工程機械數(shù)字化智能化制造技術研究

張敏 呂金波

摘 要：本課題以工程機械起重機產品數(shù)字化、智能化制造為總體目標，綜合分析產品的結構特點和制造工藝，依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息技術和三維模擬仿真技術平臺，突破大型結構件自動化焊接、柔性裝夾、智能重載物流、在線檢測等核心技術，解決薄壁不規(guī)則結構件焊接變形、結構件快速裝夾、一人多機作業(yè)、在線檢測、產品制造過程數(shù)字化等難題，創(chuàng)新數(shù)據(jù)驅動的智能制造模式，實現(xiàn)生產效率提升，引領行業(yè)發(fā)展方向，充分帶動國內工程機械行業(yè)的技術升級和競爭力提升。

關鍵詞：工程機械;智能化;大型結構件;一人多機

一、背景與意義

工程機械起重機具有起重量大、機動靈活、使用便捷等優(yōu)點，在國家大型石油、化工、風電裝備工程和國家重點項目建設上的需求較多，其高品質制造，對我國超級工程建設和國家戰(zhàn)略安全方面具有重要意義。歐美起重機制造商已將智能化技術應用到產品及核心零部件生產制造中。輪式起重機是工程機械領域技術集成度最高、覆蓋面最完整的裝備，具有“多品種、小批量、定制化”的離散制造典型特點，需要生產過程更加柔性、高效、產品功能更加智能化。輪式起重機行業(yè)在前瞻性工藝和制造技術上的研究突破，有利于提高產品制造的柔性適應能力，提高生產制造一致性，有利于解決研制與批產交叉并行方式下重大裝備的高柔性制造問題，提升產品生產效率和質量，對提升我國裝備制造技術水平有著重大意義。

二、國內外項目研究情況

1、國內研究現(xiàn)狀

國內科研院所及企業(yè)在傳統(tǒng)制造技術、產線自動化技術和信息技術方面取得很多技術成果，在產品設計、制造等方面應用成熟。但是隨著制造業(yè)高質量的發(fā)展，制造過程少人化、數(shù)字化、柔性化、敏捷化，快速響應市場需求變化的新一代制造模式開始涌現(xiàn)，傳統(tǒng)制造業(yè)不斷吸收技術最新成果，實現(xiàn)“制造+互聯(lián)網(wǎng)”技術、信息系統(tǒng)集成技術等技術融合，逐步在汽車制造業(yè)、航空航天等行業(yè)開始應用，但在工程機械行業(yè)的應用研究剛剛起步，無可復制、可借鑒的成熟經驗。

2、國外研究現(xiàn)狀

國外工程機械起重機規(guī)模較大的主要有德國利勃海爾、美國特雷克斯，主要生產中大噸位起重機產品，大型結構件生產過程以“盤架式、行車轉運”為主，自動化焊接、自動化加工手段約占50%，生產過程的信息化手段應用成熟，能夠實現(xiàn)制造數(shù)據(jù)、質量數(shù)據(jù)自動采集與分析，產品制造過程一致性、可靠性高。目前已經開始實施產品數(shù)字化設計、智能化制造方面的研究和應用。

三、課題方案

1、研究目標

以工程機械起重機產品數(shù)字化、智能化制造為總體目標，綜合分析產品的結構特點和制造工藝，依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息技術和三維模擬仿真技術平臺，突破大型結構件自動化焊接、柔性裝夾、自動化加工、智能重載物流、在線檢測等核心技術，解決薄壁不規(guī)則結構件焊接變形、結構件快速裝夾、一人多機作業(yè)、在線檢測、產品制造過程數(shù)字化等難題，創(chuàng)新數(shù)據(jù)驅動的智能制造模式，實現(xiàn)生產效率提升，引領行業(yè)發(fā)展方向。

2、研究內容

本項目主要研究并突破工程機械輪式起重機產品薄壁不規(guī)則結構件焊接變形控制技術、大型結構件自適應加緊及自動翻轉技術、柔性可重構智能快速裝夾技術、大型結構件智能重載物流技術、智能產線三維動態(tài)仿真規(guī)劃技術、基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)據(jù)采集與分析技術等6大核心技術。

3、課題方案

1）三維仿真模擬，搭建實驗模型庫

自主建模、現(xiàn)場實測工序節(jié)拍，應用Creator、Flexsim三維動態(tài)仿真平臺，建立設備、產品、工裝等模型庫，進行智能生產線工藝布局、物流、焊接、機加工過程的三維動態(tài)仿真設計，搭建實驗模型庫

2）進行集成技術實驗

設計并制造單點液壓夾具、定位工裝，通過焊后剛性約束冷卻控制焊接變形，通過多次工藝試驗，確定不同材質、板厚、焊接量下冷卻時間，修訂實驗參數(shù);設計研發(fā)柔性、可重構、預變形托盤，找出多品種兼容性和焊接變形規(guī)律，并進行自動化裝夾實驗，修訂實驗參數(shù);進行高速、重載、大慣性的智能物流系統(tǒng)與焊接機器人精準對接實驗，設計限位機構裝置，并進行RGV的全流程集成實驗，修訂實驗參。

3）數(shù)據(jù)采集分析及制造工藝參數(shù)優(yōu)化，孵化核心制造技術

搭建設備聯(lián)網(wǎng)平臺、數(shù)據(jù)分析平臺，連接焊接、機加工、調型檢測等設備，實時獲取設備加工關鍵工藝參數(shù)，統(tǒng)計分析電流電壓、焊接速度、切削速度、變形量等各類數(shù)據(jù)，建立各種技術實驗參數(shù)模型，用于制造工藝參數(shù)優(yōu)化，形成核心制造技術。

4）技術成熟并推廣應用

核心制造技術先在8個噸位產品JT結構件試用、修正、固化，并逐步推廣到伸臂、固定腿、活動腿等大型結構件。

四、課題成果

本課題完成將實現(xiàn)JT結構件生產效率提升30%以上，產品一次交驗不合格率下降23%，新增產值10億元。

課題共突破6大技術創(chuàng)新

1、構建智能產線三維動態(tài)仿真規(guī)劃平臺，確保智能產線平衡產出。

通過設備、廠房三維建模，利用Creator平臺進行智能產線三維規(guī)劃設計，相比傳統(tǒng)的二維布局，可以從設計源頭上規(guī)避干涉等布局規(guī)劃方面的不合理問題。應用三維物流仿真Flexsim平臺，進行JT智能生產的動態(tài)仿真，根據(jù)設備負荷率確定設備配置、根據(jù)在制品量確定工序間合理緩存面積，確保智能產線平衡產出。

2）行業(yè)內率先構建基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)據(jù)采集與分析平臺，實現(xiàn)設備互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通，樹立智能制造標桿。

通過設備聯(lián)網(wǎng)，實時獲取JT智能線焊接、加工、檢測40余臺設備運行狀態(tài)、關鍵工藝參數(shù)等信息，實現(xiàn)設備、物料、工藝、產品、能源等方面的信息化管控。通過各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，實時掌握智能產線設備綜合利用率，為生產能力分析提供客觀依據(jù);通過關鍵工藝參數(shù)實時監(jiān)控記錄、產品實物特性值自動檢測記錄，實現(xiàn)產品質量管理信息化，可控、可追溯。

3）突破薄臂、不規(guī)則結構件焊接變形控制技術。

設計多壓點液壓夾具，在剛性約束下焊接及焊后緩冷，通過多次工藝試驗，確定不同材質、板厚、焊接量下冷卻時間;通過單機器人、多工位設計，彌補焊后冷卻占用夾具的時間，保證生產效率不受影響。研發(fā)具有液壓預變形壓緊機構的柔性焊接夾具，可實現(xiàn)20余種工件焊前底板0～17mm的預變形及焊接過程中的剛性約束，從而有效控制焊接變形。

4）突破大型結構件自適應夾緊及自動翻轉技術。

針對JT結構形式，應用“傳感器+擺動機構”，實現(xiàn)不同尺寸的工件自適應夾緊、平穩(wěn)無磕碰翻轉。研制桁架式智能重載搬運機器人，實現(xiàn)JT加工過程智能轉運。

5）突破高強鋼焊后在線檢測、智能校型技術

研究應用雙軸聯(lián)動、超聲波快速掃描檢測技術，實現(xiàn)底面朝下、環(huán)形結構工件自動化檢測，取代行業(yè)內一直沿用多年的、依賴人工經驗檢測的方式，全過程自動完成，數(shù)據(jù)實時顯示、記錄、并上傳至工件質量信息系統(tǒng)。基于多年積累的高強鋼人工校型經驗，建立不同板厚、材質、變形量與校型量函數(shù)模型，利用伺服、液壓技術，實現(xiàn)高強鋼焊后校型智能化，并實時記錄上傳數(shù)據(jù)。

6）突破大型結構件智能重載物流技術

針對起重機JT種類多、結構形式和尺寸差異大，研究柔性、可重構焊接夾具托盤，滿足二十余種工件統(tǒng)形快速裝夾，應用液壓預變形裝置，控制JT自動焊接變形。研究大型結構件焊接機器人夾具分離技術、自動對接與液壓夾緊技術，滿足JT夾具在機器人之間通用與流轉，提高夾具托盤與變位機重復定位精度至±0.5mm。