小組立機器人裝焊生產(chǎn)線總體設計研究

吉永軍，朱玉龍，劉建峰

（1. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

小組立機器人裝焊生產(chǎn)線總體設計研究

吉永軍1,2，朱玉龍2，劉建峰2

（1. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

基于典型小組立工件的生產(chǎn)綱領，分析小組立工件的加工工藝，制訂詳細的加工工藝路線，對小組立機器人裝焊生產(chǎn)線的工位進行總體布置設計。依據(jù)典型工件的生產(chǎn)綱領，從組成設備和系統(tǒng)集成控制2個方面對焊接機器人工作站進行設計研究。從生產(chǎn)節(jié)拍、工作人數(shù)、產(chǎn)品質量、生產(chǎn)連續(xù)性和生產(chǎn)管理等5個方面對小組立機器人裝焊生產(chǎn)線與傳統(tǒng)小組立生產(chǎn)方式進行對比分析。結果表明：相對于傳統(tǒng)小組立生產(chǎn)方式，小組立機器人裝焊生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率更高，所需人數(shù)更少，產(chǎn)品質量更穩(wěn)定、更優(yōu)異；同時，具有生產(chǎn)連續(xù)性好、生產(chǎn)管理更智能化等特點，能達到提高生產(chǎn)效率、降低人數(shù)、改善焊接質量的目標，使小組立工件生產(chǎn)形成規(guī)模化、高效化和批量化的智能制造模式。

小組立機器人裝焊生產(chǎn)線；工藝分析；總體設計；效果評價

0 引 言

隨著機器人焊接技術的快速發(fā)展，機器人焊接技術在船舶建造過程中的應用得到廣泛關注。小組立工件作為船舶建造過程中的重要中間產(chǎn)品，具有結構簡單、數(shù)量龐大等特點，適合形成機器人裝焊流水線進行生產(chǎn)[1]。然而，當前我國絕大部分造船企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的人工焊接方式進行小組立部件的生產(chǎn)制造，自動化程度不高，沒有形成智能化流水作業(yè)，存在勞動力成本高、耗費工時長、質量不穩(wěn)定和生產(chǎn)連續(xù)性差等問題，遠不能滿足現(xiàn)代造船企業(yè)的要求[2]。采用小組立機器人裝焊生產(chǎn)線能有效降低勞動成本、縮短生產(chǎn)工時及提升生產(chǎn)質量[3]。

本文對此，基于小組立機器人裝焊生產(chǎn)線項目的前期研究，對生產(chǎn)線的總體設計進行探討?？傮w設計需滿足周邊設備和生產(chǎn)環(huán)境對機器人的約束，其合理性直接關系到整個生產(chǎn)線的總體性能，影響船舶建造過程中物流和信息流的傳遞。

1 小組立機器人裝焊生產(chǎn)線的總體設計依據(jù)

該生產(chǎn)線以生產(chǎn)船體中部肋板為主（見圖1），與生產(chǎn)雙層底分段的平直流水線形成前后道流水線。該類型小組立尺寸為 3200mm×2400mm，焊縫為長12600mm，焊腳高度為7mm的雙面角焊縫；要求表面無氣孔、裂紋及未熔合等缺陷，成型均整，焊縫邊緣與母材融合良好；達到所要求的焊接速度，保證焊接質量。根據(jù)生產(chǎn)綱領，計劃該類型小組立月產(chǎn)量為1200件，日產(chǎn)量為50件，采用二班制，要求每個工件的生產(chǎn)工時≤1200s。

2 工藝分析及工位布置設計

在規(guī)劃小組立機器人裝焊生產(chǎn)線之前，需對該類型小組立加工工藝流程進行分析，制訂詳細的小組立加工工藝路線，確定生產(chǎn)線的生產(chǎn)工位[4]。

傳統(tǒng)小組立制造通常按照裝配→點焊→焊接→修補→背燒的工藝流程進行操作，工件位置不發(fā)生移動。采用機器人裝焊時，考慮到提高生產(chǎn)效率，通過將生產(chǎn)工藝流程轉化為機器人裝焊生產(chǎn)線上的每道工位，使小組立工件的位置隨著工藝流程的變化發(fā)生流動，而原有的各工藝流程依照流水線的方式布置為各工位，主要包括進料區(qū)域、裝配工位、機器人焊接工位、修補工位、背燒工位和托盤區(qū)域（見圖2），生產(chǎn)線布置按工藝流程順序連接，避免物流交叉；在對小組立工件進行組焊時，事先在裝配工位點固焊， 提高工作效率；小組立工件按照設計的焊接工藝順序實現(xiàn)機器人自動焊接；在修補工位檢驗小組立工件的焊接質量，對焊接有缺陷的工件進行手工修補，提升焊接質量；在背燒工位采用自動背燒設備施工，以消除焊接過程中可能產(chǎn)生的應力和局部變形；小組立以零件的形式進入到流水線上，從流水線出來后變?yōu)楹细竦男〗M立產(chǎn)品。生產(chǎn)工位布置圖見圖2。

3 焊接機器人工作站的設計

3.1 焊接機器人工作站

根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求及焊縫長度，對焊接機器人工作站進行設計。該類型小組立焊縫總長度為12600mm，其總體布置形式見圖3，由雙機器人、龍門架、機器人旋轉裝置、焊接電源、送絲裝置、清槍剪絲裝置、冷卻水循環(huán)器、防撞器、CCD相機、系統(tǒng)集成控制箱及安全圍欄等組成。工作站機器人需在焊接工作開始之前進行示教，檢驗是否存在干涉，耗費時間約為 100s；待檢驗完成之后，工作站通常采用雙機器人同時焊接，若該類型小組立工件焊縫為7mm雙面角焊縫，則水平焊速度為400mm/min，立焊速度為130mm/min，耗時為960s；考慮到工件輸送及其他時間約為 100s，該類型小組立的焊接機器人工作站生產(chǎn)節(jié)拍為1160s。

3.2 工作站系統(tǒng)集成控制

工作站系統(tǒng)主要包含焊接工藝數(shù)據(jù)庫、自動編程及仿真系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)、運行控制系統(tǒng)和生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)（見圖4）。

讀取小組立工件Tribon圖紙數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)分析獲得焊縫位置；基于焊接工藝數(shù)據(jù)庫，根據(jù)不同構件的焊接要求自動生成焊接工藝；自動編程及仿真系統(tǒng)將焊接的路徑、焊槍的姿態(tài)及焊接工藝相疊加，形成機器人焊接程序，并進行離線仿真優(yōu)化；在實際焊接過程中，基于工件基準點，通過視覺識別系統(tǒng)對焊接工件進行識別判斷，并修正焊縫偏移；運行控制系統(tǒng)讀取焊接程序，對焊接機器人、焊接電源及送絲機等設備進行綜合調(diào)度控制，完成小組立工件復雜軌跡的自動焊接；生產(chǎn)信息系統(tǒng)對機器人工作站、物流系統(tǒng)及輔助設備等進行實時監(jiān)測，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程參數(shù)、生產(chǎn)狀況和故障信息的統(tǒng)計[5]。

3.2.1 焊接工藝數(shù)據(jù)庫

焊接專家數(shù)據(jù)庫技術是一種預先設定焊接條件，通過數(shù)據(jù)庫命令調(diào)出設定的焊接條件的技術。該數(shù)據(jù)庫為多種焊縫形式設定特定的焊接參數(shù)及工藝，可根據(jù)工件焊縫形式直接調(diào)用相應數(shù)據(jù)，自動生成焊接工藝表，并直接在焊接程序中應用；同時，可根據(jù)自身工藝需求對該工藝表進行調(diào)整和修改。該技術可大大簡化示教工作量，提高編程效率。

3.2.2 自動編程及仿真系統(tǒng)

不同小組立的焊縫形式和焊縫布置不同，自動編程系統(tǒng)能通過讀取Tribon圖紙數(shù)據(jù)完成工件坐標系位置標定和工作軌跡信息獲取，實現(xiàn)工件焊縫數(shù)據(jù)編輯、自動編程、自動調(diào)用焊接數(shù)據(jù)庫及調(diào)用程序自動焊接等。編程時，系統(tǒng)將焊接的路徑、焊槍的姿態(tài)及焊接工藝相疊加，形成機器人焊接程序，可在系統(tǒng)中進行離線仿真，判斷與工件的干涉，并自動優(yōu)化。

3.2.3 視覺識別系統(tǒng)

視覺識別系統(tǒng)采用安裝在移動裝置上的攝像機，通過移動裝置的運動對工件進行掃描，根據(jù)掃描結果對焊接工件的種類進行識別判斷，自動調(diào)用相應的焊接程序。掃描完成后，可在監(jiān)控器上生成帶有工件種類和工件位置信息的2D圖像。 視覺識別系統(tǒng)不僅不必從外部輸入任何信息，而且可自動調(diào)用、編輯已識別的工件信息。

在操作人員完成對系統(tǒng)的簡單編輯后，利用龍門架視覺攝像頭對平臺工件進行位置校正，選取工件2～3個基準點，并檢測其實際位置，通過修正程序中基準點的位置，使機器人在焊接過程不受工件加工、組對拼焊和焊接裝夾定位帶來的誤差的影響，自動尋找焊縫并識別焊接情況，修正焊縫偏移。

3.2.4 運行控制系統(tǒng)

生產(chǎn)線運行控制系統(tǒng)通過應用變位機空轉回避技術、斷電記憶技術和噴嘴接觸防碰撞技術，對焊接機器人、焊接電源及送絲機等設備進行綜合調(diào)度控制，完成小組立工件復雜軌跡的自動焊接，實現(xiàn)柔性化、自動化的焊接制造。

3.2.5 生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)

信息管理系統(tǒng)采用單元式模塊化全數(shù)字控制，采用基于Visual Studio可視化界面及Oracle數(shù)據(jù)庫開發(fā)的B/S架構研制，由生產(chǎn)管理、設備管理、故障診斷、質量監(jiān)控、物流及生產(chǎn)狀況視頻監(jiān)控等5個模塊組成，能實時監(jiān)控機器人工作站、物流系統(tǒng)及輔助設備等車間所有設備的實時狀態(tài)，統(tǒng)計生產(chǎn)過程參數(shù)、生產(chǎn)狀況、故障信息和品質管理，同時能生成各種報表。

4 效果分析評價

4.1 生產(chǎn)節(jié)拍對比分析

通過對小組立生產(chǎn)進行統(tǒng)計可知，當前1名焊工每天焊接的長度約為100m，若該類型小組立（如圖1所示）焊縫長度為 12600mm，則焊接生產(chǎn)節(jié)拍為 4536s。若采用小組立機器人裝焊生產(chǎn)線焊接該類型小組立，焊縫長度為 12600mm，采用雙機器人進行焊接，焊腳高度 7mm，雙面角焊縫，水平焊接速度為400mm/min，則該工件的生產(chǎn)節(jié)拍為1160s。

4.2 人數(shù)對比分析

目前，小組立工件生產(chǎn)主要采用分段區(qū)域生產(chǎn)模式，1個分段的小組立集中在1個區(qū)域生產(chǎn)，以此降低管理難度。但這也會降低小組立的生產(chǎn)效率。采用分段區(qū)域生產(chǎn)模式時會將大量小組立零件運輸至該區(qū)域，裝配工需花費大量時間尋找相互對應的小組立零件，因此裝配效率較低。此外，當前小組立生產(chǎn)的火工仍采用人工火工修補的方式，與小組立機器人裝焊流水線的自動背燒工位相比效率偏低。按照生產(chǎn)綱領要求，日產(chǎn)量為50件，每個小組立焊縫長度為12600mm，需焊工7人、裝配工4人、修補火工背燒人員3人，共計14人。

采用小組立機器人裝焊生產(chǎn)線后，在對該類型小組立工件進行裝配時將配有一張快速裝配圖，零件將形成固定流向，可減少不必要的輔助裝配時間（如尋找與板材配對的加強筋所耗費的工時），且裝配工僅需裝配1種類型的小組立，動作熟練，因此僅需1名裝配工即可滿足流水線生產(chǎn)要求。此外，流水線采用自動背燒設備，能對小組立工件進行快速背燒，需1名工人來控制背燒設備。因此，根據(jù)生產(chǎn)綱領，采用兩班次，每班次需配備1名裝配工、1名機器人操作員及1名修補火工人員，兩班制共需6人。

4.3 其他對比分析

小組立機器人裝焊生產(chǎn)線采用機器人進行生產(chǎn)，得到的小組立產(chǎn)品的質量相比采用傳統(tǒng)小組立生產(chǎn)方式更優(yōu)，返修率更低；機器人裝焊生產(chǎn)線形成流水線式生產(chǎn)，相比傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式具有良好的連續(xù)性；機器人裝焊流水線具有一套智能管理系統(tǒng)，能對產(chǎn)量、生產(chǎn)速率及質量等生產(chǎn)信息進行實時監(jiān)控和管理，減少傳統(tǒng)管理中存在的漏洞和錯誤。

4.4 效果評價

從生產(chǎn)節(jié)拍、工作人數(shù)、產(chǎn)品質量、生產(chǎn)連續(xù)性和生產(chǎn)管理等5個方面對小組立機器人裝焊生產(chǎn)線及傳統(tǒng)小組立生產(chǎn)方式進行對比分析，結果見表1。由表1可知，小組立機器人裝焊生產(chǎn)線生產(chǎn)效率更高，所需人數(shù)更少，產(chǎn)品質量更穩(wěn)定、更優(yōu)異，具有生產(chǎn)連續(xù)性好、生產(chǎn)管理更智能化的特點。

表1 小組立機器人裝焊生產(chǎn)線與傳統(tǒng)小組立生產(chǎn)方式對比

5 結 語

針對基于典型小組立工件的生產(chǎn)綱領，從組成設備和系統(tǒng)集成控制2方面對小組立機器人裝焊生產(chǎn)線進行總體設計，能實現(xiàn)小組立工件復雜軌跡的智能化焊接。與傳統(tǒng)小組立生產(chǎn)方式相比，小組立機器人裝焊生產(chǎn)線生產(chǎn)效率更高，所需人數(shù)更少，產(chǎn)品質量更穩(wěn)定、更優(yōu)異；同時，具有生產(chǎn)連續(xù)性好、生產(chǎn)管理更智能化等特點，能達到提高生產(chǎn)效率、降低人員數(shù)量和改善焊接質量的目的，使小組立工件生產(chǎn)走向規(guī)?；⒏咝Щ团炕闹悄苤圃炷Ｊ?，為小組立機器人裝焊生產(chǎn)線的后續(xù)研究打下基礎。

[1]國際船舶網(wǎng). 南通中遠川崎入選智能制造試點示范項目[EB/OL]. (2015-07-23). http://www.eworldship. com/html/2015/Shipyards_0723.104645.html.

[2]衣正堯，林焰，劉英想. 造船工業(yè)機器人現(xiàn)狀分析[J]. 機械工程師，2016 (7): 89-92.

[3]彭常青. 南通中遠川崎船舶智能制造項目案例[J]. 中國遠洋航務，2015 (11): 28-30.

[4]朱金權. 機器人自動生產(chǎn)線的工藝分析與總體設計[J]. 中國新技術新產(chǎn)品，2014 (8): 1-3.

[5]KANG S W, YOUN H J. Development of multi welding robot system for sub assembly in shipbuilding[J]. The International Federation of Automatic Control, 2008, 41 (2): 5273-5278.

Study on the Overall Design of the Robot Production Line for Sub Assembly

JI Yong-jun1,2，ZHU Yu-long2，LIU Jian-feng2

（1. Naval Architecture and Ocean Engineering College,iangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China;2. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China）

Based on the production program of typical sub assembly, this paper analyzes the processing technology of sub assembly, sets up the detailed processing route and studies the overall layout design of work stations of the robot production line for sub assembly. According to the production program of typical work pieces, design studies on the welding robot workstations are carried out from two aspects, i.e., the equipment composition and the system integrated control. Meanwhile, based on the five aspects of cycle time, number of workers, product quality, production continuity and production management, the comparisons between robot production line and the conventional production scheme for sub assembly are made. The result shows that compared with the conventional sub assembly production scheme, the robot welding production line has higher production rate, requires fewer people, has more stable and more excellent product quality, and has the characteristics of good production continuity and more intelligent production management,therefore can achieve the goal of higher production efficiency, reducing number of workers, improving welding quality,and enabling the realization of intelligent manufacturing of large scale, high efficiency and batch production of the sub assembly work pieces.

robot production line for sub assembly; process analysis; overall design; effect evaluation

U671.8

A

2095-4069 (2017) 06-0044-05

2017-01-05

中國船舶工業(yè)集團公司創(chuàng)新計劃項目

吉永軍，男，碩士生，1991年生。2017年畢業(yè)于江蘇科技大學船舶與海洋工程結構物設計制造專業(yè)，現(xiàn)從事船舶智能制造方面的研究工作。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.010