工程機(jī)械的裝配工藝現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)探討

秦雪飛，何俊杰,2，劉均讓，金鑫,2，蒲江涌，趙樹理

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司；2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，721000）

所謂工程機(jī)械裝配主要指的是將成品的零部件根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙以及工程機(jī)械裝配方法經(jīng)過(guò)裝配后形成滿足使用功能需求的機(jī)械設(shè)備。由此可以看出機(jī)械設(shè)備的性能會(huì)受到機(jī)械裝配工藝的直接影響，因此作為機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)要不斷提升自身的機(jī)械裝配工藝水平，這樣才能滿足企業(yè)實(shí)際發(fā)展需求。

1 工程機(jī)械裝配概述

1.1 工程機(jī)械產(chǎn)品特征

工程機(jī)械從總體層面來(lái)看具備了一些特征：首先工程機(jī)械通常都具有較大的外形尺寸，部分零部件一般都相對(duì)比較笨重；其次，工程機(jī)械通常都具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，甚至部分工程機(jī)械需要成百上千個(gè)零件來(lái)組成。而且零部件中不僅涉及到鑄造件、鍛造件，還會(huì)涉及到焊接件和沖壓件等，此外還有液壓元件以及電器元件等。工程機(jī)械通常都屬于小批量生產(chǎn)，大型推土機(jī)、履帶式起重機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備廠家每年甚至只生產(chǎn)數(shù)十臺(tái)或者數(shù)百臺(tái)。工程機(jī)械通常都具有非常復(fù)雜的工藝流程，在裝配中會(huì)設(shè)計(jì)到機(jī)械、電氣、液壓、電子元件等多種零部件。鏈接形式也包括了焊接、鉸接、螺栓鏈接等多種方式。

1.2 裝配組織形式

（1）固定式裝配。所謂固定式裝配主要是將產(chǎn)品或零部件在一個(gè)固定位置上進(jìn)行全部裝配，產(chǎn)品在整個(gè)裝配操作中不做移動(dòng)，而且需要將工程機(jī)械的所有裝配零部件集中在固定位置周圍。固定式裝配在新產(chǎn)品試制、小批量裝配生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛。由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和類型，因此又可以將固定式裝配進(jìn)一步劃分為集中和分散等兩種不同的固定式裝配。

集中固定式裝配主要指的是通過(guò)固定地點(diǎn)、固定人員完成整個(gè)設(shè)備的裝配，在一些情況下也被稱為是地?cái)偸窖b配。通常在大型工程機(jī)械小批量生產(chǎn)中應(yīng)用。將該方法應(yīng)用在批量小的新產(chǎn)品的試制過(guò)程中由于存在裝配人員固定，能夠全程參與整個(gè)新產(chǎn)品的裝配過(guò)程中，因此對(duì)于新產(chǎn)品試制存在的問(wèn)題能進(jìn)行完整記錄，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)新產(chǎn)品問(wèn)題的集中整改和處理。

而分撒固定式裝配主要是將產(chǎn)品裝配進(jìn)行分解后形成組件裝配、部件裝配、整機(jī)裝配等幾個(gè)部分，而且不同裝配過(guò)程中完全是在不同地點(diǎn)進(jìn)行；整機(jī)和部件裝配人員以及地點(diǎn)也不同，不同環(huán)節(jié)完成裝配后利用的叉車、起重機(jī)等設(shè)備將其運(yùn)輸?shù)秸麢C(jī)裝配車間完成整機(jī)總裝。通常是在具有一定批量的工程機(jī)械生產(chǎn)中應(yīng)用該裝配模式，但是重點(diǎn)還是集中在小批量生產(chǎn)中。這種裝配組織模式下更加能體現(xiàn)出裝配的專業(yè)化，產(chǎn)品裝配周期也能極大縮減，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)面積利用率以及企業(yè)生產(chǎn)效率的極大提升。

（2）移動(dòng)式裝配。在進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品裝配過(guò)程中裝配人員和裝配地點(diǎn)都可能發(fā)生變化的裝配形式就被稱為是移動(dòng)式裝配，各個(gè)零部件從不同工位移動(dòng)到另一個(gè)工位完成裝配，并最終實(shí)現(xiàn)整機(jī)總裝。目前工程機(jī)械生產(chǎn)中該模式的應(yīng)用非常廣泛。各零部件工位之間的移動(dòng)利用機(jī)械傳送方式后就形成了裝配流水線。在大批量生產(chǎn)中適用性比較高。目前該裝配模式在挖掘機(jī)、叉車等生產(chǎn)中的應(yīng)用比較廣泛。

2 工程機(jī)械裝配工藝現(xiàn)狀

2.1 自動(dòng)化程度

工程機(jī)械生產(chǎn)相較于普通汽車生產(chǎn)批量很小，而且在裝配自動(dòng)化反面也處在落后地位。雖然近年來(lái)工程機(jī)械發(fā)展非常迅速，叉車等機(jī)械的年產(chǎn)量甚至能達(dá)到十幾萬(wàn)，但是裝配工藝水平并未得到有效突破，其主要存在以下幾個(gè)方面表現(xiàn)：

首先，零部件輸送自動(dòng)化程度低。目前在工程機(jī)械生產(chǎn)中除了少數(shù)總裝線實(shí)現(xiàn)裝配傳送機(jī)械化之外，大部分零部件裝配仍然采取的是固定式裝配模式，車間以及工位之間的轉(zhuǎn)運(yùn)主要依靠起重機(jī)以及叉車來(lái)實(shí)現(xiàn)。

其次，機(jī)械零部件裝配以人工作業(yè)為主。目前我國(guó)在工程機(jī)械的裝配方面仍然存在自動(dòng)化裝配程度低的問(wèn)題，工件的搬運(yùn)、安裝等都是通過(guò)人工操作或者是利用車間起重設(shè)備來(lái)完成；而且國(guó)外的工程機(jī)械裝配也并未全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線。

2.2 工裝工具

在工程機(jī)械裝配中工藝裝配以及工具都發(fā)揮出十分重要的作用，先進(jìn)的裝配工藝才能實(shí)現(xiàn)裝配效率以及裝配精度的全面提升。在當(dāng)前工程機(jī)械的焊接以及加工中焊接機(jī)器人、加工中心的應(yīng)用正在實(shí)現(xiàn)普及，但是裝配環(huán)節(jié)并未出現(xiàn)先進(jìn)裝配設(shè)備。

目前在裝配工程機(jī)械的過(guò)程中擰緊機(jī)、壓裝機(jī)等工裝工具的應(yīng)用比較常見(jiàn)，很多其概況下軸承與軸、外圈與孔、銷與孔之間采取的都是過(guò)盈配合，需要通過(guò)加熱或者冷卻的方式來(lái)提供便利，因此必須要應(yīng)用到工業(yè)加熱箱或者冷柜等裝置。而通過(guò)應(yīng)用壓裝工藝能極大提升裝配效率，但需要針對(duì)不同裝配零部件設(shè)計(jì)相應(yīng)的壓裝機(jī)。壓裝機(jī)通常是由液壓油缸提供驅(qū)動(dòng)力，其整體結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，且具有較強(qiáng)的適用性，可以完成定點(diǎn)壓裝，同時(shí)也可以利用其中設(shè)備等在不同裝配工位使用。

在工程機(jī)械裝配過(guò)程中連接緊固屬于非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容。大部分工程機(jī)械的零部件都是通過(guò)大直徑螺栓進(jìn)行連接，且關(guān)鍵位置螺栓連接過(guò)程中對(duì)緊固力矩的要求比較高，例如傳動(dòng)件、工裝裝置的連接裝配必須要使用擰緊工具來(lái)完成。但是螺栓緊固連接過(guò)程中普通氣動(dòng)扳手屬于主要工具，但是這種裝配工具對(duì)擰緊力矩不能進(jìn)行精確把握，很容易導(dǎo)致螺栓后期出現(xiàn)松動(dòng)等現(xiàn)象。為了能充分保障裝配過(guò)程中的擰緊力矩，很多企業(yè)在裝配過(guò)程中首先利用普通扳手?jǐn)Q緊后，再通過(guò)扭力扳手進(jìn)行校準(zhǔn)，但超過(guò)2000Nm的扭力扳手通常都比較笨重，多人協(xié)同合作。因此針對(duì)工程機(jī)械裝配過(guò)程中的大直徑螺栓只能通過(guò)抽檢方式對(duì)其緊固力矩進(jìn)行控制，由此也使得后期很可能會(huì)出現(xiàn)螺栓松動(dòng)者隱患。為了能夠充分保障螺栓緊固連接具備較強(qiáng)可靠性，同時(shí)對(duì)螺栓擰緊力矩進(jìn)行精準(zhǔn)控制，一些大型企業(yè)引進(jìn)了手機(jī)電動(dòng)扳手、多種擰緊機(jī)等定扭矩?cái)Q緊工具。

2.3 工人勞動(dòng)強(qiáng)度

在裝配工期相對(duì)比較落后的情況下，且受到裝配自動(dòng)化水平的限制，工程機(jī)械在裝配過(guò)程中操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度往往比較大。裝配工作人員在進(jìn)行工程機(jī)械裝配的過(guò)程中會(huì)涉及到工件搬運(yùn)、工件的配合和調(diào)整以及工具使用等幾個(gè)方面。在工程機(jī)械的裝配過(guò)程中大型工件通常情況下是利用車間起重設(shè)備進(jìn)行吊裝，但質(zhì)量相對(duì)較輕的工件往往是通過(guò)工人搬運(yùn)。通過(guò)在裝配車間使用平衡吊能夠讓工人搬運(yùn)工件的勞動(dòng)量控制在最低程度，而且也能夠保障其在工位的合適位置停放，對(duì)工程機(jī)械裝配能起到極大便利作用，同時(shí)也能夠?qū)⒀b配操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行有效控制。

在進(jìn)行工程機(jī)械大銷軸與孔的過(guò)盈配合裝配的過(guò)程中通常需要操作人員使用大錘進(jìn)行不斷敲擊，在這種操作方式下工件很容易遭到破壞，而且操作過(guò)程也存在一定安全隱患。另外一些大型工件與底部工作進(jìn)行配合的過(guò)程中，吊裝到位后需操作人員需要利用撬杠等工具，而這些工具在操作過(guò)程中費(fèi)時(shí)費(fèi)力。工程機(jī)械通常情況下使用的螺栓直徑都相對(duì)比較大，因此緊固工具相對(duì)更重，在裝配過(guò)程中完全依靠裝配人員人工操作，導(dǎo)致實(shí)際裝配過(guò)程中操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。

3 工程機(jī)械裝配工藝未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 輸送自動(dòng)化

隨著機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械制造生產(chǎn)企業(yè)在充分保障產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，開始逐步傾向于進(jìn)一步提升裝配效率，最大程度緩解操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度的生產(chǎn)工藝，在工程機(jī)械裝配過(guò)程中輸送技術(shù)屬于非常關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)。空中自行小車、機(jī)械化鏈板輸送線目前在工程機(jī)械的零部件配裝生產(chǎn)線中以及一些輕型零部件的裝配工具輸送過(guò)程中已經(jīng)得到應(yīng)用，這在很大程度上也進(jìn)一步提升了裝配工藝流水線的自動(dòng)化程度。而大型工程機(jī)械由于產(chǎn)量往往相對(duì)比較低，而且各個(gè)零部件相對(duì)笨重，在未來(lái)很長(zhǎng)一段發(fā)展時(shí)期內(nèi)仍然將長(zhǎng)期運(yùn)用固定式裝配工藝。

3.2 設(shè)備柔性化

企業(yè)在積極引進(jìn)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線之后是企業(yè)的裝配作業(yè)效率以及生產(chǎn)產(chǎn)能得到極大提升，但對(duì)于工程機(jī)械的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)多種類、小批量時(shí)期最大特征。傳統(tǒng)的固定式裝配工藝在應(yīng)用過(guò)程中嚴(yán)重影響作業(yè)效率，而充分借助裝配生產(chǎn)線能夠全面提升裝配作業(yè)效率，但同時(shí)也要充分保障一定的柔性，這樣才能夠?qū)Σ煌N類不同批量的產(chǎn)品裝配給予有效支撐。因此在針對(duì)工程機(jī)械裝配生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須要對(duì)企業(yè)多品類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行充分考慮，在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)充分保障生產(chǎn)線能夠?yàn)槎嗥奉惍a(chǎn)品裝配提供便利，同時(shí)也可以針對(duì)多種類產(chǎn)品充分利用更換支架以及工裝等來(lái)實(shí)現(xiàn)裝配。此外，同時(shí)還需要在一定范圍內(nèi)保障生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)，以此來(lái)滿足不同產(chǎn)品裝配時(shí)間的具體需求。

3.3 操作人性化

自動(dòng)化輸送生產(chǎn)線的應(yīng)用能夠最大程度避免操作人員搬運(yùn)笨重的工件，從而是操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度得到極大緩解，這也是裝配工藝發(fā)展過(guò)程中的一種人性化表現(xiàn)。在工程機(jī)械裝配過(guò)程中通過(guò)應(yīng)用專用反轉(zhuǎn)機(jī)、平衡式起重機(jī)、助力機(jī)械臂等相關(guān)設(shè)備能夠讓裝配工作人員在操作過(guò)程中盡可能處在舒適狀態(tài)。此外通過(guò)應(yīng)用加熱/冷凍裝置、液壓壓裝工裝等相關(guān)設(shè)備能夠保障在進(jìn)行銷軸、襯套等零部件加工過(guò)程中不需要要求操作人員使用笨重的大錘進(jìn)行敲擊，自動(dòng)化裝配工具的應(yīng)用可以將操作人員從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)。此外充分利用自動(dòng)擰緊機(jī)和涂膠機(jī)等相關(guān)設(shè)備不僅能夠全面提升裝配作業(yè)效率，同時(shí)也能有效緩解工程機(jī)械裝配過(guò)程中作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)往往對(duì)清潔度要求非常高，在未來(lái)工程機(jī)械在裝配過(guò)程中將實(shí)現(xiàn)裝配車間冷暖空調(diào)的配置，這樣不僅能夠極大改善操作人員作業(yè)環(huán)境，而且也能夠充分保障作業(yè)環(huán)境的清潔度。裝配作業(yè)人性化不僅能夠讓裝配作業(yè)人員在操作過(guò)程中更加舒適，而且也能夠?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量提供良好保障，由此可以看出，未來(lái)工程機(jī)械制造企業(yè)在發(fā)展過(guò)程中操作人性化也必將是一個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)。

3.4 新產(chǎn)品虛擬化裝配

隨著現(xiàn)代工業(yè)都要快速發(fā)展，工程機(jī)械產(chǎn)品也正在加速更新?lián)Q代。在傳統(tǒng)工程機(jī)械領(lǐng)域中，新產(chǎn)品的推出往往需要消耗一年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，甚至一些大型工程機(jī)械設(shè)備數(shù)月時(shí)間來(lái)進(jìn)行裝配，這個(gè)主要是因?yàn)楣こ虣C(jī)械在設(shè)計(jì)和工藝等幾個(gè)方面水平相對(duì)比較落后，而且在進(jìn)行工程機(jī)械裝配的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位以及干涉等相關(guān)現(xiàn)象，因此在裝配環(huán)節(jié)也不可避免的會(huì)出現(xiàn)修補(bǔ)、現(xiàn)場(chǎng)切割以及鉆鉸等作業(yè)過(guò)程，在這種裝配工藝下，會(huì)存在費(fèi)工費(fèi)料的問(wèn)題，而且裝配耗時(shí)更長(zhǎng)。

如果在工程機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程中充分利用三維可視化設(shè)計(jì)軟件，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就可以來(lái)針對(duì)各個(gè)零部件和整機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬裝配，在虛擬裝配過(guò)程中就可以對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行反復(fù)校核，以此來(lái)檢查各零配件在裝配過(guò)程中是否存在干涉問(wèn)題，一旦發(fā)現(xiàn)存在干涉可以及時(shí)進(jìn)行修改。通過(guò)三維虛擬化軟件的應(yīng)用可以將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下裝配環(huán)節(jié)才能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就能進(jìn)行及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修改，從而使得新產(chǎn)品試制過(guò)程更加順利，也能極大縮減新產(chǎn)品的研發(fā)周期。

3.5 裝配效率得到極大提升

生產(chǎn)工程機(jī)械設(shè)計(jì)、工藝水平的不斷提升，也可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)零部件加工精度及配合精度等有效改善，零部件加工進(jìn)度與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)匹配度更高，同時(shí)也能夠完全實(shí)現(xiàn)并不間斷互換，使得選配、修配、配焊等工時(shí)消耗過(guò)程的作業(yè)工序得到有效削減，而且在充分利用自動(dòng)化裝配流水線后，工程機(jī)械的裝配生產(chǎn)效率可以得到極大提升。

4 結(jié)語(yǔ)

目前工程機(jī)械裝配工藝體現(xiàn)出來(lái)裝配自動(dòng)化程度低、裝配工具落后、裝配作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等諸多問(wèn)題。隨著科技水平的不斷提升，工程機(jī)械設(shè)計(jì)和工藝水平也將取得更大進(jìn)步，在未來(lái)工程機(jī)械的裝配領(lǐng)域中將逐步向著自動(dòng)化、設(shè)備柔性化、操作人性化、產(chǎn)品裝配虛擬化等幾個(gè)方向發(fā)展，未來(lái)在先進(jìn)裝備工藝的支撐下，我國(guó)機(jī)械裝備行業(yè)將取得更加快速的發(fā)展。