箱體零件FML/FMC常用物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的應(yīng)用分析*

胡 健 ，吳 洋

(1.機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院綜合一所，重慶400039;2.利勃海爾機(jī)械服務(wù)(上海)有限公司產(chǎn)品管理部，上海200131)

制造柔性線(Flexible Manufacturing Line)由自動(dòng)化加工設(shè)備、工件輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)是由單臺數(shù)控機(jī)床、加工中心、工件自動(dòng)輸送及更換系統(tǒng)等組成［1］。工件輸送及更換系統(tǒng)，即物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備是用于工件工序間的物料轉(zhuǎn)運(yùn)和加工設(shè)備上下料的輔助生產(chǎn)設(shè)備。該設(shè)備一般由專業(yè)廠家生產(chǎn)(如:Kuka、Gudel、Nachi、Fanuc等)，機(jī)械加工設(shè)備供應(yīng)商根據(jù)客戶生產(chǎn)需要選用通用轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，配合專用的夾持機(jī)構(gòu)，集成于加工制造單元中。

FML/FMC通過配備物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，將多臺自動(dòng)化加工設(shè)備有效連接，保證各自動(dòng)化加工設(shè)備的連續(xù)生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高設(shè)備利用率、高生產(chǎn)效率、高物料周轉(zhuǎn)率。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋、工程機(jī)械變速箱、液壓閥體為代表的箱體類零件FML/FMC(柔性生產(chǎn)線/柔性生產(chǎn)單元)采用多種形式物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，分析上述設(shè)備的應(yīng)用、布置形式、功能及經(jīng)濟(jì)性，對其在我國的應(yīng)用前景具有重大意義。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋FML中的物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備布置形式

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，我國2011年累計(jì)生產(chǎn)汽車1 826.47萬輛，銷售汽車1 806.19萬輛［2］。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的心臟，研究其生產(chǎn)加工在我國汽車行業(yè)里意義重大。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋生產(chǎn)線由于生產(chǎn)綱領(lǐng)較大，產(chǎn)品附加值高，加工設(shè)備及輔助設(shè)備投資較高，在箱體零件加工制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。

目前，主要發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠商大量采用臥式加工中心組成的FML組織生產(chǎn)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋柔性線制造商——HüLLER HILLER公司可提供3種FML形式，即:機(jī)動(dòng)輥道、機(jī)動(dòng)輥道與龍門機(jī)械手、機(jī)動(dòng)輥道與關(guān)節(jié)機(jī)械手相結(jié)合。布置形式如圖1、圖2、圖3。

圖1 機(jī)動(dòng)輥道轉(zhuǎn)運(yùn)方式示意圖

圖2 機(jī)動(dòng)輥道與龍門機(jī)械手轉(zhuǎn)運(yùn)方式示意圖

圖3 機(jī)動(dòng)輥道與關(guān)節(jié)機(jī)械手轉(zhuǎn)運(yùn)方式示意圖

以年產(chǎn)15萬臺465汽油機(jī)缸體為例，加工過程中使用臥式加工28臺(分為兩條并行加工線)，行磨機(jī)1臺，清洗機(jī)兩臺。若采用機(jī)動(dòng)輥道轉(zhuǎn)運(yùn)，使用機(jī)動(dòng)輥道約300 m;若采用龍門式機(jī)械手，需龍門機(jī)械手約6臺，機(jī)動(dòng)輥道約100 m;若采用關(guān)節(jié)機(jī)械手，需關(guān)節(jié)臂機(jī)械手約5臺，機(jī)動(dòng)輥道約100 m。按生產(chǎn)制度3班，251天計(jì)算，工件生產(chǎn)節(jié)拍約1.2 min。

若采用人工完成工件工序間的轉(zhuǎn)運(yùn)和上下料，需要生產(chǎn)工人28人，工人勞動(dòng)力成本按照5萬元/年計(jì)算，該生產(chǎn)線年需勞動(dòng)力成本為140萬元。上述3種工件轉(zhuǎn)運(yùn)方式及費(fèi)用對比如下表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)方式及費(fèi)用對比表

由表1可知，若采用機(jī)動(dòng)輥道形式需要4.3年收回投資;采用機(jī)動(dòng)輥道與龍門機(jī)械手轉(zhuǎn)運(yùn)方式需要5.7年收回投資;采用機(jī)動(dòng)輥道與龍門機(jī)械手轉(zhuǎn)運(yùn)方式需要6.8年收回投資。

發(fā)動(dòng)機(jī)制造商所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)FML，除工件進(jìn)入生產(chǎn)線之外，完全實(shí)現(xiàn)加工過程的“無人化”操作。同時(shí)保證產(chǎn)品制造的一致性，將產(chǎn)品制造過程的制件比例降低至30%左右。

2 工程機(jī)械變速箱FMC中的物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備布置形式

2010年以來，裝載機(jī)行業(yè)主要企業(yè)銷量陡增，全年銷售量達(dá)到21.6萬多臺。裝載機(jī)變速箱是各裝載機(jī)主機(jī)廠的零部件分廠的重要箱體產(chǎn)品。相對于其他零部件，其加工工時(shí)長，內(nèi)容復(fù)雜，孔位精度要求高，其生產(chǎn)質(zhì)量直接決定了裝載機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。

工程機(jī)械變速箱(以50型裝載機(jī)為例)為鑄件HT250，工件尺寸約為1 100 mm×510 mm×320 mm單位，重量約150 kg。單個(gè)工件加工時(shí)間約90 min，裝夾一個(gè)工件需要30 min。若采用工作臺尺寸800 mm×800 mm臥式加工中心(該設(shè)備引進(jìn)價(jià)格在650萬元以上)，單臺加工設(shè)備可年產(chǎn)約2 300～2 500臺變速箱體(設(shè)備無交換工作臺，單件生產(chǎn)工時(shí)120 min)。若使用配交換工作臺的加工設(shè)備，交換工作臺時(shí)間約為3～5 min，每加工一個(gè)工件可節(jié)約機(jī)床占用時(shí)間約25 min;工件的裝夾時(shí)間與加工時(shí)間相重合，從而提高設(shè)備主機(jī)利用率。按年產(chǎn)1 0000臺計(jì)，3臺雙配交換工作臺的加工設(shè)備即可滿足產(chǎn)能要求。交換工作臺系統(tǒng)投資按120萬元計(jì)算，可減少工藝投資240萬元。該臥式加工中心的工作臺布置形式可參照StarragHeckert Technology GmbH生產(chǎn)的HEC 1000臥式加工中心制造單元，如圖4。

3 液壓閥塊FMC中的物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備布置形式

液壓元件是工程機(jī)械產(chǎn)品關(guān)鍵部件之一，長期以來，在高壓大流量液壓裝置方面，國內(nèi)零部件企業(yè)的產(chǎn)品還難以滿足主機(jī)企業(yè)的配套要求，這使得進(jìn)口成為唯一的選擇，特別是在挖掘機(jī)產(chǎn)品上。由于液壓元件價(jià)格昂貴，以至于形成“吃掉工程機(jī)械行業(yè)70%利潤”的現(xiàn)實(shí)以及長期受制于人的被動(dòng)局面［3］。因此，液壓閥體作為液壓控制系統(tǒng)的核心，其制造過程必然為各主機(jī)廠所重視。

由于液壓閥塊加工大部分為6面加工，其加工設(shè)備可選擇臥式加工中心或者配第四軸的立式加工中心，兩次或三次裝夾完成所有加工內(nèi)容。因此其FMC可采用兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是以自動(dòng)化托盤堆棧為工件轉(zhuǎn)運(yùn)手段形式，另一種以關(guān)節(jié)機(jī)械手為工件轉(zhuǎn)運(yùn)手段形式。

3.1 自動(dòng)化托盤堆棧

自動(dòng)化托盤堆棧就是將標(biāo)準(zhǔn)托盤庫通過自動(dòng)化堆垛機(jī)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)，將若干臺加工中心并聯(lián)起來的一種適用于大批量少品種產(chǎn)品生產(chǎn)的組織方式，工人僅負(fù)責(zé)工件在夾具上的裝卸和翻轉(zhuǎn)，堆垛機(jī)則接受來自自動(dòng)化控制系統(tǒng)分配的加工指令，完成工件的進(jìn)出加工設(shè)備和托盤庫。自動(dòng)化托盤堆?？蛇B接1臺單機(jī)也可多機(jī)并聯(lián)，但一套堆棧并聯(lián)的加工中心的不超過11臺。堆棧托盤庫使用存放有大量標(biāo)準(zhǔn)托盤及夾具，因此，其一次性投入較高。而且，該柔性線的每臺加工中心(除特殊設(shè)置以外)均配備加工所有產(chǎn)品的一整套刀具，其刀具一次費(fèi)用也相當(dāng)高。目前，F(xiàn)ASTEMS和SCHULER是自動(dòng)化托盤堆棧的兩大主要生產(chǎn)商，其產(chǎn)品適用于目前世界上主要的臥式加工中心生產(chǎn)商。

如圖5所示為 MORI SEIKI CO.，LTD的NH5000DCG-20LPP柔性制造系統(tǒng)，使用FASTEMS自動(dòng)化托盤堆棧系統(tǒng)平面，該堆棧系統(tǒng)配30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)托盤，3臺NH5500臥式加工中心，左側(cè)為上下料工位。操作工完成工件在托盤夾具上的上下料、工件的翻轉(zhuǎn)。

該系統(tǒng)可應(yīng)用于工件裝夾、加工時(shí)間較短，但是勞動(dòng)力成本較高的國家和地區(qū)。如按德國2008年勞動(dòng)力平均成本28.09歐元/小時(shí)，企業(yè)單個(gè)勞動(dòng)力成本50 281萬歐元/年計(jì)算，如需設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，6臺臥式加工中心，需配6個(gè)以上工人;若采用該托盤堆棧系統(tǒng)，僅需兩人即完成所有裝夾生產(chǎn)任務(wù)，且該堆棧中可并聯(lián)1臺噴淋清洗機(jī)，將加工后的噴淋清洗合并至該加工單元，可減少1個(gè)勞動(dòng)力及中轉(zhuǎn)物流成本。1個(gè)由6臺臥式加工中心組成的FMC所使用的自動(dòng)化托盤堆棧投資在160萬歐元左右(含堆棧系統(tǒng)、100個(gè)500 mm×500 mm標(biāo)準(zhǔn)托盤及夾具等造價(jià))。在發(fā)達(dá)國家，企業(yè)需4年即可收回設(shè)備投入。

圖4 Starrag Heckert加工中心FMC布置圖

圖5 NH6300DCG-20LPP布置圖

3.2 關(guān)節(jié)機(jī)械手

關(guān)節(jié)機(jī)械手組成的加工單元同樣適用于閥體加工。工件的翻轉(zhuǎn)及上下工作臺由機(jī)械手完成，員工僅需要將工件裝入標(biāo)準(zhǔn)盛具中，將盛具送至柔性加工單元裝卸位置即可。其基本布置形式如圖6。Chiron-Werke GmbH公司FLEXCELL DUO柔性加工單元和如圖7。Makino Milling Machine CO.，Ltd生產(chǎn)的J3i臥式加工中心。

圖6 FLEXCELL DUO布置圖

圖7 J3i臥式加工中心FMC

FLEXCELL DUO系統(tǒng)使用兩臺該公司立式加工中心(配第四軸)，專用機(jī)械手配FANUC M6iB系列機(jī)械手，該單元可加工重量6～20kg的工件。兩臺立式加工中心增加關(guān)節(jié)機(jī)械手投資費(fèi)用約120萬人民幣左右(含系統(tǒng)集成)。1個(gè)工人可管理兩個(gè)甚至更多加工單元。按1個(gè)工人兩個(gè)單元進(jìn)行設(shè)備，工作制度3班，251天/年計(jì)算?？晒?jié)省9個(gè)操作員工，年節(jié)省勞動(dòng)力投資約45萬元，3年即可收回投資。

Makino Milling Machine CO.，Ltd生產(chǎn)的J3i臥式加工中心FMC，提出了“ALL-IN-ONE”思想，即:除完成零部件加工外，還能完成工件的去毛刺、清洗等工序。該設(shè)備利用機(jī)械手在工件裝夾間隙，抓取工件完成去毛刺、清洗等輔助生產(chǎn)工序。該FMC不僅能減少主要加工設(shè)備的操作工人數(shù)，而且能完成多種輔助工序，節(jié)省了生產(chǎn)空間及物流中轉(zhuǎn)成本。

4 應(yīng)用背景及對我國零部件制造業(yè)的影響

4.1 配備輔助物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的應(yīng)用背景

配備輔助物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，成為我國零部件制造行業(yè)持續(xù)發(fā)展的一條必由之路，其原因如下:

(1)國家統(tǒng)計(jì)局調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2005-2009年，城鎮(zhèn)職工(不包括私營企業(yè))平均貨幣工資年均增長15.2%，2009年達(dá)到32 736元。2004-2008年，我國制造業(yè)工資年平均增長率為14.13%。

(2)2009年末，我國60歲以上老年人口占比已達(dá)到12.5%，在對勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)有較強(qiáng)依賴的情況下，人口老齡化趨勢對我國勞動(dòng)力市場供求關(guān)系的影響將逐漸突出。

(3)作為轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備主體的工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格卻不斷下降(平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元)。與此同時(shí)，人民幣匯率不斷上升，上述設(shè)備采購價(jià)格將不斷下降(工業(yè)機(jī)械人設(shè)備一般按照美元或歐元計(jì)價(jià))。

隨著物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備價(jià)格的下降及勞動(dòng)力成本不斷上升，設(shè)備投資回收周期不斷縮短。特別是在大批量產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，配備輔助物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備相較于人工勞動(dòng)力優(yōu)勢明顯，并呈現(xiàn)出逐步取代的趨勢，必將成為零部件制造行業(yè)內(nèi)主要生產(chǎn)力。

4.2 對我國零部件制造業(yè)的影響

輔助物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的廣泛使用將對我國零部件制造業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響:

(1)改變目前行業(yè)人員結(jié)構(gòu)，逐步提高產(chǎn)品研發(fā)、工藝等部門技術(shù)型員工比例，壓縮企業(yè)一般生產(chǎn)員工比例。企業(yè)可將更多的資金用于產(chǎn)品開發(fā)上，在市場的競爭中占得先機(jī)。

(2)向企業(yè)管理水平提出了更高的要求。由于輔助物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備各個(gè)動(dòng)作準(zhǔn)確，節(jié)拍控制嚴(yán)格，產(chǎn)品毛坯質(zhì)量要求較高，需要一套完整的生產(chǎn)計(jì)劃、物流、質(zhì)量管理體系來保證設(shè)備高效運(yùn)轉(zhuǎn)，較少浪費(fèi)。

(3)改變企業(yè)生產(chǎn)組織形式。將企業(yè)由大規(guī)模專業(yè)生產(chǎn)線組織生產(chǎn)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐訤MC單元組織生產(chǎn);由專業(yè)生產(chǎn)線的將所有加工工序分散不同設(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸すに嚰械缴贁?shù)幾臺柔性加工設(shè)備上，生產(chǎn)工藝流程更集中，中間物流更短，制造中間成本更低。

(4)提高國際競爭力。輔助物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的使用將加速我國大批量零件制造行業(yè)擺脫目前依靠勞動(dòng)力成本優(yōu)勢參與國際競爭的局面。在勞動(dòng)力成本優(yōu)勢不再明顯的情況下，通過壓縮產(chǎn)品生產(chǎn)過程中間成本(半成品、成品的資金占用)，縮短資金循環(huán)周期，提高企業(yè)的競爭力。

5 結(jié)論

通過對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋、工程機(jī)械變速箱、液壓閥體為代表的箱體零部件FML/FMC(柔性生產(chǎn)線/柔性生產(chǎn)單元)的介紹，展示了箱體零部件機(jī)械加工設(shè)備常用輔助物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備及布置形式，結(jié)合我國制造業(yè)的實(shí)際情況，分析了上述生產(chǎn)設(shè)備在我國應(yīng)用的可行性。

物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的廣泛使用，可降低生產(chǎn)過程中間成本，縮短企業(yè)資金循環(huán)周期，提高產(chǎn)品的市場競爭力;同時(shí)對我國企業(yè)經(jīng)營管理模式提出了更高的要求;順應(yīng)了我國制造業(yè)企業(yè)競爭環(huán)境變化的趨勢，在我國零部件制造業(yè)擁有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］張根保.自動(dòng)化制造系統(tǒng)［M］.2版.重慶大學(xué):機(jī)械工業(yè)出版社，2010

［2］中華人民共和國工藝和信息化部裝備工業(yè)司.2010年汽車工業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行報(bào)告［R/EB］.2011e-02-28［2012-09-20］http:∥stock.sohu.com/20110228/n279563371.shtm/

［3］張效祖.工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.世界制造技術(shù)與裝備市場，2004(5):33-36