船體型材智能加工生產線工藝需求分析

馬月勝， 顧 勝， 林光裕

(1.上海中船臨港船舶裝備有限公司， 上海210000； 2.上海船廠船舶有限公司， 上海210000)

0 引 言

在現代船舶制造業中，幾乎所有船型都會大量使用型材，船體型材的使用量占船體全部鋼材用量的20%～30%。其中，冷彎型材具有經濟實用、環保節能、安裝方便等優勢，其應用也越來越廣泛。

型材切割和冷彎技術作為重要的加工手段，占有非常重要的地位。目前，造船用型材的加工涉及的品種和規格多、工件輪廓線型復雜、加工要求高、切割冷彎工作量巨大。在船廠型材的加工主要以手工為主，部分船廠在切割方面引入國外機器人切割生產線系統，在加工方面引入數控冷彎設備，但沒有形成從切割、坡口加工到冷彎成形的柔性化生產線。傳統型材加工方式存在如下問題：

(1) 耗費人工多，材料浪費量大；

(2) 多工位離散作業，占用生產場地大，生產效率低；

(3) 加工精度不穩定、質量差、差錯率高；

(4) 加工質量過程不便于追溯。

隨著中國船舶行業轉型發展的需要，落后的傳統型材加工方式已不能滿足船舶行業智能制造的現實需求，亟需開展數字化、自動化、智能化的型材加工生產線研制，為船舶行業的智能化發展提供示范應用模板。

型材智能加工生產線的研制應用可解決傳統型材加工方式的弊端，具有如下優點：

(1) 操作人員少，加工精度高；

(2) 型材切割冷彎成形形成柔性生產線，場地占用少，生產效率高；

(3) 型材加工精度穩定、質量好、差錯率低；

(4) 加工質量過程可追溯；

(5) 形成典型的智能制造生產線，為船舶行業轉型發展提供示范效應。

本文通過開展型材智能加工生產線研制推廣應用研究，實現球扁鋼、T型材、角鋼、扁鋼等型材的智能化切割和數控冷彎成形加工，形成一條柔性化的型材智能加工生產線，提高加工精度和效率[1]，為推動船舶制造向智能化方向發展提供典型生產線示范應用。

1 國內外市場分析

國外船體部件制造關鍵工藝裝備的研發起步較早，基礎較雄厚，投入較大，在許多方面取得了顯著的成績。

荷蘭HGG公司、日本小池酸素株式會社等公司在船體型材切割裝備方面走在世界前列，開發的船體型材切割生產線在工業生產中得到廣泛應用。我國各大船廠也引進了上述公司的近二十條生產線。圖1為日本小池酸素株式會社數控等離子坡口切割機。國內型材切割冷彎具有非常廣闊的市場：目前上海船廠船舶有限公司、滬東中華造船(集團)有限公司等十幾家單位使用的型材機器人切割生產線都是由國外公司生產的，這些型材機器人切割生產線基本都達到了使用壽命周期；國內許多中小船廠也有型材機器人切割生產線的需求。

在型材彎曲成型裝備方面，目前德國IMG公司、英國SMITH公司、瑞典SMT-PULMAX公司、日本FUJI公司、意大利Manesmann Demag鋼鐵公司等占領全球肋骨冷彎機工業化應用的主要份額[2]。自20世紀70年代以來，武漢理工大學等許多專家單位在數控肋骨冷彎工作方面取得了原創性的成果，成功研制了肋骨冷彎機。2006年武漢理工大學在肋骨加工領域再次取得重大進展，成功研制“肋骨冷彎加工機器人”[3]。

圖1 日本小池酸素株式會社數控等離子坡口切割機

2 國內外相關技術和產業現狀及發展趨勢

國內船體部件制造的關鍵工藝裝備的研發起步較晚，基礎較薄弱，投入相對不足，與國外發達國家相比，除少數領域外，在許多方面都存在不小的差距。

2.1 型材切割

國外型材機器人切割生產線的生產廠家主要有荷蘭HGG公司，其技術相對成熟，采用機器人等離子切割，具有噴墨打碼、劃線等功能，但是其價格高昂，一條型材機器人切割生產線的價格在800萬元人民幣左右。目前國內大型骨干船廠均配置了型材機器人切割生產線，大多使用的是荷蘭HGG公司產品，這些生產線由于使用年限已久，大多故障頻發，維護費用高昂，讓船企不堪重負。

2.2 肋骨冷彎

目前國外船舶型材冷彎加工主要是手工操作，還沒有全自動的數控裝備。英國HUGH SMITH公司和瑞典URSVIKEN公司的肋骨冷彎機的加工對象分別為：球扁鋼(單球頭)、角鋼和T型鋼等，加工過程均不能進行數字化控制。

在肋骨冷彎加工裝備方面，上海船舶工藝研究所、武漢理工大學等單位已有原創性成果，上海船舶工藝研究所已有數十臺數控肋骨冷彎機成功應用于國內外各船廠。1997年上海船舶工藝研究所研制成功了國內首臺擁有自主知識產權的數控肋骨冷彎機，并交付船廠實際生產使用，使肋骨冷彎加工實現自動化生產，填補了“數字化造船”在肋骨型材彎制加工領域的空白。之后，該所的數控肋骨冷彎機產品完成了系列化設計、生產，并且在彎制工藝、控制系統、機-電-液執行機構等方面都按照生產實際使用情況進行了不斷改進和優化，滿足了我國船舶建

造快速發展的需求。數控肋骨冷彎機雖然已有成果，但智能化程度還不足，尤其在型材彎制工藝和彎曲精度檢測方面亟需進一步研究和提高[4]。

3 型材加工工藝需求分析

3.1 船體型材切割設備工藝需求

以主力船型為箱船、散貨船、重吊船、海洋工程輔助船等的船舶建造需求為例，型材加工材料常用型號主要有球扁鋼和角鋼，型材加工工藝需求需綜合考慮以下因素：

(1) 型材原料長度；

(2) 型材切割球扁鋼、角鋼所占比例；

(3) 型材切割月需求量；

(4) 型材冷彎月需求量；

(5) 型材切割精度要求；

(6) 切割坡口角度及其精度要求；

(7) 切割正反坡口占比要求；

(8) 型材冷彎彎曲率及精度要求。

圖2為智能型材切割機器人，能夠滿足上述切割工藝要求。

圖2 智能型材切割機器人

3.2 送料系統、下料系統工藝需求

功能：型材輸送輥道系統，采用板鏈輸送方式，用于輸送縱、橫向材等零件。

配置：電機減速機、鏈輪、鏈條、驅動輥道。

參數：輥道寬度為1 200 mm；輥道長度為156 000 mm；輥道上表面標高為500 mm；輸送速度為6 000 mm/min；輥道負載能力為3 t/m。

設備信息化需求：

(1) 預留信息化網絡接口，可實現工位與工廠互聯網和其他工位或設備的互聯互通，為后期信息化智能化制造預留空間；

(2) 可通過互聯網下載工作計劃和工藝數據，可通過互聯網上傳工位操作員、檢驗數據、任務完成情況的管理數據，以實現生產統計、生產過程監督、生產質量跟蹤的數字化和智能化管理；

(3) 可根據需求設置看板，看板內容可通過網絡調取；

(4) 可根據需要設置讀碼器、打碼器，以實現生產的數字化管理。

圖3和圖4分別是送料、下料系統和自動送料分類系統，能夠滿足上述切割工藝要求。

圖3 送料、下料系統

圖4 自動送料分類系統

3.3 船體型材冷彎工藝需求

數控冷彎機主要技術參數如表1所示。

表1 型材冷彎工藝需求參數

圖5為數冷彎機，其加工能力可滿足上述表中各種冷彎工藝參數需求。

圖5 數控冷彎機

4 結 語

型材智能加工生產線的推廣應用對于我國船舶行業的智能化轉型發展具有重要的示范效應，不但可以提高型材加工的精度、生產效率，而且突破了型材切割、冷彎成形上下道生產工序間互聯互通的技術瓶頸，填補國內造船行業型材加工領域的空白。