船體型材智能加工生產(chǎn)線工藝需求分析

馬月勝， 顧 勝， 林光裕

(1.上海中船臨港船舶裝備有限公司， 上海210000； 2.上海船廠船舶有限公司， 上海210000)

0 引 言

在現(xiàn)代船舶制造業(yè)中，幾乎所有船型都會(huì)大量使用型材，船體型材的使用量占船體全部鋼材用量的20%～30%。其中，冷彎型材具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、環(huán)保節(jié)能、安裝方便等優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

型材切割和冷彎技術(shù)作為重要的加工手段，占有非常重要的地位。目前，造船用型材的加工涉及的品種和規(guī)格多、工件輪廓線型復(fù)雜、加工要求高、切割冷彎工作量巨大。在船廠型材的加工主要以手工為主，部分船廠在切割方面引入國(guó)外機(jī)器人切割生產(chǎn)線系統(tǒng)，在加工方面引入數(shù)控冷彎設(shè)備，但沒(méi)有形成從切割、坡口加工到冷彎成形的柔性化生產(chǎn)線。傳統(tǒng)型材加工方式存在如下問(wèn)題：

(1) 耗費(fèi)人工多，材料浪費(fèi)量大；

(2) 多工位離散作業(yè)，占用生產(chǎn)場(chǎng)地大，生產(chǎn)效率低；

(3) 加工精度不穩(wěn)定、質(zhì)量差、差錯(cuò)率高；

(4) 加工質(zhì)量過(guò)程不便于追溯。

隨著中國(guó)船舶行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要，落后的傳統(tǒng)型材加工方式已不能滿足船舶行業(yè)智能制造的現(xiàn)實(shí)需求，亟需開展數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的型材加工生產(chǎn)線研制，為船舶行業(yè)的智能化發(fā)展提供示范應(yīng)用模板。

型材智能加工生產(chǎn)線的研制應(yīng)用可解決傳統(tǒng)型材加工方式的弊端，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 操作人員少，加工精度高；

(2) 型材切割冷彎成形形成柔性生產(chǎn)線，場(chǎng)地占用少，生產(chǎn)效率高；

(3) 型材加工精度穩(wěn)定、質(zhì)量好、差錯(cuò)率低；

(4) 加工質(zhì)量過(guò)程可追溯；

(5) 形成典型的智能制造生產(chǎn)線，為船舶行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供示范效應(yīng)。

本文通過(guò)開展型材智能加工生產(chǎn)線研制推廣應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)球扁鋼、T型材、角鋼、扁鋼等型材的智能化切割和數(shù)控冷彎成形加工，形成一條柔性化的型材智能加工生產(chǎn)線，提高加工精度和效率[1]，為推動(dòng)船舶制造向智能化方向發(fā)展提供典型生產(chǎn)線示范應(yīng)用。

1 國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)分析

國(guó)外船體部件制造關(guān)鍵工藝裝備的研發(fā)起步較早，基礎(chǔ)較雄厚，投入較大，在許多方面取得了顯著的成績(jī)。

荷蘭HGG公司、日本小池酸素株式會(huì)社等公司在船體型材切割裝備方面走在世界前列，開發(fā)的船體型材切割生產(chǎn)線在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)各大船廠也引進(jìn)了上述公司的近二十條生產(chǎn)線。圖1為日本小池酸素株式會(huì)社數(shù)控等離子坡口切割機(jī)。國(guó)內(nèi)型材切割冷彎具有非常廣闊的市場(chǎng)：目前上海船廠船舶有限公司、滬東中華造船(集團(tuán))有限公司等十幾家單位使用的型材機(jī)器人切割生產(chǎn)線都是由國(guó)外公司生產(chǎn)的，這些型材機(jī)器人切割生產(chǎn)線基本都達(dá)到了使用壽命周期；國(guó)內(nèi)許多中小船廠也有型材機(jī)器人切割生產(chǎn)線的需求。

在型材彎曲成型裝備方面，目前德國(guó)IMG公司、英國(guó)SMITH公司、瑞典SMT-PULMAX公司、日本FUJI公司、意大利Manesmann Demag鋼鐵公司等占領(lǐng)全球肋骨冷彎?rùn)C(jī)工業(yè)化應(yīng)用的主要份額[2]。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，武漢理工大學(xué)等許多專家單位在數(shù)控肋骨冷彎工作方面取得了原創(chuàng)性的成果，成功研制了肋骨冷彎?rùn)C(jī)。2006年武漢理工大學(xué)在肋骨加工領(lǐng)域再次取得重大進(jìn)展，成功研制“肋骨冷彎加工機(jī)器人”[3]。

圖1 日本小池酸素株式會(huì)社數(shù)控等離子坡口切割機(jī)

2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)船體部件制造的關(guān)鍵工藝裝備的研發(fā)起步較晚，基礎(chǔ)較薄弱，投入相對(duì)不足，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，除少數(shù)領(lǐng)域外，在許多方面都存在不小的差距。

2.1 型材切割

國(guó)外型材機(jī)器人切割生產(chǎn)線的生產(chǎn)廠家主要有荷蘭HGG公司，其技術(shù)相對(duì)成熟，采用機(jī)器人等離子切割，具有噴墨打碼、劃線等功能，但是其價(jià)格高昂，一條型材機(jī)器人切割生產(chǎn)線的價(jià)格在800萬(wàn)元人民幣左右。目前國(guó)內(nèi)大型骨干船廠均配置了型材機(jī)器人切割生產(chǎn)線，大多使用的是荷蘭HGG公司產(chǎn)品，這些生產(chǎn)線由于使用年限已久，大多故障頻發(fā)，維護(hù)費(fèi)用高昂，讓船企不堪重負(fù)。

2.2 肋骨冷彎

目前國(guó)外船舶型材冷彎加工主要是手工操作，還沒(méi)有全自動(dòng)的數(shù)控裝備。英國(guó)HUGH SMITH公司和瑞典URSVIKEN公司的肋骨冷彎?rùn)C(jī)的加工對(duì)象分別為：球扁鋼(單球頭)、角鋼和T型鋼等，加工過(guò)程均不能進(jìn)行數(shù)字化控制。

在肋骨冷彎加工裝備方面，上海船舶工藝研究所、武漢理工大學(xué)等單位已有原創(chuàng)性成果，上海船舶工藝研究所已有數(shù)十臺(tái)數(shù)控肋骨冷彎?rùn)C(jī)成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各船廠。1997年上海船舶工藝研究所研制成功了國(guó)內(nèi)首臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控肋骨冷彎?rùn)C(jī)，并交付船廠實(shí)際生產(chǎn)使用，使肋骨冷彎加工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，填補(bǔ)了“數(shù)字化造船”在肋骨型材彎制加工領(lǐng)域的空白。之后，該所的數(shù)控肋骨冷彎?rùn)C(jī)產(chǎn)品完成了系列化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，并且在彎制工藝、控制系統(tǒng)、機(jī)-電-液執(zhí)行機(jī)構(gòu)等方面都按照生產(chǎn)實(shí)際使用情況進(jìn)行了不斷改進(jìn)和優(yōu)化，滿足了我國(guó)船舶建

造快速發(fā)展的需求。數(shù)控肋骨冷彎?rùn)C(jī)雖然已有成果，但智能化程度還不足，尤其在型材彎制工藝和彎曲精度檢測(cè)方面亟需進(jìn)一步研究和提高[4]。

3 型材加工工藝需求分析

3.1 船體型材切割設(shè)備工藝需求

以主力船型為箱船、散貨船、重吊船、海洋工程輔助船等的船舶建造需求為例，型材加工材料常用型號(hào)主要有球扁鋼和角鋼，型材加工工藝需求需綜合考慮以下因素：

(1) 型材原料長(zhǎng)度；

(2) 型材切割球扁鋼、角鋼所占比例；

(3) 型材切割月需求量；

(4) 型材冷彎月需求量；

(5) 型材切割精度要求；

(6) 切割坡口角度及其精度要求；

(7) 切割正反坡口占比要求；

(8) 型材冷彎彎曲率及精度要求。

圖2為智能型材切割機(jī)器人，能夠滿足上述切割工藝要求。

圖2 智能型材切割機(jī)器人

3.2 送料系統(tǒng)、下料系統(tǒng)工藝需求

功能：型材輸送輥道系統(tǒng)，采用板鏈輸送方式，用于輸送縱、橫向材等零件。

配置：電機(jī)減速機(jī)、鏈輪、鏈條、驅(qū)動(dòng)輥道。

參數(shù)：輥道寬度為1 200 mm；輥道長(zhǎng)度為156 000 mm；輥道上表面標(biāo)高為500 mm；輸送速度為6 000 mm/min；輥道負(fù)載能力為3 t/m。

設(shè)備信息化需求：

(1) 預(yù)留信息化網(wǎng)絡(luò)接口，可實(shí)現(xiàn)工位與工廠互聯(lián)網(wǎng)和其他工位或設(shè)備的互聯(lián)互通，為后期信息化智能化制造預(yù)留空間；

(2) 可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)下載工作計(jì)劃和工藝數(shù)據(jù)，可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳工位操作員、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、任務(wù)完成情況的管理數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)督、生產(chǎn)質(zhì)量跟蹤的數(shù)字化和智能化管理；

(3) 可根據(jù)需求設(shè)置看板，看板內(nèi)容可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)??；

(4) 可根據(jù)需要設(shè)置讀碼器、打碼器，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的數(shù)字化管理。

圖3和圖4分別是送料、下料系統(tǒng)和自動(dòng)送料分類系統(tǒng)，能夠滿足上述切割工藝要求。

圖3 送料、下料系統(tǒng)

圖4 自動(dòng)送料分類系統(tǒng)

3.3 船體型材冷彎工藝需求

數(shù)控冷彎?rùn)C(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 型材冷彎工藝需求參數(shù)

圖5為數(shù)冷彎?rùn)C(jī)，其加工能力可滿足上述表中各種冷彎工藝參數(shù)需求。

圖5 數(shù)控冷彎?rùn)C(jī)

4 結(jié) 語(yǔ)

型材智能加工生產(chǎn)線的推廣應(yīng)用對(duì)于我國(guó)船舶行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要的示范效應(yīng)，不但可以提高型材加工的精度、生產(chǎn)效率，而且突破了型材切割、冷彎成形上下道生產(chǎn)工序間互聯(lián)互通的技術(shù)瓶頸，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)造船行業(yè)型材加工領(lǐng)域的空白。