挖掘機挖斗焊接生產(chǎn)線設(shè)計

馬闖，王仲恒，石靜

（中機第一設(shè)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

本文主要源自中機第一設(shè)計研究院有限公司承攬的某挖掘機生產(chǎn)企業(yè)新建挖掘機挖斗自動化焊接生產(chǎn)線的設(shè)計任務(wù)。

1.2 生產(chǎn)任務(wù)

生產(chǎn)線負(fù)責(zé)挖掘機鏟斗的焊接生產(chǎn)，要求月產(chǎn)大型挖掘機挖斗1 300 個，生產(chǎn)性質(zhì)屬于大批量生產(chǎn)。

生產(chǎn)線所需的各種板材均由廠區(qū)內(nèi)備料中心負(fù)責(zé)，生產(chǎn)零件會以臺套為單位使用AGV 配送至生產(chǎn)線指定位置。另外，生產(chǎn)所需的外協(xié)件由位于備料中心的外協(xié)件倉庫提供，并以臺套形式AGV 配送至生產(chǎn)線指定位置。

1.3 工作班次

根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)及綱領(lǐng)，本焊接生產(chǎn)線為三班制生產(chǎn)，工藝設(shè)備設(shè)計年時基數(shù)為5 010 h，工人設(shè)計年時基數(shù)為第一班、第二班均為1 780 h，第三班1 445 h[1]。生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)人員數(shù)量均按照兩班制進行計算。

2 主要設(shè)計目標(biāo)

2.1 生產(chǎn)節(jié)拍

根據(jù)年時基數(shù)及生產(chǎn)綱領(lǐng)，本生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍計算如下：（5 010×60）/（1 300×12）≈19 min。故本生產(chǎn)線的設(shè)計生產(chǎn)節(jié)拍為19 min。

2.2 結(jié)構(gòu)件拼點部分

1）設(shè)計前瞻性：結(jié)合的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，建設(shè)一條高柔性化、自動化、信息化的組對生產(chǎn)線。

2）現(xiàn)場無人化：來料零件定置化實現(xiàn)自動抓取上件，線間轉(zhuǎn)運采用自動輸送設(shè)備，取消叉車及天車人工自助轉(zhuǎn)運。

3）產(chǎn)線標(biāo)準(zhǔn)化：組對工裝、輸送設(shè)備、通信模塊、焊接設(shè)備及機器人設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。

徐上瀛先生提及：“遠(yuǎn)與遲似，而實與遲異，遲以氣用，遠(yuǎn)以神行，故氣有候，而神無候。會遠(yuǎn)于候之中，則氣為之使。”所謂“氣有候”，是對樂曲而講，是講樂曲之氣候，樂曲之意。演奏者要根據(jù)樂曲之氣候來調(diào)節(jié)氣息。此處其實暗含著兩股氣息，一股是樂曲本身之氣，另一股是琴者生理之氣。只有當(dāng)兩者和諧之時，琴曲才能順勢而出。氣息在琴者與琴曲這兩個不同的精神空間流動，這種流動其實質(zhì)上是為了打造出一個相同或相似的精神空間。由于氣息的流動性也造就了琴曲在空間上的層次感。

4）生產(chǎn)信息化：通過物料管理系統(tǒng)、訂單管理系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、生產(chǎn)線單元PLC 及相關(guān)傳感器實現(xiàn)車間的設(shè)備監(jiān)控、生產(chǎn)展示、線體監(jiān)控及生產(chǎn)管理等功能，實現(xiàn)智能化透明化車間。

2.3 焊接部分

焊接部分要以無人化生產(chǎn)為目標(biāo)，并通過以下方式進行設(shè)計：（1）焊裝工藝水平應(yīng)屬國際領(lǐng)先水平。（2）采用以弧焊為主的焊接生產(chǎn)工藝。（3）全工位自動化率100%。（4）組織柔性焊接生產(chǎn)線，用于各總成焊接生產(chǎn)，不同平臺不同系列挖斗可在同一條線上混流生產(chǎn)。線上夾具可根據(jù)不同車型自動切換。（5）生產(chǎn)線工序之間及焊涂的運輸設(shè)立高自動化水平的機械化輸送線。

2.4 機加工部分

1）設(shè)備要考慮柔性加工，可滿足工廠所需產(chǎn)品的加工要求。

2）設(shè)備的選型立足于國內(nèi)。選用的設(shè)備滿足工件加工需求，同時兼顧可靠性、性價比、低噪聲、節(jié)能高效以及環(huán)境要求等。

3）機加工要實現(xiàn)無人化操作，設(shè)備可讀取訂單信息，并實現(xiàn)自動切換加工程序。

4）實現(xiàn)自動上下料，工裝液壓自動夾緊等。

3 選用的生產(chǎn)工藝說明

3.1 部件拆分及生產(chǎn)工藝流程

鏟斗體焊接之前需要先進行子部件的拼點及焊接，包括斗齒座組件、側(cè)板組件以及鏟斗連接座組件。本項目將為斗齒座組件和鏟斗連接座組件分別設(shè)置焊接生產(chǎn)線，再將焊接完成的子部件送至總成組對工位進行鏟斗體總成的組對。側(cè)板組件則使用人工拼點工作進行拼點焊接。

圖1 挖斗焊接生產(chǎn)工藝流程圖

3.2 斗齒座焊接

斗齒座焊接生產(chǎn)包括拼點、預(yù)熱和完成焊3 道工序。斗齒座的拼點工作由自動拼點工作站完成，工作站包括拼點工裝、搬運機械手、焊接機械手、桁架機械手等組成。

斗齒座拼點工位的來料均使用專用工裝，并使用AGV 配送到位，工裝上的零件都按要求碼放到位，以便搬運機械手準(zhǔn)確抓取。生產(chǎn)管理系統(tǒng)將訂單信息發(fā)送至拼點工作站后，站內(nèi)的搬運機械手負(fù)責(zé)根據(jù)零件二維碼來復(fù)核來料的準(zhǔn)確性，并將零件從配送工裝上抓取并放置到拼點工裝的相應(yīng)位置；拼點工裝具有自動夾緊功能；焊接機械手則與搬運機械手配合來完成工件的點焊工作；焊接完成的組件則使用桁架抓手下料并送至加熱爐進行焊前預(yù)熱。

斗齒座組件的焊前預(yù)熱使用1 臺加熱爐完成，加熱爐選用通過式，其可以根據(jù)生產(chǎn)管理系統(tǒng)下達的生產(chǎn)管理計劃按時將所需零件加熱并送出。另外，利用加熱爐的輸送系統(tǒng)作為拼點后工件的緩存和緩沖，解決其前后工序間的臨時工時不平衡。

3.3 連接座組件焊接

連接座組件拼點工作站由搬運機械手、帶有自動夾緊功能的拼點工裝和焊接機械手、桁架抓手組成，同樣由生產(chǎn)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)生產(chǎn)計劃下發(fā)和物流配送管理，工作站負(fù)責(zé)來料核對并自動調(diào)用相關(guān)的生產(chǎn)程序。搬運機械手負(fù)責(zé)將零件抓取并放置到拼點工裝的相應(yīng)位置；拼點工裝同步進行零件的自動夾緊；焊接機械手則與搬運機械手配合來完成工件的點焊工作；焊接完成的組件則使用桁架抓手下料并碼放至配送工裝的指定位置。

3.4 連接座加工

連接座的加工擬選用帶有一定柔性的自動加工專機輔以自動上下件系統(tǒng)完成連接座的加工。專機配有雙工作頭，可同時從工件兩側(cè)進行鏜孔加工，可大大縮短加工時間、節(jié)約生產(chǎn)面積、減少投資。

3.5 側(cè)板組件焊接

側(cè)板組件焊接由焊接工作站完成，每個焊接工作站由1 臺抓取機械手、2 個帶液壓夾緊功能的焊接組對工裝以及2 個焊接機械手組成。抓取機械手負(fù)責(zé)將零件從配送工裝上去除并放置到拼點工裝相應(yīng)位置，拼點工裝自動夾緊，之后焊接機械手進行點焊及完成焊，同時抓取機械手轉(zhuǎn)至另外的拼點工裝進行零件上件工作。焊接完成后的側(cè)板總成由桁架抓手進行下料。

3.6 鏟斗體總成拼點

焊接（加工）完成后的斗齒座組件、連接座組件和側(cè)板組件會以臺套的形式由AGV 輸送至總成拼點工位的指定位置。鏟斗總成拼點工位同樣使用桁架抓手、焊接機械手配合具有自動夾緊功能的拼點工裝來完成鏟斗總成的拼點工作。拼點完成后的鏟斗體總成會由桁架抓手進行自動下料并運輸至鏟斗焊接線進行完成焊。

3.7 鏟斗完成焊

鏟斗體完成焊為一條相對獨立的焊接線，焊接線主要由焊接工作站、RGV 輸送系統(tǒng)以及自動打磨工位組成。RGV 負(fù)責(zé)將拼點好的鏟斗體總成從上線點運送至焊接工作站并自動上件，焊接工作站的變位機則自動夾緊工件，之后焊接機械手進行自動掃碼、調(diào)用程序并自動完成焊接，焊接完成后的鏟斗體再由RGV 運送至自動打磨工位。自動打磨工位配置與焊接工作站類似，焊接變位機實現(xiàn)工件的自動裝夾，機械手與其配套的打磨機共同完成鏟斗體的焊后打磨工作。

3.8 人工補焊

完成焊后打磨的鏟斗體再由RGV 運送至人工補焊工位，同樣由RGV 配合焊接變位機完成工件的自動上料工作，再由人工對部分缺陷焊縫進行人工修補，同時此工位還需完成涂裝前的屏蔽工作。補焊工位完成屏蔽工作可以避免后續(xù)的倒運并減少屏蔽人工，同時，在變位機上完成屏蔽工作能提高工人操作的便利性，減少工作強度并提高工作效率和質(zhì)量。

人工補焊完成以后的工件會自動放置在運送工裝上，并調(diào)整好工件姿態(tài)，便于后續(xù)涂裝上線。

4 主要設(shè)計亮點

1）本項目首次（同時也是首家）在挖掘機行業(yè)實現(xiàn)鏟斗體的全自動拼點工作，由于沒有相關(guān)經(jīng)驗可以借鑒，自動拼點工作會先進行試驗驗證，在驗證成功的前提下再進行設(shè)備采購，驗證成功前可短期內(nèi)進行人工拼點（配備具有夾緊功能的裝焊胎）；

2）采用桁架抓手實現(xiàn)工件拼點（部分工作）和完成焊工位的自動上下件；

3）在人工補焊工位進行涂裝前的屏蔽工作；

4）實現(xiàn)工件的單件流；

5）焊接線配有小型MES 系統(tǒng)，完成生產(chǎn)線的生產(chǎn)管理和物料管理；

6）使用柔性專機完成連接座的加工。

5 結(jié)語

本文對挖掘機鏟斗焊接生產(chǎn)線進行了介紹，設(shè)計過程中采用了先進的生產(chǎn)工藝及設(shè)備。通過對各生產(chǎn)工序進行分析、產(chǎn)線設(shè)計，滿足生產(chǎn)需求，同時基本上能夠達到各生產(chǎn)工序間的工時平衡，提高了各生產(chǎn)設(shè)備的利用率。目前此項目已進入實施階段，達產(chǎn)后必將大幅提升實施企業(yè)的產(chǎn)能及生產(chǎn)質(zhì)量，同時降低單臺產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。