平面薄板智能生產(chǎn)線方案規(guī)劃研究

王 立

(廈門船舶重工股份有限公司，福建 廈門 361026)

0 引言

船體結(jié)構(gòu)片體是主要小組立部件。傳統(tǒng)制作流程是將幾塊薄板在平臺上完成拼板、焊接、翻身后焊接、劃線，扶強(qiáng)材點(diǎn)焊，線上焊接、打磨、變形矯正，其特點(diǎn)是生產(chǎn)線占地面面積大，制造周期長，質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低、投資較少，目前我國大部分造船企業(yè)沿用該生產(chǎn)模式。郵輪、汽車滾裝船等船型近年來受到運(yùn)輸市場青睞，訂單呈上升趨勢。該類船型的薄板多，裝焊易于變形且難以矯正。目前企業(yè)建造薄板類片體仍沿用傳統(tǒng)手工裝焊方式，自動化程度不高，智能流水化作業(yè)程度低下，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到市場需求。因此，建造適應(yīng)于薄板片體生產(chǎn)流水線，對于推動智能化建造、船舶工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。

本文從總體布局、工位布局、信息系統(tǒng)等多方面對薄板平面片體智能生產(chǎn)線總體概況進(jìn)行系統(tǒng)研究，構(gòu)建了薄板平面片體智能生產(chǎn)線流程再造的理論模型，確立了薄板平面片體生產(chǎn)線建設(shè)方案。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 工作環(huán)境

薄板片體產(chǎn)品質(zhì)量要求高，需要嚴(yán)格控制生產(chǎn)線工作環(huán)境。

(1)溫濕度要求：常年平均氣溫20.6 ℃，最高氣溫45 ℃，最低氣溫2 ℃；常年平均相對濕度78%，最高濕度95%，有鹽霧。

(2)工作氣體分類要求：壓縮空氣供給壓力為0.5～0.7 MPa，含水和油；二氧化碳?xì)夤┙o壓力為0.2～0.3 MPa；氧氣供氣壓力為0.7 MPa；天然氣供給壓力為0.05～0.09 MPa。

(3)整體生產(chǎn)線設(shè)備安裝場地長為123 m，寬為17 m。工作電源為(380±10%) V，(50±1)Hz，三相交流電，且各種能源均以總接口方式供應(yīng)至設(shè)備相近的廠房柱側(cè)。

1.2 工作制及生產(chǎn)能力

此生產(chǎn)線采用每天兩班制，每班8 h，每年工作251天的工作制。除T排焊接工位外，其他工位每班生產(chǎn)能力可完成3個(gè)最大規(guī)格平面片體的建造。

1.3 適用范圍

薄板生產(chǎn)線工件適用范圍見表1。

1.4 平面薄板焊接制造工藝要求

薄板平面片體相對于中厚板片體，在切割焊接過程中受熱后極易變形且難以矯正，因此在薄板智能生產(chǎn)線中，需注意以下工藝要求。

(1)拼板需在表面平整剛度好的平臺進(jìn)行，不平整的板材需要重新較平。拼板板縫間隙控制小于等于1.0 mm,板面錯(cuò)邊小于等于0.5 mm。手工裝配采用相應(yīng)工裝調(diào)整到位，然后進(jìn)行定位點(diǎn)焊。焊條需采用小直徑(小于等于3.2 mm)，定位焊要均勻一致。焊道長約30 mm，間距約300 mm。

(2)拼板焊接釆用埋弧自動焊。在拼板板縫兩端加裝引、熄弧板，規(guī)格為100 mm×100 mm，板厚與拼板板厚相同。同時(shí)需要將焊縫兩側(cè)約30 mm范圍的銹、油污、氧化皮等清除干浄，并確定焊材和焊接工藝參數(shù)選用正確。

(3)結(jié)構(gòu)裝焊前需嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃線。薄板要先畫十字基準(zhǔn)線，再以基準(zhǔn)線為基準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃線。劃線位置有對接焊縫，要把焊縫余高磨平。磨平范圍是結(jié)構(gòu)板厚再加上兩邊的焊角，不允許大出此范圍。焊接順序是縱向骨材、綁扎杯、縱向T排、橫向T排、小構(gòu)件。焊接參數(shù)見表2。

表1 薄板生產(chǎn)線適用范圍

表2 自動角焊機(jī)焊接參數(shù)表

2 薄板生產(chǎn)線方案

2.1 生產(chǎn)線組成

依據(jù)平面薄板制造工藝要求，薄板平面片體生產(chǎn)線則用于船體平面片體的自動拼板、縱骨和T排裝配和自動焊接。生產(chǎn)線設(shè)置鋼板拼板正面焊接工位、鋼板翻身工位、鋼板拼板反面焊接工位、劃線噴碼工位、縱骨安裝工位、縱骨焊接工位、T排安裝工位、T排機(jī)器人焊接工位。

配套的自動輸送系統(tǒng)和生產(chǎn)線管理平臺,工位間物料傳送由工作平臺、輥道升降裝置進(jìn)行輸送片體，工件作業(yè)時(shí)在平臺上作業(yè)，在工位間傳輸時(shí)采用升降輥道進(jìn)行輸送。拼板采用琴鍵式液壓壓力架雙面成形焊接工藝，自動劃線采用噴墨高速劃線，縱骨焊接采用多電極高速自動化焊接，骨材角焊方式采用視覺圖像采集，智能雙機(jī)器人自動焊接。

2.2 生產(chǎn)線流程

薄板平面片體生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)滿足流水線的要求。本流水線主要功能是拼板和焊接，焊接采用“雙面焊”方法。生產(chǎn)線的工藝流程為：拼板及正面埋弧焊→翻身→反面埋弧焊→劃線噴碼→人工安裝縱骨→縱骨自動焊接→人工安裝T排→T排機(jī)器人焊接?？傮w生產(chǎn)線布局規(guī)劃見圖1。

3 工位技術(shù)要求

3.1 拼板壓力架正面焊接工位

工位設(shè)有鋼制平臺、拼板壓力架和焊機(jī)等。鋼制平臺主要完成鋼板焊前輸入工作，將放在此鋼制平臺上的鋼板通過移動裝置進(jìn)行X、Y方向的移動操作。當(dāng)工件進(jìn)入拼板壓力架后，鋼板錯(cuò)邊導(dǎo)向系統(tǒng)開始工作，保證了兩側(cè)鋼板對縫時(shí)處在同一平面上；光電開關(guān)感應(yīng)到鋼板后，鋼板定位系統(tǒng)開始工作，通過單側(cè)微調(diào)輸送裝置將鋼板定位，液壓調(diào)整裝置將鋼板對正到銅板中心線處，啟動一側(cè)壓力架液壓琴鍵系統(tǒng)將鋼板壓住。收回兩側(cè)鋼板定位機(jī)構(gòu)，按照焊接認(rèn)可工藝參數(shù)對焊縫進(jìn)行鋼板定位焊或埋弧焊接，然后逐步完成板列的拼接，最后通過同步輸送鏈將正面焊后板列送至翻身工位進(jìn)行翻身。

3.2 翻身工位

工位完成正面焊接的鋼板進(jìn)行180°翻身運(yùn)作，見圖2。翻轉(zhuǎn)臂通過液壓同步控制。翻身時(shí)板材應(yīng)保持穩(wěn)定，不出現(xiàn)鋼板滑移，翻身過程不影響其他工位的正常工作。鋼板翻轉(zhuǎn)機(jī)主要由翻轉(zhuǎn)臂、支撐座、旋轉(zhuǎn)軸、液壓缸、液壓控制管路、同步控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成。

3.3 壓力架反面焊接工位

工位配置與拼板壓力架正面焊接工位基本相同，但未配置鋼板錯(cuò)邊導(dǎo)向系統(tǒng)、氣體保護(hù)焊定位焊系統(tǒng)、焊渣清理系統(tǒng)及反面銅板。

圖1 智能薄板生產(chǎn)線

圖2 翻身工位結(jié)構(gòu)圖

3.4 劃線噴碼工位

工位完成反面焊的板片進(jìn)行劃線和噴碼標(biāo)識任務(wù)。根據(jù)甲方提供圖紙信息自動轉(zhuǎn)換代碼，劃出板片上裝配線、噴寫部件標(biāo)識、零件號等信息。板片的劃線和噴碼標(biāo)識由門式數(shù)控劃線噴碼機(jī)完成。數(shù)控劃線噴碼機(jī)可以根據(jù)離線編制的劃線噴碼數(shù)據(jù)文件進(jìn)行劃線噴碼，也可現(xiàn)場在本機(jī)上對板片進(jìn)行劃線噴碼編程，現(xiàn)場劃線噴碼。

3.5 縱骨安裝工位

本工位將完成劃線打碼的拼板進(jìn)行縱骨的人工裝配和人工焊接。縱骨安裝工位設(shè)有鋼制多孔平臺、升降滾輪支撐架、板鏈輸送機(jī)構(gòu)。

3.6 縱骨焊接工位

工位完成縱骨安裝任務(wù)。用多極縱骨焊接機(jī)對縱骨角焊縫實(shí)施氣體保護(hù)焊自動焊接。多極縱骨焊接機(jī)采用縱向軌道運(yùn)行的雙梁門架式結(jié)構(gòu)，雙梁上設(shè)有在橫向軌道上運(yùn)行的橫向移動橫梁。工位配置了1臺縱骨焊接機(jī)，橫向移動橫梁載有6臺焊接小車，每臺小車上載有2把氣體保護(hù)焊槍及其送絲機(jī)構(gòu)，并具有焊縫自動跟蹤功能,見圖3。采用雙面單絲CO2氣體保護(hù)焊高速焊接，可同時(shí)對6根已裝配好的縱骨進(jìn)行焊接。另外，配有1套焊煙收集裝置和焊煙處理系統(tǒng)。

圖3 縱骨焊接工位

3.7 T排安裝工位

工位完成縱骨安裝的板列進(jìn)行T排的人工裝配和人工焊接工作。工位設(shè)有鋼制多孔平臺、升降滾輪支撐架、板鏈輸送機(jī)構(gòu)。

3.8 T排焊接工位

工位設(shè)置1臺移動式雙機(jī)器人焊接門架，對T排安裝的片體進(jìn)行焊接。機(jī)器人可通過網(wǎng)絡(luò)與工廠局域網(wǎng)相連，下載或上傳生產(chǎn)任務(wù)和生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)。通過實(shí)時(shí)讀取傳感器數(shù)據(jù)，感知工件的工況，并分析、判斷，為機(jī)器人的動作做出決策。同時(shí)也可以讀取造船建模軟件輸出的分段設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成機(jī)器人控制的數(shù)據(jù)格式，通過離線編程軟件的二次建模，生成機(jī)器人控制數(shù)據(jù)。另外，通過視覺成像技術(shù)提取工件空間三維坐標(biāo)系，在激光跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)引下自動完成T排的雙側(cè)平腳焊、立角焊和包角焊。T排機(jī)器人焊接工位示意圖見圖4。

圖4 T排機(jī)器人焊接工位示意圖

4 信息化管理

智能薄板生產(chǎn)線信息化管理是整個(gè)方案設(shè)計(jì)中核心的部分，管理平臺示意圖見圖5。生產(chǎn)線管理系統(tǒng)平臺是薄板平面片體生產(chǎn)線“水平”和“垂直”集成的橋梁和紐帶，管理平臺接收到MES 系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)、工件數(shù)據(jù)等信息，通過任務(wù)計(jì)劃管理模塊進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，并實(shí)時(shí)采集子模塊信息反饋到中控管理平臺，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)與信息統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等。生產(chǎn)線中每個(gè)工位預(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。

圖5 管理平臺示意圖

生產(chǎn)線管理系統(tǒng)平臺布置在集中控制大屏顯示區(qū)，用于生產(chǎn)線物流系統(tǒng)、各個(gè)工位工作狀態(tài)的監(jiān)視并報(bào)警，并且生產(chǎn)線管理系統(tǒng)平臺采用對生產(chǎn)線上工位群信息實(shí)現(xiàn)集中管理的工作模式。生產(chǎn)線管理系統(tǒng)見圖6。這套管理平臺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對整條生產(chǎn)線設(shè)備的監(jiān)控，為整體薄板平面片體生產(chǎn)線提供信息化管理的相關(guān)數(shù)據(jù)，為客戶工廠智能制造信息化提供基礎(chǔ)。系統(tǒng)包含硬件和軟件兩個(gè)部分。

(1)硬件系統(tǒng)：包括工控網(wǎng)絡(luò)硬件架構(gòu)、中控操控臺、關(guān)鍵工位控制工作站和關(guān)鍵工位監(jiān)控設(shè)備。

(2)軟件系統(tǒng)：通過網(wǎng)絡(luò)管理、過程控制、任務(wù)計(jì)劃管理、質(zhì)量監(jiān)測分析、生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置、生產(chǎn)系統(tǒng)維護(hù)管理和人力資源管理等功能模塊，生產(chǎn)線管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對整條薄板平面片體生產(chǎn)線的相關(guān)工藝管理、生產(chǎn)管理、成本管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、能耗管理和系統(tǒng)管理等。

圖6 生產(chǎn)線管理系統(tǒng)

5 結(jié)論

本文面向薄板片體生產(chǎn)線建造，融合信息化和工業(yè)化技術(shù)手段，進(jìn)行了以下三方面研究：

(1)細(xì)化薄板片體生產(chǎn)工藝要求，對各環(huán)節(jié)精度控制進(jìn)行反饋設(shè)計(jì)。

(2)設(shè)置了拼板焊接等8個(gè)工位協(xié)調(diào)運(yùn)作，使得整體生產(chǎn)線高效準(zhǔn)確運(yùn)行。

(3)結(jié)合智能生產(chǎn)線管理系統(tǒng)，使管理平臺與MES 系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，真正實(shí)現(xiàn)了研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)、信息的全面融合和協(xié)同運(yùn)行。