附屬除塵設備采用搭設二層平臺的模式，節約了占地面積。

1 下料零件特點及工藝流程

（1）下料零件特點

本規劃下料原材料材質以低碳鋼Q235以及低合金鋼高強度鋼Q345為主，年切割鋼板12萬t左右，年按照使用鋼板張數統計，中薄板（此處定義板厚小于或等于30 mm）占比將近80%～90%。此外，零件形狀復雜，尺寸差異較大，薄板件切割后極易產生翹曲變形。下料作為五大工藝的龍頭工序，且下料與焊接作為工程機械生產中重要的工序，尤其是自動化焊接技術的廣泛應用，對下料件的尺寸精度提出了越來越高的要求［8］，切割質量以及精度對焊接質量有著至關重要的影響。

（2）工藝流程

傳統切割下料工藝流程：貨車將鋼板卸至卸貨區，對鋼板進行抽檢，合格后卸至鋼板存放區，線邊鋼材庫WMS系統對鋼板進行管理，并根據生產任務下發，確定需切割鋼板。鋼板自動上料，自動輸送，切割前零件自動噴碼（鋼板托盤緩存區），切割機自動巡邊后完成鋼板切割，當天的切割任務已經提前生成，在下發鋼板切割任務的同時零件排樣已經分配到分揀工位進行自動解析，并完成小零件自動分揀，中大件桁架機械手分揀以廢料處理，空托盤再返回至起始上料工位。智能化下料工藝流程如圖1所示。

圖1 智能化下料工藝流程

2 下料產線設計方案

2.1 設備節拍計算

根據項目生產綱領要求，計算得出平均每天切割鋼板180張，生產班制為一年工作300天，每天2班，每班8 h，得出要求單張鋼板下料節拍為：2×8×60／180＝5 min。綜合考慮智能行車吊運單張鋼板上料單個循環節拍為3～4 min。

2.2 設計方案

考慮鋼板切割量較大，下料節拍較快，規劃采用多臺切割機同時工作的機群式下料。無人化下料系統組成：智能行車自動起吊鋼板；格柵托盤載著鋼板；輥道輸送托盤；液壓缸頂升托盤與切割機組成切割臺面；輥道輸送切割后的托盤至分揀區；機器人關機臂以及桁架機械手實現零件自動分揀，分揀后的空托盤被輸送至升降工位；然后空托盤通過下層輥道返回至上料區繼續載鋼板，實現連續流水式生產。自動化下料線生產流程設計如下。

（1）首先，帶有真空吸盤的智能天車自動將鋼板碼垛區的鋼板吊運至上料工位的移動式格柵托盤上。

（2）上層輥道將載著鋼板的托盤輸送至平移機構1處，根據系統調度，由平移機構1將鋼板分配到不同的切割機組（圖2列舉了切割機組1，切割機組2，切割機組3，均為激光切割機），切割機分組根據場地空間以及節拍進行規劃設計，載著鋼板的托盤提前被輸送至切割機組前端的等待工位進行噴墨打碼。

圖2 無人化下料系統規劃

（3）當任意一組切割機的鋼板切割完后（圖3），等待工位上的載著待切割的鋼板輸送至切割機正下方，通過上層輸送輥道的正下方的6個電動缸將托盤頂起（圖4），格柵托盤與切割機組成切割臺面，切割機自動尋邊對鋼板進行切割。

圖3 原材料及自動上料區

圖4 切割單元及頂升示意圖

（4）完成切割后的鋼板，通過6個電動缸縮回，將載著切割后的鋼板托盤下降至上層輸輥道上，輥道繼續將切割完成托盤輸送至切割后端的切割后鋼板緩存工位。

（5）待后端托盤分揀完后，平移機構2將各個切割機組的切割完成的托盤統一輸送至分揀區，圖5（a）為激光切割機組的后端分揀單元的設計方案，上層輥道將托盤輸送至小件分揀工位，機器人完成小件自動分揀，而后通過輥道輸送至中大件分揀工位，采用桁架機械手完成中大件自動分揀；圖5（b）為等離子切割機組時后端分揀單元的設計方案，由于等離子切割的零件帶有嚴重割渣，需增設二次分揀線，機器人將小件分揀至輸送帶上，并通過小件砂光機進行砂光后再由二次碼垛機器人分揀至托盤中；分揀完小件的托盤通過輥道輸送至中大件分揀工位，桁架機械手將中大件分揀至大件砂光校平線上，首先通過大件砂光機去割渣，由于等離子切割熱輸入量較大，因此，零件還需要通過校平機校平，校平后的中大件通過輥道輸送至中大件下線碼垛工位，桁架機械手自動將中大件分揀下線碼垛。

圖5 自動分揀區

（6）分揀零件大小尺寸定義如表1所示，切割托盤的格柵間隙尺寸為60 mm×60 mm，單邊零件尺寸小于100 mm，邏輯判定為人工處理，集中到后端廢料清理工位揀選；雙邊零件尺寸大于或等于100 mm時，采用機器人或桁架機械手自動分揀。

表1 分揀零件尺寸定義

（7）載著廢料的托盤通過上層輥道輸送至廢料清理工位，通過一側的液壓缸將托盤一側舉起傾斜，將廢料及極小件導入廢料框中，而后液壓缸收回，空托盤回到上層輥道上。

（8）輥道繼續將空托盤輸送至最后的升降工位2處，空托盤與上層輥道段降至與下層輥道齊平，空托盤通過最下層輥道返回至升降工位1處，繼續等待智能行車上料；切割機正上方設置鋼平臺放置切割機除塵設備。

3 驗證與分析

（1）相比與傳統的單機下料模式，創新性提出了智能行車＋托盤＋輥道輸送＋切割機組的智能化下料方案，即智能行車自動將鋼板上料至托盤中，托盤載著鋼板通過輥道輸送到切割機正下方，頂升裝置將托盤頂起與切割機組成切割臺面，實現了從鋼板上料，輸送以及切割的自動化。

（2）針對鋼板切割量大，節拍快，提出采用雙層輥道輸送的模式，上層輥道輸送載著鋼板的托盤，空托盤下層返回方案，實現了連續生產且提高了廠房空間利用率，節約了占地面積。

（3）和傳統人工分揀相比，分揀區先進性在于采用機器人加視覺系統實現小件自動分揀，桁架機械手自動分揀大件，降低了工人勞動強度，提高了生產效率，實現分揀自動化，智能化。

（4）傳統等離子切割后的掛渣零件，多為人工線下打磨，勞動強度大，車間環境差，本規劃分別在小件分揀線和大件分揀線上設置了自動砂光機，可根據帶砂光零件的厚度，自動調整砂帶間距，同時減少了零件轉運，使零件掛渣去除實現了自動化和智能化。

（5）傳統零件校平，多為人工輔助上下料，工人勞動強度大，本規劃將校平機與大件分揀線并聯設計，根據需校平零件信息自動調整校平機上下輥之間間距，減少了物料轉運次數，實現零件校平自動化和智能化。

（6）傳統切割機和除塵設備并行設置，占地面積較大，面積利用率不高的問題，該規劃將增設二層鋼平臺放至切割機除塵設備，不僅可以切割機留出檢修通道，提高廠房空間利用率。

項目投產后自動化生產線順利達產，平均每天切割鋼板180張，如圖6所示。

圖6 生產現場

4 結束語

該自動化下料系統自動化程度高，設計合理，安全可靠，滿足工程機械行業板厚小于或等于30 mm厚的鋼板切割且下料節拍快的生產。首次創新性提出了智能行車＋移動式切割工作臺＋輥道輸送＋機器人或桁架機械手的集成方法實現下料產線的全自動化。降低了工人勞動強度和安全風險，提高了生產效率，打破了傳統的單機下料模式，自動化程度低，工人長時間處于惡劣生產環境，設備空載率高的壁壘。該生產系統采用了工業機器人和桁架機械手等自動化裝備，提高了下料產線柔性和靈活性，可滿足臨時插單，人機協同。此外，該系統采用集中上料、集中分揀以及集中廢料處理，降低了物料轉運距離以及設備空載率。