挖掘機(jī)挖斗焊接生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

馬闖，王仲恒，石靜

（中機(jī)第一設(shè)計(jì)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(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司承攬的某挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)新建挖掘機(jī)挖斗自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)任務(wù)。

1.2 生產(chǎn)任務(wù)

生產(chǎn)線負(fù)責(zé)挖掘機(jī)鏟斗的焊接生產(chǎn)，要求月產(chǎn)大型挖掘機(jī)挖斗1 300 個(gè)，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(huì)以臺(tái)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(tái)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(jì)年時(shí)基數(shù)為5 010 h，工人設(shè)計(jì)年時(shí)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(jìn)行計(jì)算。

2 主要設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1 生產(chǎn)節(jié)拍

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

2.2 結(jié)構(gòu)件拼點(diǎn)部分

1）設(shè)計(jì)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(dòng)化、信息化的組對(duì)生產(chǎn)線。

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

3）產(chǎn)線標(biāo)準(zhǔn)化：組對(duì)工裝、輸送設(shè)備、通信模塊、焊接設(shè)備及機(jī)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(shí)與遲異，遲以氣用，遠(yuǎn)以神行，故氣有候，而神無候。會(huì)遠(yuǎn)于候之中，則氣為之使?！彼^“氣有候”，是對(duì)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(shí)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(shí)，琴曲才能順勢(shì)而出。氣息在琴者與琴曲這兩個(gè)不同的精神空間流動(dòng)，這種流動(dòng)其實(shí)質(zhì)上是為了打造出一個(gè)相同或相似的精神空間。由于氣息的流動(dòng)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(shí)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(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）焊裝工藝水平應(yīng)屬國(guó)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(dòng)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(tái)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(dòng)切換。（5）生產(chǎn)線工序之間及焊涂的運(yùn)輸設(shè)立高自動(dòng)化水平的機(jī)械化輸送線。

2.4 機(jī)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(guó)內(nèi)。選用的設(shè)備滿足工件加工需求，同時(shí)兼顧可靠性、性價(jià)比、低噪聲、節(jié)能高效以及環(huán)境要求等。

3）機(jī)加工要實(shí)現(xiàn)無人化操作，設(shè)備可讀取訂單信息，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換加工程序。

4）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，工裝液壓自動(dòng)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(jìn)行子部件的拼點(diǎn)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(xiàng)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(duì)工位進(jìn)行鏟斗體總成的組對(duì)。側(cè)板組件則使用人工拼點(diǎn)工作進(jìn)行拼點(diǎn)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(diǎn)、預(yù)熱和完成焊3 道工序。斗齒座的拼點(diǎn)工作由自動(dòng)拼點(diǎn)工作站完成，工作站包括拼點(diǎn)工裝、搬運(yùn)機(jī)械手、焊接機(jī)械手、桁架機(jī)械手等組成。

斗齒座拼點(diǎn)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(yùn)機(jī)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(diǎn)工作站后，站內(nèi)的搬運(yùn)機(jī)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(diǎn)工裝的相應(yīng)位置；拼點(diǎn)工裝具有自動(dòng)夾緊功能；焊接機(jī)械手則與搬運(yùn)機(jī)械手配合來完成工件的點(diǎn)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(jìn)行焊前預(yù)熱。

斗齒座組件的焊前預(yù)熱使用1 臺(tái)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(dá)的生產(chǎn)管理計(jì)劃按時(shí)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(diǎn)后工件的緩存和緩沖，解決其前后工序間的臨時(shí)工時(shí)不平衡。

3.3 連接座組件焊接

連接座組件拼點(diǎn)工作站由搬運(yùn)機(jī)械手、帶有自動(dòng)夾緊功能的拼點(diǎn)工裝和焊接機(jī)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(jì)劃下發(fā)和物流配送管理，工作站負(fù)責(zé)來料核對(duì)并自動(dòng)調(diào)用相關(guān)的生產(chǎn)程序。搬運(yùn)機(jī)械手負(fù)責(zé)將零件抓取并放置到拼點(diǎn)工裝的相應(yīng)位置；拼點(diǎn)工裝同步進(jìn)行零件的自動(dòng)夾緊；焊接機(jī)械手則與搬運(yùn)機(jī)械手配合來完成工件的點(diǎn)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(dòng)加工專機(jī)輔以自動(dòng)上下件系統(tǒng)完成連接座的加工。專機(jī)配有雙工作頭，可同時(shí)從工件兩側(cè)進(jìn)行鏜孔加工，可大大縮短加工時(shí)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(gè)焊接工作站由1 臺(tái)抓取機(jī)械手、2 個(gè)帶液壓夾緊功能的焊接組對(duì)工裝以及2 個(gè)焊接機(jī)械手組成。抓取機(jī)械手負(fù)責(zé)將零件從配送工裝上去除并放置到拼點(diǎn)工裝相應(yīng)位置，拼點(diǎn)工裝自動(dòng)夾緊，之后焊接機(jī)械手進(jìn)行點(diǎn)焊及完成焊，同時(shí)抓取機(jī)械手轉(zhuǎn)至另外的拼點(diǎn)工裝進(jìn)行零件上件工作。焊接完成后的側(cè)板總成由桁架抓手進(jìn)行下料。

3.6 鏟斗體總成拼點(diǎn)

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(huì)以臺(tái)套的形式由AGV 輸送至總成拼點(diǎn)工位的指定位置。鏟斗總成拼點(diǎn)工位同樣使用桁架抓手、焊接機(jī)械手配合具有自動(dòng)夾緊功能的拼點(diǎn)工裝來完成鏟斗總成的拼點(diǎn)工作。拼點(diǎn)完成后的鏟斗體總成會(huì)由桁架抓手進(jìn)行自動(dòng)下料并運(yùn)輸至鏟斗焊接線進(jìn)行完成焊。

3.7 鏟斗完成焊

鏟斗體完成焊為一條相對(duì)獨(dú)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(dòng)打磨工位組成。RGV 負(fù)責(zé)將拼點(diǎn)好的鏟斗體總成從上線點(diǎn)運(yùn)送至焊接工作站并自動(dòng)上件，焊接工作站的變位機(jī)則自動(dòng)夾緊工件，之后焊接機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)掃碼、調(diào)用程序并自動(dòng)完成焊接，焊接完成后的鏟斗體再由RGV 運(yùn)送至自動(dòng)打磨工位。自動(dòng)打磨工位配置與焊接工作站類似，焊接變位機(jī)實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)裝夾，機(jī)械手與其配套的打磨機(jī)共同完成鏟斗體的焊后打磨工作。

3.8 人工補(bǔ)焊

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

人工補(bǔ)焊完成以后的工件會(huì)自動(dòng)放置在運(yùn)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(jì)亮點(diǎn)

1）本項(xiàng)目首次（同時(shí)也是首家）在挖掘機(jī)行業(yè)實(shí)現(xiàn)鏟斗體的全自動(dòng)拼點(diǎn)工作，由于沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，自動(dòng)拼點(diǎn)工作會(huì)先進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在驗(yàn)證成功的前提下再進(jìn)行設(shè)備采購，驗(yàn)證成功前可短期內(nèi)進(jìn)行人工拼點(diǎn)（配備具有夾緊功能的裝焊胎）；

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

3）在人工補(bǔ)焊工位進(jìn)行涂裝前的屏蔽工作；

4）實(shí)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(jī)完成連接座的加工。

5 結(jié)語

本文對(duì)挖掘機(jī)鏟斗焊接生產(chǎn)線進(jìn)行了介紹，設(shè)計(jì)過程中采用了先進(jìn)的生產(chǎn)工藝及設(shè)備。通過對(duì)各生產(chǎn)工序進(jìn)行分析、產(chǎn)線設(shè)計(jì)，滿足生產(chǎn)需求，同時(shí)基本上能夠達(dá)到各生產(chǎn)工序間的工時(shí)平衡，提高了各生產(chǎn)設(shè)備的利用率。目前此項(xiàng)目已進(jìn)入實(shí)施階段，達(dá)產(chǎn)后必將大幅提升實(shí)施企業(yè)的產(chǎn)能及生產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)降低單臺(tái)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。