法蘭和套管智能打碼工作站研制

藍初廣，盧健兵，江海燕，施嘉琳，閆國民

（廣州黃埔文沖船舶有限公司，廣州510727）

1 前言

黃埔文沖船舶有限公司文沖廠區(qū)以建造出口集裝箱船、散貨船和挖泥船為主，公司管子加工獨立設(shè)置生產(chǎn)車間，在管子生產(chǎn)中每條管基本具有唯一性，以管子和管子附件上的鋼字碼對加工中和加工后鍍鋅處理進行區(qū)別。鋼字碼最初是人工錘打，慢慢改進成常用的氣動打碼，減輕勞動強度。但由于管子編號不一，不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)連續(xù)性，而且裝卸和分揀管附件需要人工進行，整個過程輔助時間較多，效率不高。

在這種背景下，造船事業(yè)二部針對法蘭、套管是標準件特性，利用生產(chǎn)管理系統(tǒng)管子模塊處理好的數(shù)據(jù)，研制成功板式平焊鋼制管法蘭和鋼套管的智能化打碼，實現(xiàn)法蘭、套管自動化作業(yè)、自動化分揀，提高管附件打碼和管子加工效率。

2 法蘭和套管智能打碼工作站

2.1 概況

造船二部管加工作業(yè)區(qū)，配有3 臺氣動打碼機，其中2 臺打Φ114 mm 以下法蘭，1 臺打Φ114 mm 以下套管；配置3 個人，1 人從料架或料堆里按單元附件清單挑揀出要打碼的法蘭或套管，用小推車送到打碼區(qū)給另外2 個人上機打碼；打碼人將法蘭或套管放在打碼機上夾緊，手工把管子編號錄入電腦，然后機器開始打碼；整個單元打碼完成后，把法蘭或套管放回小車，并推到理料區(qū)卸放法蘭或套管，整個過程結(jié)束；Φ114 mm 以上的法蘭和套管，則需要在平臺工位上用手錘打鋼字碼。

造船事業(yè)二部研制的管子法蘭和套管智能打碼工作站（以下簡稱工作站），改變傳統(tǒng)的打碼工作流程，實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)管理，讓它具有法蘭與鋼套管的自動上料、打碼、分揀與現(xiàn)場整體管理等功能，這樣與傳統(tǒng)人工或氣動打碼相比，具有擴大打碼范圍、提高打碼效率、保障打碼質(zhì)量、降低人工勞動強度和勞務(wù)成本等優(yōu)勢。

2.2 工作站組成

工作站組成如下：6 軸機器人1 臺、套管儲料架2個、法蘭儲料架2 個、法蘭氣動打碼機2 臺、套管氣動打碼機1 臺、夾具3 套、抓取夾具1 套、料框6 個、壓縮空氣系統(tǒng)1 套。具體布局如圖1 所示。

圖1 打碼工作站布置圖

工作站設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 工作站設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

2.3 工作站功能

（1）機器人系統(tǒng)

機器人系統(tǒng)根據(jù)接收的控制指令，從儲料架中夾取待打碼零件放置到打碼工作站，并向打碼工作站發(fā)送放置完成信號，以使打碼工作站根據(jù)打碼零件進行打碼；接收由打碼工作站發(fā)出的打碼完成指令后，從打碼工作站中夾取打碼完成零件，并向打碼工作站發(fā)送零件取走信號；將打碼完成零件放置在預(yù)設(shè)的移動料框內(nèi)，并向工控機系統(tǒng)發(fā)送執(zhí)行完成信號。

（2）打碼工作站功能

打碼工作站功能包括：① 具有三個打碼工位，可打碼法蘭或套管；② 打碼工作站在收到機器人發(fā)送的法蘭或套管放置完成信息后，打碼工位夾緊法蘭或套管；③ 打碼工位根據(jù)接收的打碼信息、法蘭或套管型號，自動完成打碼工作；④ 打碼工位打碼完成后，打碼系統(tǒng)向機器人發(fā)送工位打碼完成信息；⑤ 打碼工作站具有半自動打碼工作方式，接收來自現(xiàn)場工控機發(fā)來的手動打碼方式狀態(tài)信息、法蘭或套管信息、工位信息、打碼信息，打碼完成后向現(xiàn)場工控機發(fā)送打碼完成信息；⑥ 向工控機發(fā)送打碼工作狀態(tài)、打碼物量。

（3）工作站工作流程見圖2

圖2 工作站工作流程圖

① 人工把需要打碼的不同規(guī)格的法蘭放入法蘭料架的格槽內(nèi)，把需要打碼的不同規(guī)格的套管放入套管相應(yīng)的格槽內(nèi)；然后把安全圍欄的安全門關(guān)好；

② 在電腦上通過無線網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)，將要打碼批次的零件指令發(fā)送到工控機上儲存起來；

③ 人工操作工控機向機器人發(fā)出批處理指令，機器人按接收到的信號內(nèi)容開始工作，機械手移動至相應(yīng)的料架格槽位置夾取相應(yīng)的零件，將零件放入對應(yīng)的打碼工位上并向打碼機輸出信號，機器人松開零件并移動到某位置的同時打碼工位將零件定位夾緊后開始打碼；

④ 打碼完成后，打碼機復(fù)位并向機器人輸出完成打碼的信號，機器人接收到信號后夾取完成打碼的零件將其放入對應(yīng)的儲料框內(nèi)，至此完成一個零件的打碼任務(wù)；

⑤ 機器人不斷重復(fù)循環(huán)工作，直至完成一個批次的任務(wù)，接著繼續(xù)下一批次的工作任務(wù)；

⑥ 大顯示屏幕和工控機屏幕上，同時顯示工作的進程。比如，顯示今天要完成的工作任務(wù)、已經(jīng)完成的零件數(shù)量及批次、剩余未完成的工作任務(wù)等；

⑦ 工作站產(chǎn)能估算：

機器人最高移動速度1.5 m/s ～2 m/s；

機器人抓手夾持工件時間2 s；

氣動打碼機自動裝夾時間0.5 s ～1 s；

氣動打碼機雕刻時間30 s；

打碼機產(chǎn)能，按打碼機的雕刻時間35 s、每月26 天、每天7 小時計算，工作站每月產(chǎn)能為：26×7×3 600×82.3%/35 ≈15 400 件。

以上工作站產(chǎn)能計算只作為參考，如果產(chǎn)能需求更大，可以多建幾個工作站，一個熟練的操作工人可操作兩個工作站。

（4）工作站優(yōu)勢

常規(guī)打碼方案：

① 常規(guī)方案機器人在軌道上行走，增加軌道制作成本，而且運動帶來的損耗易消耗設(shè)備的使用壽命，增加維修費用；而工作站機器人不行走，只是繞著中心旋轉(zhuǎn)，避免了以上的問題，常規(guī)打碼方案布置圖見圖3；

圖3 常規(guī)打碼方案布置圖

② 常規(guī)方案的設(shè)備依次擺放，占用面積較大；而工作站方案緊湊布置，只占用常規(guī)方案一半左右的面積；

③ 常規(guī)方案機械手抓法蘭和套管需要更換夾具，影響打碼效率；機器人行走取料、打碼和放料整個過程至少需要2～3 min，一天按8 h計算只能打碼約240個，達不到生產(chǎn)所需500 個/天的要求；而工作站方案機器不動，法蘭和套管夾具為一體設(shè)計，可根據(jù)對象自由轉(zhuǎn)換，不需要另換夾具，整個打碼過程只需要35 s，每天可以打碼720 個，除去效率損耗一天至少可以打碼597 個，達到生產(chǎn)所需500/天的要求。

工作站方案：

項目組在選定工作站方案后，還根據(jù)車間管理流程，對法蘭料架、打碼機布置、夾具設(shè)計等進行了優(yōu)化。

工作站研制完成后，項目機器人、打碼機和料架于2019 年10 月安裝到位，經(jīng)過調(diào)試于2020 年4 月投產(chǎn)驗收， 5 月實現(xiàn)單個或單批次的打碼應(yīng)用，7 月實現(xiàn)聯(lián)接生產(chǎn)管理系統(tǒng)管子模塊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)對接使用和實時看板工作，隨即在船舶H56675668566956705671和H55735574 等進行了批量打碼和實時看板。經(jīng)大半年運轉(zhuǎn)使用，整個打碼工作站按當初的工藝技術(shù)和管理流程穩(wěn)定工作，達到了設(shè)計和研發(fā)的目的。

3 經(jīng)濟和社會效益

（1）智能打碼工作站的研制，實現(xiàn)了管法蘭0.6 Mpa 及1.0 Mpa 兩種壓力、短型和標準型套管各14 種規(guī)格通徑（DN15202532405065801001251502002 50300）共56 種管附件實現(xiàn)機器人自動打碼、自動下料按批分揀，整個過程和數(shù)量通過顯示器可實時看板，管附件打碼區(qū)更合理高效，生產(chǎn)前準備效率提升至少20%；

（2）在2020 年建造的H5588H56675668566956 705671H55735574 等船舶上實現(xiàn)自動打碼，特別是9月實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)批量打碼后，效率和數(shù)量不斷提升，基本達到項目實施工藝和流程要求；

（3）智能打碼工作站申請專利26 項，擁有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)，在后續(xù)推廣應(yīng)用中擁有主導(dǎo)地位；

（4）智能打碼工作站打碼物量占總打碼物量90%以上，可減少打碼人員2～3 名，節(jié)約全年支出16.3萬元；加上打碼效率提升，生產(chǎn)準備更加快捷，預(yù)計4、5 年可回收成本，并可繼續(xù)使用服務(wù)管子加工，提升車間管子加工效率；

（5）智能打碼工作站的研制成功，提升了公司在數(shù)字化和智能化方面的能力，擴大公司的影響力，擁有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)，可在公司和集團推廣，甚至可以延伸到相關(guān)行業(yè)，是一款拳頭產(chǎn)品。

4 結(jié)論

（1）實施自動打碼智能工作站后，1 個操作人員從料堆或料架上補充指定機器人放料區(qū)，單元附件的管子編號已在管子系統(tǒng)編好送到打碼工作站，操作人員點擊提取即可；

（2）機器人自動從放料區(qū)揀料到打碼站，打完碼機器人又夾取法蘭或套管送到小推車，操作人員可按批量打完字碼，打好的字碼放在推車上，實施不落地，直接送到銅工裝配工位；

（3）可以減少2～3 個人，上下法蘭或套管由機器人做，自動化程度高，整體打碼效率提高3～4 倍；