直管法蘭智能裝配裝備研究

邵國慶，李 軍，蔣彬彬，姜 文，亢 國

應用研究

直管法蘭智能裝配裝備研究

邵國慶，李 軍，蔣彬彬，姜 文，亢 國

（大連船舶重工集團舾裝有限公司，遼寧大連 116013）

為了實現直管法蘭自動化、智能化裝配加工作業，就需要解決法蘭取料、法蘭雙孔正及旋轉預轉角、直管法蘭定位裝配等難題。本文首先分析直管法蘭裝配工藝現狀及難點，以及直管法蘭智能裝配裝備需求的主要功能。然后介紹直管法蘭智能裝配裝備的總體方案及基本結構組成。并介紹了直管法蘭智能裝配的施工流程和裝備的信息數據流程。最后，結合某直管法蘭智能裝配裝備，給出其實際應用效果，為其他管子智能生產線、智能車間的建立及應用提供參考。

直管法蘭裝配 裝備 研究

0 引言

近年，航運業持續處于低迷狀態，直接沖擊造船行業。船舶企業迫切需要提高生產效率，降低制造成本，以在激烈的市場競爭中獲取訂單。船舶制造過程中，管子加工是必不可少的[1]。管件結構復雜、品種多樣形成了多手工作業加工的工藝路線，造成生產效率低、成本高、質量差、管材利用率低等現象。這一直是制約著船企管子加工提高生產效率和產品質量的瓶頸[2]。隨著中國制造2025計劃的實施，國內船舶企業加大了管子加工的智能技術及裝備的研究投入。

智能管子加工生產線由3個功能性智能裝備組成。其主要構成如圖1所示，包括：智能測長定長切割裝備、直管法蘭智能裝配裝備、直管法蘭智能焊接裝備。本文重點研究直管法蘭智能裝配裝備。

1 直管法蘭裝配現狀及難點

當前國內船舶企業管子裝配作業主要以人工操作為主，少數企業應用了直管法蘭半自動裝配加工設備、機器人進行管子法蘭的裝配備作業。應用的直管法蘭半自動裝配加工設備需要人工抓取法蘭進行打碼作業，再由人工將法蘭固定在卡盤上，啟動進給按鈕，卡盤運動至固定位，由工人手動點固焊接，由此完成直管與法蘭間定位組對工作[3]。直管法蘭半自動裝配加工設備需要大量人工作業輔助，生產效率低，人員作業強度高。應用的機器人主要在機械上集成抓手、焊槍等模塊，實現自動更換抓手、抓取法蘭、打碼、配送法蘭至裝配機、自動更換焊槍、釘焊、焊接。機器人由于集成了抓取、釘焊接、焊接等工序，降低人員作業強度，但各工序均集中于此，造成生產瓶頸，所以生產效率較低。

要解決裝配生產效率低，降低人員勞動強度，是需要研發一種能夠存儲并自動進行法蘭上料、打碼、旋轉雙孔正或預轉角、檢測調整直管法蘭間隙、釘焊接功能的直管法蘭裝配裝備。

圖2 直管法蘭半自動裝配加工設備

2 直管法蘭智能裝配裝備主要功能需求

基于裝配，直管法蘭智能裝配裝備需要包含以下3種主要功能：

1）便捷存放待裝配法蘭，自動選用相應的法蘭進行上料、打碼等作業；

2）自動抓取法蘭，判定雙孔正并旋轉預轉角，將法蘭精確的運送到裝配位置；

3）應用激光傳感器掃描直管法蘭間隙，自動調整直管法蘭對中，并進行三點釘焊作業。

3 裝備總體方案及結構組成

針對智能裝配裝備的功能需求，研制的直管法蘭智能裝配裝備由法蘭上料裝置、桁架式機械手、法蘭自動組對機點焊系統組成。具體結構示意圖如圖3所示。

圖3 直管法蘭智能裝配裝備示意圖

法蘭上料裝置由法蘭上料單元、打碼機、移動式法蘭庫以及氣動回轉臂機械手組成。

桁架式機械手主要由龍門組件、取料機構、控制柜組成。

法蘭自動裝配點焊系統主要由底座、移動小車、電動卡盤組件、支撐調整托架，翻料機構組成。電動卡盤根據管子長度調整具體位置后抓取桁架式機械手轉運來的法蘭，由激光傳感器檢測檢測直管法蘭間隙，支撐調整托架自動調整直管法蘭位置使其對中，兩側小車調節封閉尺寸適宜，電動卡盤上的焊接機完成點固焊接作業。

4 施工流程及信息流程

施工流程：法蘭智能裝配裝備根據計劃，控制法蘭上料單元水平轉動，將對應法蘭轉動到桁架式機械手下方，機械手提取法蘭；后翻轉90度，旋轉法蘭以確定雙孔正和預轉角；機械手將法蘭運送到法蘭自動裝配點焊系統，并回退到初始位置，傳遞第二個法蘭；待料區管子翻轉到裝配點焊系統上，并進行智能感知測量探測；根據測量結果調整對接法蘭到適應位置，進行點焊固接；裝配點焊系統回退到預定位置，傳輸機構將管件輸送到下道工序焊接工位。具體流程如圖4所示。

圖4 直管法蘭智能裝配施工流程

信息流程：電子版設計管子加工數據直接傳輸到技術處理中心進行工藝技術處理和生產制造信息處理，技術處理中心將生產制造信息和生產管理指令傳輸給生產線數字化控制系統，生產線數字化控制系統將加工參數傳輸給法蘭存儲機構、自動打碼機和直管法蘭智能裝配裝備，直接驅動他們進行法蘭頂升、法蘭打碼及直管法蘭裝配作業。具體流程如圖5所示。

5 智能裝配裝備應用情況

直管法蘭智能裝配裝備研制經過技術原理設計、技術方案評審、生產設計、生產制造、安裝調試、綜合驗收等步驟，在已經投入現場實際應用，產品質量完全符合國家標準要求，應用效果良好。具體如圖6所示。

該裝備能夠自動化、數字化進行法蘭直管裝配作業，可有效降低對技術工人的依賴，顯著提升施工效率，初步估算能夠提高裝配效率37%左右，經濟效益顯著。具體效率對比參見表1。

圖5 直管法蘭智能裝配信息流程

圖6 直管法蘭智能裝配裝備現場照片

表1 直管法蘭智能裝配裝備對比人工半自動裝配法蘭工時效率對比表

6 結語

通過對直管法蘭裝配工藝現狀及難點的研究，分析直管法蘭智能裝配裝備主要需求的相關功能內容；結合傳統的直管法蘭裝配機的成熟結構，研究完成直管法蘭智能裝配裝備的總體方案，并細化完成裝備的基本結構組成；結合傳統的直管法蘭裝配工藝技術和信息化技術，優化形成直管法蘭智能裝配的施工流程和裝備的信息數據流程；最終，結合相關技術成果研制了直管法蘭智能裝配裝備。

該裝備通過實際應用，驗證了裝備具備的預轉角及直管法蘭自動裝配功能，裝備加工的產品質量完全符合國家標準要求。裝備可有效降低對技術工人的依賴，顯著提升施工效率，經濟效益顯著。裝備的研究、研制及應用為管子智能生產線、智能車間的建立及應用奠定了基礎。

[1] 何磊. 面向船廠管子車間柔性制造的生產控制優化方案研究[D]. 江蘇: 江蘇科技大學, 2020.

[2] 劉海仁, 趙寅妮, 趙文卿, 胡蘇. 管子加工智能測長、定長切割單元研究[J]. 船電技術. 2020, (04): 1-4.

[3] 李金銘, 魏鵬釗. 管法蘭焊接生產線在造船行業中的應用[J]. 金屬加工, 2010, (20): 31-32.

Research on intelligent assembly equipment of straight pipe flange

Shao Guoqing, Li Jun, Jiang Binbin, Jiang Wen, Kang Guo

(Dalian Shipbuilding Industry Outfitting Co., Ltd. Dalian 116013, Liaoning, China)

TG457

A

1003-4862（2022）02-0016-03

2021-05-13

國家工信部高技術船舶科研項目，項目編號：MC-201906-Z01

邵國慶（1982-），男，高級工程師。研究方向：船舶舾裝件生產。E-mail: 13478444642@163.com