船體T型材智能裝焊系統(tǒng)開發(fā)

李肖艷， 朱 蘇， 蔡 良， 劉 鵬

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.上海中船臨港船舶裝備有限公司，上海 201306)

0 引 言

在船舶建造過程中，生產(chǎn)效率及質(zhì)量水平落后是急需解決的問題。相比其他領(lǐng)域，船舶建造在精益生產(chǎn)、智能制造、數(shù)字化/自動(dòng)化/集成化方面仍有很多短板需要補(bǔ)齊[1]。《中國(guó)制造2025》對(duì)我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展作出整體部署[2]。船舶制造設(shè)備作為提高船舶建造效率和質(zhì)量可靠性的保障措施，其重要性不言而喻，需要大量智能設(shè)備代替人工作業(yè)，提升造船業(yè)的制造水平。

T型材作為一種組合型材，由于其腹板和面板的組合靈活多變，在理論上可提供任意大小的剖面模數(shù)，因此是在船舶建造中大量使用的材料。在船舶建造期間，T型材必須按照施工圖紙要求安裝在指定位置，但T型材一般尺寸較長(zhǎng)、搬運(yùn)不便，對(duì)T型材進(jìn)行安裝定位比較困難。在傳統(tǒng)船舶建造中，主要有2種技術(shù)：一種是完全通過人工進(jìn)行T型材的安裝定位，通常需要6名工人協(xié)作才能實(shí)現(xiàn)；另一種是在鋼板上焊接門型裝配工裝，借助門型工裝提供外力將型材與鋼板壓緊貼合，但該技術(shù)每使用1次必須進(jìn)行1次工裝焊接，并需要割除留根和打磨，裝配通常至少需要2人配合完成。這2種技術(shù)施工方式落后、施工工序繁雜、勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作效率低、安裝精度低且存在一定的安全隱患等問題[3]。有鑒于此，急需解決T型材需要人工作業(yè)進(jìn)行安裝定位和焊接的問題，研究用智能化、自動(dòng)化的安裝裝備代替人工。

1 T型材智能裝焊系統(tǒng)構(gòu)成

T型材智能裝焊系統(tǒng)包含龍門架結(jié)構(gòu)及設(shè)置于龍門架結(jié)構(gòu)上的2個(gè)T型材安裝機(jī)構(gòu)。龍門架結(jié)構(gòu)采用雙梁全門架形式，半龍門架包含設(shè)置于兩端的行走端梁、立柱、主梁及設(shè)置于主梁側(cè)面的托架、行走驅(qū)動(dòng)裝置、行走車輪等部件，采用減速電機(jī)雙邊驅(qū)動(dòng)行走。在門架梁的頂部配置T型材提升旋轉(zhuǎn)小車導(dǎo)軌，下側(cè)安裝2根電動(dòng)葫蘆梁。在托架上設(shè)置電纜槽，行走端梁底部各設(shè)置2個(gè)輪箱，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪箱，半龍門架結(jié)構(gòu)可在軌道上行走。每個(gè)龍門架結(jié)構(gòu)配置T型材提升裝置、壓緊裝置、焊接設(shè)備和工具等。通過半龍門架結(jié)構(gòu)移動(dòng)、行走小車移動(dòng)和中柱壓緊機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及電磁提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)配合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)T型材的自動(dòng)抓取、定位、安裝、壓緊及對(duì)所安裝鋼板的吸附。T型材智能裝焊系統(tǒng)三維效果圖如圖1所示。

圖1 T型材智能裝焊系統(tǒng)三維效果圖

2 T型材智能裝焊系統(tǒng)關(guān)鍵部件功能

2.1 T型材安裝機(jī)構(gòu)

T型材安裝機(jī)構(gòu)分別設(shè)置2套構(gòu)造及功能完全相同的裝配機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)T型材和嵌入件的提取和裝配，并定位焊接，主要包含行走車體、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)葫蘆、電磁提升機(jī)構(gòu)等，并配置2臺(tái)提升旋轉(zhuǎn)小車，方便抓取放置在生產(chǎn)線內(nèi)的T型材，如圖2所示。整個(gè)T型材安裝過程全程自動(dòng)化，可一次完成抓取、吊運(yùn)、定位、安裝工序的流水作業(yè)，有效提高定位及裝配效率，大幅降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，并有效消除T型材與所安裝鋼板的間隙，提高T型材安裝精度。

圖2 T型材安裝機(jī)構(gòu)示例

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包含回轉(zhuǎn)支承及用于驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承的液壓電機(jī)。回轉(zhuǎn)支撐外圈與外方管結(jié)構(gòu)連接，內(nèi)圈與旋轉(zhuǎn)臂連接；外圈設(shè)置外齒圈，液壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)與外齒圈嚙合的小齒輪。

電動(dòng)葫蘆通過行走小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，在機(jī)構(gòu)上端設(shè)置4個(gè)輪箱，并安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪箱帶動(dòng)行走小車在龍門架軌道上行走，進(jìn)而帶動(dòng)T型材的運(yùn)動(dòng)。每根梁配置2臺(tái)移動(dòng)式起重能力大于250 kg的電動(dòng)葫蘆，可避讓縱骨及大孔，采用有線遙控的控制方式，配備吊籃用于吊運(yùn)氣動(dòng)工具和送絲機(jī)等焊接工具，工具含交流36 V/220 V電源插座。

電磁提升機(jī)構(gòu)包含電永磁鐵、鏈條、動(dòng)滑輪、定滑輪、液壓油缸及鏈條固定裝置，共設(shè)置2套。定滑輪及液壓油缸缸體均設(shè)置于外方管結(jié)構(gòu)外壁，液壓油缸活塞桿連接動(dòng)滑輪。電永磁鐵通過鏈條進(jìn)行吊放，鏈條一端連接電永磁鐵，另一端在繞動(dòng)滑輪及定滑輪各2周后固定于外方管結(jié)構(gòu)外壁。電磁提升機(jī)構(gòu)抓取T型材最大提升高度達(dá)3 m，最大抓取重量達(dá)3 t，旋轉(zhuǎn)角度達(dá)±180°。

2.2 中柱壓緊機(jī)構(gòu)

中柱壓緊機(jī)構(gòu)包含外方管結(jié)構(gòu)、內(nèi)方管結(jié)構(gòu)、壓頭及圓柱形保護(hù)罩，外方管結(jié)構(gòu)與內(nèi)方管結(jié)構(gòu)之間可相對(duì)滑動(dòng)，在內(nèi)方管結(jié)構(gòu)中設(shè)置液壓油缸，液壓油缸末端連接壓頭，液壓油缸驅(qū)動(dòng)內(nèi)外方管結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，完成壓緊動(dòng)作。

2.3 CO2氣體保護(hù)焊機(jī)

龍門架結(jié)構(gòu)雙梁配置4套數(shù)字逆變CO2氣體保護(hù)焊機(jī)，用于T型材與底板的焊接。CO2氣體保護(hù)焊機(jī)焊接效率高，自動(dòng)補(bǔ)償弧長(zhǎng)，電弧較為穩(wěn)定，具有電弧飛濺小、穿透力強(qiáng)、熔池深、成形美觀等特點(diǎn)，特別適用于薄板焊接。

2.4 焊煙除塵系統(tǒng)

配置焊煙除塵系統(tǒng)以確保焊接煙塵可被充分排除，除塵要求滿足國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 T型材智能裝焊系統(tǒng)工藝流程

T型材智能裝焊系統(tǒng)通過自動(dòng)化、智能化的方式，完成T型材安裝定位和焊接，其工藝設(shè)計(jì)可滿足最大長(zhǎng)度為16 m、最大高度為1 m的T型材工件自動(dòng)化裝焊需求。該系統(tǒng)設(shè)備配置無線遙控方式和線控方式，線控作為遙控的備用控制，并設(shè)置磁力保護(hù)和緊停開關(guān)。T型材智能裝焊系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。

圖3 T型材智能裝焊系統(tǒng)工藝流程

在龍門架結(jié)構(gòu)取料操作中，以T型材長(zhǎng)度6 m為關(guān)鍵參數(shù)，≤6 m和>6 m的T型材其裝配方式不同。

≤6 m的T型材裝配方式如下：(1)操縱遙控器，控制龍門架結(jié)構(gòu)上的2個(gè)電動(dòng)葫蘆將不等邊或等邊T型材垂直吊放至對(duì)應(yīng)的劃線位置，等待裝配；(2)操作T型材壓緊機(jī)構(gòu)將T型材壓緊，同時(shí)提升旋轉(zhuǎn)小車上的2個(gè)電磁鐵；(3)提升旋轉(zhuǎn)小車旋轉(zhuǎn)90°，然后放下2個(gè)電磁鐵并吸附底板向上提拉，消除底板與T型材的間隙；(4)人工點(diǎn)焊；(5)抬起壓緊液壓缸，抬起旋轉(zhuǎn)小車電磁鐵，釋放T型材。

>6 m的T型材裝配方式如下：(1)通過龍門架結(jié)構(gòu)上的2臺(tái)提升旋轉(zhuǎn)小車將生產(chǎn)線內(nèi)的T型材吊放至安裝位置；(2)對(duì)線調(diào)整，然后提升旋轉(zhuǎn)小車釋放磁頭；(3)提升旋轉(zhuǎn)小車旋轉(zhuǎn)90°，然后放下2個(gè)電磁鐵并吸附底板向上提拉，消除底板與T型材的間隙；(4)人工點(diǎn)焊。

4 結(jié) 語

船體T型材智能裝焊系統(tǒng)通過機(jī)械配合的有效運(yùn)行，消除T型材與所安裝鋼板的間隙，提高T型材安裝精度，龍門架結(jié)構(gòu)雙梁配備數(shù)字逆變CO2氣體保護(hù)焊機(jī)，實(shí)現(xiàn)T型材與底板的高質(zhì)量焊接。該系統(tǒng)是一種有效提高船舶建造效率和質(zhì)量可靠性的保障措施，可簡(jiǎn)化制造工序、省工省時(shí)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣前景。