平面薄板智能生产线方案规划研究

王 立

(厦门船舶重工股份有限公司，福建 厦门 361026)

0 引言

船体结构片体是主要小组立部件。传统制作流程是将几块薄板在平台上完成拼板、焊接、翻身后焊接、划线，扶强材点焊，线上焊接、打磨、变形矫正，其特点是生产线占地面面积大，制造周期长，质量不稳定，生产效率低、投资较少，目前我国大部分造船企业沿用该生产模式。邮轮、汽车滚装船等船型近年来受到运输市场青睐，订单呈上升趋势。该类船型的薄板多，装焊易于变形且难以矫正。目前企业建造薄板类片体仍沿用传统手工装焊方式，自动化程度不高，智能流水化作业程度低下，生产效率和产品质量远远不能达到市场需求。因此，建造适应于薄板片体生产流水线，对于推动智能化建造、船舶工业的转型升级具有重要意义。

本文从总体布局、工位布局、信息系统等多方面对薄板平面片体智能生产线总体概况进行系统研究，构建了薄板平面片体智能生产线流程再造的理论模型，确立了薄板平面片体生产线建设方案。

1 设计要求

1.1 工作环境

薄板片体产品质量要求高，需要严格控制生产线工作环境。

(1)温湿度要求：常年平均气温20.6 ℃，最高气温45 ℃，最低气温2 ℃；常年平均相对湿度78%，最高湿度95%，有盐雾。

(2)工作气体分类要求：压缩空气供给压力为0.5～0.7 MPa，含水和油；二氧化碳气供给压力为0.2～0.3 MPa；氧气供气压力为0.7 MPa；天然气供给压力为0.05～0.09 MPa。

(3)整体生产线设备安装场地长为123 m，宽为17 m。工作电源为(380±10%) V，(50±1)Hz，三相交流电，且各种能源均以总接口方式供应至设备相近的厂房柱侧。

1.2 工作制及生产能力

此生产线采用每天两班制，每班8 h，每年工作251天的工作制。除T排焊接工位外，其他工位每班生产能力可完成3个最大规格平面片体的建造。

1.3 适用范围

薄板生产线工件适用范围见表1。

1.4 平面薄板焊接制造工艺要求

薄板平面片体相对于中厚板片体，在切割焊接过程中受热后极易变形且难以矫正，因此在薄板智能生产线中，需注意以下工艺要求。

(1)拼板需在表面平整刚度好的平台进行，不平整的板材需要重新较平。拼板板缝间隙控制小于等于1.0 mm,板面错边小于等于0.5 mm。手工装配采用相应工装调整到位，然后进行定位点焊。焊条需采用小直径(小于等于3.2 mm)，定位焊要均匀一致。焊道长约30 mm，间距约300 mm。

(2)拼板焊接釆用埋弧自动焊。在拼板板缝两端加装引、熄弧板，规格为100 mm×100 mm，板厚与拼板板厚相同。同时需要将焊缝两侧约30 mm范围的锈、油污、氧化皮等清除干浄，并确定焊材和焊接工艺参数选用正确。

(3)结构装焊前需严格按照结构图进行结构划线。薄板要先画十字基准线，再以基准线为基准进行结构划线。划线位置有对接焊缝，要把焊缝余高磨平。磨平范围是结构板厚再加上两边的焊角，不允许大出此范围。焊接顺序是纵向骨材、绑扎杯、纵向T排、横向T排、小构件。焊接参数见表2。

表1 薄板生产线适用范围

表2 自动角焊机焊接参数表

2 薄板生产线方案

2.1 生产线组成

依据平面薄板制造工艺要求，薄板平面片体生产线则用于船体平面片体的自动拼板、纵骨和T排装配和自动焊接。生产线设置钢板拼板正面焊接工位、钢板翻身工位、钢板拼板反面焊接工位、划线喷码工位、纵骨安装工位、纵骨焊接工位、T排安装工位、T排机器人焊接工位。

配套的自动输送系统和生产线管理平台,工位间物料传送由工作平台、辊道升降装置进行输送片体，工件作业时在平台上作业，在工位间传输时采用升降辊道进行输送。拼板采用琴键式液压压力架双面成形焊接工艺，自动划线采用喷墨高速划线，纵骨焊接采用多电极高速自动化焊接，骨材角焊方式采用视觉图像采集，智能双机器人自动焊接。

2.2 生产线流程

薄板平面片体生产线总体设计满足流水线的要求。本流水线主要功能是拼板和焊接，焊接采用“双面焊”方法。生产线的工艺流程为：拼板及正面埋弧焊→翻身→反面埋弧焊→划线喷码→人工安装纵骨→纵骨自动焊接→人工安装T排→T排机器人焊接。总体生产线布局规划见图1。

3 工位技术要求

3.1 拼板压力架正面焊接工位

工位设有钢制平台、拼板压力架和焊机等。钢制平台主要完成钢板焊前输入工作，将放在此钢制平台上的钢板通过移动装置进行X、Y方向的移动操作。当工件进入拼板压力架后，钢板错边导向系统开始工作，保证了两侧钢板对缝时处在同一平面上；光电开关感应到钢板后，钢板定位系统开始工作，通过单侧微调输送装置将钢板定位，液压调整装置将钢板对正到铜板中心线处，启动一侧压力架液压琴键系统将钢板压住。收回两侧钢板定位机构，按照焊接认可工艺参数对焊缝进行钢板定位焊或埋弧焊接，然后逐步完成板列的拼接，最后通过同步输送链将正面焊后板列送至翻身工位进行翻身。

3.2 翻身工位

工位完成正面焊接的钢板进行180°翻身运作，见图2。翻转臂通过液压同步控制。翻身时板材应保持稳定，不出现钢板滑移，翻身过程不影响其他工位的正常工作。钢板翻转机主要由翻转臂、支撑座、旋转轴、液压缸、液压控制管路、同步控制系统、液压系统和电控系统等组成。

3.3 压力架反面焊接工位

工位配置与拼板压力架正面焊接工位基本相同，但未配置钢板错边导向系统、气体保护焊定位焊系统、焊渣清理系统及反面铜板。

图1 智能薄板生产线

图2 翻身工位结构图

3.4 划线喷码工位

工位完成反面焊的板片进行划线和喷码标识任务。根据甲方提供图纸信息自动转换代码，划出板片上装配线、喷写部件标识、零件号等信息。板片的划线和喷码标识由门式数控划线喷码机完成。数控划线喷码机可以根据离线编制的划线喷码数据文件进行划线喷码，也可现场在本机上对板片进行划线喷码编程，现场划线喷码。

3.5 纵骨安装工位

本工位将完成划线打码的拼板进行纵骨的人工装配和人工焊接。纵骨安装工位设有钢制多孔平台、升降滚轮支撑架、板链输送机构。

3.6 纵骨焊接工位

工位完成纵骨安装任务。用多极纵骨焊接机对纵骨角焊缝实施气体保护焊自动焊接。多极纵骨焊接机采用纵向轨道运行的双梁门架式结构，双梁上设有在横向轨道上运行的横向移动横梁。工位配置了1台纵骨焊接机，横向移动横梁载有6台焊接小车，每台小车上载有2把气体保护焊枪及其送丝机构，并具有焊缝自动跟踪功能,见图3。采用双面单丝CO2气体保护焊高速焊接，可同时对6根已装配好的纵骨进行焊接。另外，配有1套焊烟收集装置和焊烟处理系统。

图3 纵骨焊接工位

3.7 T排安装工位

工位完成纵骨安装的板列进行T排的人工装配和人工焊接工作。工位设有钢制多孔平台、升降滚轮支撑架、板链输送机构。

3.8 T排焊接工位

工位设置1台移动式双机器人焊接门架，对T排安装的片体进行焊接。机器人可通过网络与工厂局域网相连，下载或上传生产任务和生产工艺数据。通过实时读取传感器数据，感知工件的工况，并分析、判断，为机器人的动作做出决策。同时也可以读取造船建模软件输出的分段设计数据并转换成机器人控制的数据格式，通过离线编程软件的二次建模，生成机器人控制数据。另外，通过视觉成像技术提取工件空间三维坐标系，在激光跟踪系统实时导引下自动完成T排的双侧平脚焊、立角焊和包角焊。T排机器人焊接工位示意图见图4。

图4 T排机器人焊接工位示意图

4 信息化管理

智能薄板生产线信息化管理是整个方案设计中核心的部分，管理平台示意图见图5。生产线管理系统平台是薄板平面片体生产线“水平”和“垂直”集成的桥梁和纽带，管理平台接收到MES 系统下发的生产任务、工件数据等信息，通过任务计划管理模块进行任务规划，并实时采集子模块信息反馈到中控管理平台，达到实时监控生产与信息统计、数据分析等。生产线中每个工位预留信息化网络接口，可实现工位与工厂互联网和其他工位或设备的互联互通，为后期信息化智能化制造预留空间。

图5 管理平台示意图

生产线管理系统平台布置在集中控制大屏显示区，用于生产线物流系统、各个工位工作状态的监视并报警，并且生产线管理系统平台采用对生产线上工位群信息实现集中管理的工作模式。生产线管理系统见图6。这套管理平台系统实现了对整条生产线设备的监控，为整体薄板平面片体生产线提供信息化管理的相关数据，为客户工厂智能制造信息化提供基础。系统包含硬件和软件两个部分。

(1)硬件系统：包括工控网络硬件架构、中控操控台、关键工位控制工作站和关键工位监控设备。

(2)软件系统：通过网络管理、过程控制、任务计划管理、质量监测分析、生产参数设置、生产系统维护管理和人力资源管理等功能模块，生产线管理系统实现了对整条薄板平面片体生产线的相关工艺管理、生产管理、成本管理、设备管理、质量管理、能耗管理和系统管理等。

图6 生产线管理系统

5 结论

本文面向薄板片体生产线建造，融合信息化和工业化技术手段，进行了以下三方面研究：

(1)细化薄板片体生产工艺要求，对各环节精度控制进行反馈设计。

(2)设置了拼板焊接等8个工位协调运作，使得整体生产线高效准确运行。

(3)结合智能生产线管理系统，使管理平台与MES 系统协调配合，真正实现了研发、设计、生产、管理等环节的数据、信息的全面融合和协同运行。