新技術(shù)在叉車裝配車間工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

葛暉，王仲恒，馬闖

（中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥 230601）

1 命題來(lái)源及輸入條件

1.1 命題來(lái)源

近年來(lái)，工程機(jī)械市場(chǎng)持續(xù)向好，許多企業(yè)為了搶占更多的市場(chǎng)份額投入巨額資金進(jìn)行大規(guī)模的工程改擴(kuò)建。在技改設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往容易忽視設(shè)計(jì)方法中的一些細(xì)節(jié)，給建成后投入使用帶來(lái)不便。因此，只有在準(zhǔn)確運(yùn)用設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，結(jié)合當(dāng)代新技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)加以改進(jìn)，才能使得設(shè)計(jì)成果既滿足生產(chǎn)需求，又能夠保持企業(yè)持續(xù)的創(chuàng)新活力。本文結(jié)合近期完成的一個(gè)工程項(xiàng)目案例介紹裝配車間工藝設(shè)計(jì)方案以及新技術(shù)在該方案中的應(yīng)用。

1.2 車間生產(chǎn)任務(wù)及綱領(lǐng)

車間承擔(dān)叉車部件、整機(jī)裝配、產(chǎn)品調(diào)試的作業(yè)任務(wù)。生產(chǎn)綱領(lǐng)為年產(chǎn)2～3.5t 叉車40 000 臺(tái)。本項(xiàng)目裝配車間位于多連跨聯(lián)合廠房?jī)?nèi)，是目前國(guó)內(nèi)叉車行業(yè)最大的從事叉車生產(chǎn)的建筑單體。

1.3 工作班制

裝配車間結(jié)合綱領(lǐng)需求及作業(yè)特點(diǎn)采用兩班工作制【1】。

2 工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：

1）分析產(chǎn)品的裝配工藝流程；

2）選擇適用、先進(jìn)的智能化工藝設(shè)備；

3）合理規(guī)劃車間區(qū)域布局及物流路線；

4）確定車間工藝平面布置方案；

5）提出廠房的建設(shè)條件、智能化環(huán)境，以及生產(chǎn)所需的各種能耗需求。

2.2 主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)

在大批量、多品種的生產(chǎn)模式，以及企業(yè)信息化資源不足的條件下，裝配車間工藝設(shè)計(jì)主要存在以下難點(diǎn)：

1）如何制定合理的模塊化產(chǎn)品裝配工藝，并實(shí)現(xiàn)裝配工藝模塊之間生產(chǎn)能力的匹配和設(shè)備負(fù)荷的均衡；

2）智能化工藝設(shè)備如何利用企業(yè)現(xiàn)有信息化條件發(fā)揮其智能化功能，并以可接受的性價(jià)比參與大批量、多品種的生產(chǎn)工藝過(guò)程；

3）在多工種作業(yè)的聯(lián)合廠房?jī)?nèi)，裝配車間物流組織受到多個(gè)外部條件的限制，如何兼顧各方約束實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)、外的物流暢通；

4）如何實(shí)現(xiàn)物流自動(dòng)化、信息化、準(zhǔn)時(shí)化，做到大批量、多品種的物料配送與裝配作業(yè)的有效銜接，使其最大化發(fā)揮出系統(tǒng)生產(chǎn)效率。

3 設(shè)計(jì)成果及設(shè)計(jì)難點(diǎn)的解決措施

3.1 設(shè)計(jì)原則

1）按智能車間建設(shè)目標(biāo)進(jìn)行裝配車間工藝方案設(shè)計(jì)，通過(guò)逐步完善先進(jìn)的信息化技術(shù)及數(shù)字化裝備實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的智能化管控以及信息可追溯；

2）車間設(shè)計(jì)方案要遵循分期實(shí)施的原則，在區(qū)域布局、投資分配、設(shè)備選用等方面要做到近期與遠(yuǎn)期的合理銜接；

3）按照產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程，結(jié)合批量需求，合理設(shè)置各作業(yè)模塊；

4）關(guān)鍵工藝設(shè)備的選用要數(shù)字化、智能化，通過(guò)信息化手段實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通；

5）合理組織車間物流，采用先進(jìn)的智能化物流設(shè)備保證物流順暢；

6）工藝設(shè)計(jì)考慮節(jié)地節(jié)能、環(huán)保衛(wèi)生、材料供應(yīng)等因素【2】。

3.2 主要工藝說(shuō)明

3.2.1 產(chǎn)品總裝工藝流程

叉車總裝工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 叉車總裝工藝流程圖

3.2.2 主要工藝說(shuō)明

根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)和分期實(shí)施計(jì)劃，裝配車間由裝配工段和調(diào)試工段組成，其中，裝配工段劃分2 個(gè)生產(chǎn)單元，即一期實(shí)施單元、二期實(shí)施單元（遠(yuǎn)期）。每個(gè)生產(chǎn)單元完成20 000 臺(tái)叉車裝配任務(wù)。

1）生產(chǎn)節(jié)拍

車間采用雙班工作制，每年工作250d，每天工作時(shí)間8h。

年時(shí)基數(shù)：φ=250d×8h×2 班=4 000h

生產(chǎn)節(jié)拍：τ=60φ/N=（60×4 000h）/40 000 臺(tái)=6h

每個(gè)裝配單元生產(chǎn)節(jié)拍：τ=60φ/N=（60×4 000h）/20 000 臺(tái)=12h

式中，τ 為生產(chǎn)節(jié)拍，min；φ 為年時(shí)基數(shù)，h；N 為年產(chǎn)量，臺(tái)。

2）總裝

產(chǎn)品總裝工時(shí)分析：通過(guò)對(duì)工藝流程分析，最終確定總裝工時(shí)（含線上調(diào)整檢查）為200min?？傃b采用流水線形式。車間設(shè)置2 條總裝線，每條線完成15 種型號(hào)產(chǎn)品的混線裝配任務(wù)。線體為單板鏈?zhǔn)捷斔途€，運(yùn)行方式為間歇、連續(xù)可調(diào)?？傃b線工位計(jì)算：

（1）間歇式：

計(jì)算工位數(shù)：C=T/[（τ-Tn）nk]= 200min/[（12min-0.5min）×1×0.9]=19.3 個(gè)

擬采用工位數(shù)：22 個(gè)

負(fù)荷率 η=（19.3/22）×100% =88%

（2）連續(xù)式：

計(jì)算工位數(shù)：C=T/（τnk）=200min/（12min×1×0.9）=18.5個(gè)

擬采用工位數(shù)：22 個(gè)

負(fù)荷率 η=（18.5/22）×100%=84%

式中，C 為計(jì)算站數(shù)；T 為每臺(tái)產(chǎn)品總裝配勞動(dòng)量，min；Tn為傳送帶移動(dòng)一次所需時(shí)間，min，傳送帶移動(dòng)速率10m/min；n 為平均工作密度；k 為多品種調(diào)整系統(tǒng)系數(shù)，取 0.9；η 為負(fù)荷率。

通過(guò)以上計(jì)算，總裝線工位數(shù)量確定為22 個(gè)工位。工位間距4.8m，總長(zhǎng)約115m。

3）分裝

對(duì)分裝工時(shí)較大的部件，如車架、驅(qū)動(dòng)裝置、儀表架、護(hù)頂架、門架等部件采用流水線裝配形式，其余部件均采用臺(tái)位式裝配形式，分裝工作臺(tái)為獨(dú)具特色的集成式結(jié)構(gòu)，即將操作臺(tái)、電腦架、能源柱、標(biāo)準(zhǔn)件存放架等多功能集成于一體。

4）起重運(yùn)輸設(shè)備

總裝線、分裝線以及較重部件分裝臺(tái)全部配置智能起重設(shè)備。對(duì)于一些較大型工件的裝配如機(jī)罩座椅、輪胎的安裝設(shè)置助力機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)快速抓取物料，準(zhǔn)確送至裝配位置。

5）油品加注

油品加注全部采用集中供液系統(tǒng)+智能加注設(shè)備，產(chǎn)品所需油品通過(guò)室外地埋管線從廠區(qū)供油站輸送到裝配車間，再通過(guò)架空道輸送至加油工位。生產(chǎn)線設(shè)置油品集中自動(dòng)加注工位，根據(jù)油品的不同采用不同的加注方式，其中，液壓油、柴油、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油、變速箱油采用多合一定量加注機(jī)加注，防凍液、制動(dòng)液采用真空加注機(jī)加注；加注系統(tǒng)具有防呆、防錯(cuò)功能，并實(shí)現(xiàn)智能化過(guò)程管控。

6）裝配作業(yè)的螺栓連接

裝配作業(yè)螺栓連接全部采用高效電、氣動(dòng)工具，關(guān)鍵部件的螺栓緊固如驅(qū)動(dòng)裝置與車架、配重與車架、門架與基礎(chǔ)車等重要連接部件，選用單軸或多軸智能電動(dòng)定扭工具，確保數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確及質(zhì)量可追溯。

7）尾氣抽排

針對(duì)產(chǎn)品總裝線車輛下線并運(yùn)行到調(diào)試工段，方案采用了隨動(dòng)尾氣抽排裝置，即在該區(qū)域設(shè)置可移動(dòng)的收煙小車（收煙罩+排煙管路），收煙罩與車輛發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管連接，并隨車輛同步運(yùn)行，同時(shí)在裝置離心風(fēng)機(jī)的作用下，捕捉車輛排出的尾氣，經(jīng)過(guò)濾后排放至室外。

3.2.3 車間工藝布局及物流方案

1）工藝布局

裝配車間位于多連跨組成的聯(lián)合廠房?jī)?nèi)，其中裝配車間由1 個(gè)豎向跨、2 個(gè)橫向跨組成，東西向長(zhǎng)度約240m，南北向長(zhǎng)度約60m，北側(cè)設(shè)2 層生產(chǎn)輔助用房，車間建筑面積約16 000m2。車間區(qū)域劃分如圖2 所示。

圖2 裝配車間內(nèi)部功能區(qū)劃及物流圖

2）物流方案

車間物流通過(guò)智能物流管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)少人化管理。

車間物料有大型結(jié)構(gòu)件、外協(xié)外購(gòu)配套件，其中，結(jié)構(gòu)件如車架、護(hù)頂架、門架由結(jié)構(gòu)件緩存區(qū)通過(guò)空中輸送線直送至相應(yīng)的分裝工位；外購(gòu)大件由配套件庫(kù)通過(guò)AGV 按裝配工位2h 需求量分批次配送至裝配工位；小件配送：一種是采取智能缺料報(bào)警，AGV 補(bǔ)料；另一種是在配套庫(kù)按產(chǎn)品型號(hào)進(jìn)行零件的單套配選，由AGV 將單套配小車配送至所需工位。

車間內(nèi)物流走向根據(jù)產(chǎn)品裝配工藝流程而定。物流走向如圖2 所示。

4 主要設(shè)計(jì)亮點(diǎn)——新技術(shù)應(yīng)用

4.1 模塊化裝配技術(shù)

模塊化裝配技術(shù)【3】使得企業(yè)以批量生產(chǎn)的成本和效率來(lái)滿足大規(guī)模定制成為可能。本項(xiàng)目產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化先行，比如，將叉車結(jié)構(gòu)件類型由原來(lái)的十幾種縮小為幾種，這些標(biāo)準(zhǔn)化的基本單元不僅實(shí)現(xiàn)了多種產(chǎn)品共線生產(chǎn)，也有利于進(jìn)行模塊化的工藝組織，使各裝配工藝模塊能夠?qū)崿F(xiàn)并行作業(yè)，大大縮短了產(chǎn)品的裝配周期。模塊化裝配是裝配技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，必將會(huì)隨著企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度的提高得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

4.2 人機(jī)工程

在生產(chǎn)過(guò)程中，人機(jī)工程的運(yùn)用直接影響生產(chǎn)效率的提高。本項(xiàng)目首先對(duì)裝配各環(huán)節(jié)依據(jù)人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)，從操作姿勢(shì)、操作空間、物料搬運(yùn)、工裝設(shè)計(jì)、作業(yè)設(shè)置等多方面進(jìn)行人機(jī)工程系統(tǒng)評(píng)估，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行改善，形成了人員、設(shè)備和環(huán)境三者之間良好的人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)。在叉車總裝線設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員對(duì)原定方案的操作高度進(jìn)行分析，在總裝工時(shí)200min 內(nèi)，超出合理操作高度800～1 200mm 以外的裝配作業(yè)工時(shí)占到總工時(shí)的40%以上，通過(guò)人機(jī)工程系統(tǒng)分析，優(yōu)化了總裝線設(shè)計(jì)參數(shù)，使不方便的裝配作業(yè)降低至10%以下，有效改善了人員操作的舒適性。

4.3 伺服傳感平衡技術(shù)

為了更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器設(shè)備與人的協(xié)調(diào)配合，以及提高機(jī)器的工作精度，眾多先進(jìn)、成熟的技術(shù)被逐步引入到生產(chǎn)線常規(guī)工藝設(shè)備中。本項(xiàng)目采用了帶有伺服傳感平衡技術(shù)的新型智能物料搬運(yùn)提升設(shè)備，即KBK 輕型柔性起重機(jī)，其懸浮特性及較高的定位精度使作業(yè)人員能夠輕松、高質(zhì)量完成物料的吊裝、搬運(yùn)等。

4.4 空中懸掛輸送技術(shù)

物料的空中存儲(chǔ)是有效利用車間面積的理想方式。本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)多種儲(chǔ)運(yùn)方案的綜合分析，對(duì)結(jié)構(gòu)件的輸送采用了空中積放式摩擦輸送系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)物料按柔性節(jié)拍、以最優(yōu)路徑在輸送線路上不同標(biāo)高間的轉(zhuǎn)換、積放、輸送、儲(chǔ)存。

4.5 裝配智能擰緊技術(shù)

據(jù)相關(guān)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，60%～70%的裝配操作是緊固件，每個(gè)螺栓有著嚴(yán)格的力矩和旋轉(zhuǎn)角度要求，這些大量的信息靠傳統(tǒng)的人工收集統(tǒng)計(jì)不但困難而且容易出錯(cuò)。隨著射頻識(shí)別技術(shù)、可編程控制器、數(shù)據(jù)庫(kù)等新技術(shù)的逐步應(yīng)用，螺栓擰緊系統(tǒng)功能逐漸智能化，這就大大降低了出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過(guò)程中詳細(xì)分析了產(chǎn)品各部件的連接要求，對(duì)重要部位采用了智能擰緊設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)車型訂單配置生成相應(yīng)的擰緊任務(wù)并下發(fā)到擰緊終端，同時(shí)采集擰緊終端生產(chǎn)過(guò)程中的結(jié)果數(shù)據(jù)，并保存至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)了擰緊過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)控、擰緊數(shù)據(jù)的保存，保證了產(chǎn)品質(zhì)量可追溯。

4.6 智能油液加注技術(shù)

隨著大規(guī)模定制化產(chǎn)品以及對(duì)質(zhì)量要求的提高，智能油液加注技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用在企業(yè)智能化升級(jí)改造中。本項(xiàng)目叉車總裝線需要加注的油品型號(hào)較多，如果采用傳統(tǒng)的人工加注方式，經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)加、漏加、加注量不標(biāo)準(zhǔn)、油液泄露等現(xiàn)象。方案采用了智能油液加注系統(tǒng)，可自動(dòng)完成對(duì)所有加注設(shè)備的指令發(fā)布、執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智能加注。

此外，裝配車間除以上新技術(shù)應(yīng)用外，降噪技術(shù)、自動(dòng)壓裝技術(shù)、防差錯(cuò)技術(shù)等均在不同的作業(yè)環(huán)節(jié)得到應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文全面介紹了年產(chǎn)40 000 臺(tái)叉車裝配車間的工藝設(shè)計(jì)及新技術(shù)應(yīng)用。綜觀整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，還存在工藝裝備方案的比選過(guò)程中由于采購(gòu)成本高昂或性能還不夠穩(wěn)定而不得不放棄的遺憾，也存在企業(yè)信息化建設(shè)滯后而不能充分發(fā)揮智能裝備功效等不足，但設(shè)計(jì)中充分考慮了工藝的可拓展性，為后續(xù)的持續(xù)優(yōu)化留出了足夠的發(fā)展空間。本項(xiàng)目搭建了一個(gè)工藝先進(jìn)的裝配車間基礎(chǔ)平臺(tái)，隨著企業(yè)信息化的逐步實(shí)施，它必將成為叉車行業(yè)眾多新技術(shù)落地，并推動(dòng)智能化工藝生產(chǎn)系統(tǒng)有效運(yùn)行的示范工程。