裝載機結構件焊接車間工藝布局設計

王祥，張孝平，桑清宇

（中機第一設計研究院有限公司，合肥230601）

1 命題來源及輸入條件

1.1 命題來源

命題來源于中機第一設計研究院有限公司承擔的某裝載機生產企業的園區整體規劃設計項目，本文介紹了結構件焊接車間的主要工藝設計內容。

1.2 車間生產任務

結構件焊接車間主要承擔3～12t裝載機的主要結構件組對、焊接、整形及焊后機加工等任務。其中有前車架總成、后車架總成、動臂總成、鏟斗總成以及小總成件等。項目設計年產裝載機4萬臺，這將是裝載機產品全球最大生產基地。

1.3 工作班次

根據生產任務和生產綱領，結構件焊接車間的工作班次為三班制生產，相應的設備和人員將按此進行配備。

2 設計內容及設計難點

2.1 設計內容

本項目設計內容主要包括廠房建設方案（跨度、長度、軌高、起重量、采光、通風、除塵等）、生產工藝選擇、車間物流路線設計、設備選型及布置等。

2.2 主要設計難點

本項目生產性質為多品種大量生產，對于此種生產方式主要存在以下難點：

1）如何將智能化、信息化、數字化、自動化等先進技術運用到該產品的生產制造環節，將本項目建設為國際一流、國內領先的標桿工廠；

2）如何實現品種多、產量大、重量重的厚板結構件的短流程、快緊湊生產；

3）各工序設備配置如何實現既先進可靠、又使每條生產線產能合理匹配；

4）如何實現物流運輸環節的自動化、信息化、準時化，同時避免互相干涉。

3 設計成果及設計難點的解決措施

3.1 主要工藝設計

3.1.1 裝載機主要結構件工藝流程

1）前車架工藝流程

2）后車架工藝流程

3）鏟斗工藝流程

4）動臂工藝流程

3.1.2 設計原則

1）設計中根據結構件加工工藝特點，按照結構件種類將車間規劃為前車架生產單元、后車架生產單元、動臂生產單元、鏟斗生產單元、小總成件（搖臂、拉桿擺動架等）生產單元以及大噸位結構件生產單元等，每個生產單元生產內容包括組對、焊接、機加工。

2）為提高焊接質量以及焊接加工效率，實現智能化、信息化、數字化、自動化，結構件焊接主要采用機器人自動焊接生產線，采用RGV自動輸送系統，實現一人多機操作，每臺設備均配備自動焊煙除塵系統。

3）焊接工藝措施以防止和減小結構件變形作為貫穿整個工藝過程的控制要點。

4）按產品及生產工藝相似性的原則組織流水生產線，工藝路線從組對—焊接—機加工—緩存、最后到涂裝體現“一個流”的思想，并配備相應物流輸送起吊設備，實現物流機械化、自動化。

3.1.3 主要工藝說明

1）拼焊工藝說明

總成拼焊采用專用工裝結合可調工裝與組合工裝，可方便實現大批量生產與小批量多品種生產，及時滿足市場不同需求。采用快速夾鉗、氣動夾具等高效工裝，采用隨行夾具等工裝設計理念，提高拼焊質量和效率。

2）焊接工藝說明

為提高焊接工藝水平，確保結構件的焊接質量，根據結構件的特點，將外露焊縫較多的關鍵結構件如前后車架、動臂、鏟斗等采用機器人焊接+變位機補焊的焊接工藝，焊接機器人的使用提高了生產效率和產品的品質，改善了工人的勞動條件。

裝載機的結構件多為中厚板件，為減少焊接變形，采用細絲（φ1.2mm）、多層多道、雙絲氣保焊等工藝，嚴格控制焊接規范。CO2（15%）+Ar（85%）混合氣體保護焊用于低碳、低合金鋼結構件的焊接，可保證焊縫足夠的熔深和接頭強度、良好的焊縫成形，可大大減少焊后打磨工作，減輕工人勞動強度和打磨噪聲。

根據結構件制作工藝流程，將需焊中機加工和焊后機加工的設備布置在焊接生產線相應工序中，可減少結構件車間的物流量和批量生產時的工件運輸量。

3）前車架生產單元

前車架生產單元將前車架拆分成立柱、鉸接架、耳座等小總成件，各小總成以及總成件的拼裝采用高效組對工裝。

焊接方面，耳座焊接變形較大，采用機器人焊接，通過合理編排焊接順序減小焊接變形。前車架及小總成焊接使用焊接機器人，提高前車架焊接自動化程度，前車架內腔機器人不易焊到的焊縫人工補焊。

前車架加工設備采用專機形式，提高加工效率和質量。

4）后車架生產單元

后車架生產單元將后車架拆分成鉸接架、附支體等小總成件。小總成件采用人工焊接，輔以焊接變位機翻轉。后車架總成采用機器人焊接，機器人不易焊到的焊縫人工補焊。

機加工方面，鉸接架、附支體采用鏜專機加工，小總成加工到位，總成采用數控鉆專機鉆孔、攻絲。

5）動臂生產單元

動臂生產單元橫梁采用專機焊接，焊后銑端面，以保證橫梁與動臂板無間隙貼合。搖臂座梁及動臂總成焊接采用焊接機器人，提高焊接質量及效率。

動臂焊后采用液壓校正工裝進行焊接變形校正，提高校正工序效率。搖臂座梁以及動臂總成加工采用組合專機，提高加工效率和質量。

6）鏟斗生產單元

鏟斗生產單元生產采用高自動化流水線形式，縮短鏟斗加工節拍。鏟斗鉸接板及法蘭用焊接專機形成小總成，鏟斗用焊接機器人焊接，編排合理的焊接順序，減小鏟斗焊接變形。機器人不易焊到的焊縫人工補焊，輔以焊接變位機進行翻轉，鏟斗焊后輸送到鏜專機進行鏜孔加工。

3.2 車間工藝平面布局

根據設計輸入條件和工藝方案，新建結構件焊接車間工藝平面布局如圖1所示，為南北向布置，南邊與涂裝結構件緩存跨垂直，北邊與備料車間垂直，主要物流走向為自北向南。

圖1 結構件焊接車間工藝平面布局圖

結構件焊接車間由13個豎向生產跨和2個豎向天井組成，南北向長度約160m，東西向長度約340m，總建筑面積約50 000m2。車間起重機最大起重噸位為10t，起重機軌頂標高9m。生產輔助用房設在2個豎向天井內，車間辦公及生活輔助用房布置在最西邊跨內。

3.3 物流輸送方案

結構件焊接車間所用板材和型材由北側備料車間通過AGV小車成組配送至各生產單元組對工位。各生產單元物流方案如下：

1）組對工位及焊接工位采用KBK輕型柔性起重機；

2）工位間工件轉運采用RGV小車或低壓電動平車；

3）機加工工位上下工件采用5t或10t橋式起重機。

4 主要設計亮點

4.1 “一個流”的設計理念

結構件焊接車間與備料車間、涂裝車間垂直布置【1】，完全遵循精益生產“一個流”的設計理念，無論是零件從備料車間到結構件焊接車間組對區，還是經組對、焊接、加工的結構件到涂裝件緩存區，物流無交叉、倒流顯現，且物流路線最短，提高了結構件的生產效率。

4.2 焊接機器人的采用

采用焊接機器人全面取代人工焊接,通過離線編程、路徑規劃、系統仿真功能實現與生產過程信息、質量信息和數字化車間管理系統無縫連接。

焊接機器人的智能接口對關鍵環節進行實時監控、在線檢測、數據管理等，全面實現車間管理的信息自動化，有效提高了生產管理水平。

4.3 鏟斗的自動化焊接流水線

鏟斗焊接單元采用高自動化流水線形式【2】，焊接流水線由焊接機器人、焊接變位機、直角換軌RGV小車組成，直角換軌RGV小車在自動模式下通過區域控制器可直接與焊接機器人系統進行通信，無須人工參與，自動進行信息的流轉，完成工件的轉運、上料、自動裝夾、焊接等工序，實現生產線的柔性化、自動化、無人化。

4.4 高效的物流輸送方式

AGV智能物流配送系統，通過智能化控制系統實現從零件自動識別、自動排隊，并按照生產節拍對各個焊接單元組對工位配送點實現物料的全自動定點準時配送,全面替代傳統的人工分撿+叉車配送的物料供應模式。

RGV輸送系統，將多臺焊接機器人有機形成自動化焊接生產線，實現焊接過程的無人化。

KBK輕型柔性起重機，組對及焊接工位采用KBK輕型柔性起重機方案，相比傳統半龍門起重機方案，KBK輕型柔性起重機輕便靈活，工人操作更加方便快捷，且節約了廠房建設成本。

5 結語

本文對年產4萬臺裝載機項目結構件焊接車間工藝布局設計進行了介紹，設計過程中采用了先進的生產工藝和設備，工藝物流路線最佳，車間工藝布局合理。本項目自投產以來，取得了巨大的經濟效益，其產品生產周期縮短約40%，關鍵結構件自制率提升約20%，大幅降低了資金占用與生產成本，極大地擴大了該企業產品的市場份額，并且提升了產品的國際化競爭能力。