吉永軍，朱玉龍，劉建峰

（1. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)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(jī)器人裝焊生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)研究

吉永軍1,2，朱玉龍2，劉建峰2

（1. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)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(lǐng)，分析小組立工件的加工工藝，制訂詳細(xì)的加工工藝路線，對(duì)小組立機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線的工位進(jìn)行總體布置設(shè)計(jì)。依據(jù)典型工件的生產(chǎn)綱領(lǐng)，從組成設(shè)備和系統(tǒng)集成控制2個(gè)方面對(duì)焊接機(jī)器人工作站進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。從生產(chǎn)節(jié)拍、工作人數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)連續(xù)性和生產(chǎn)管理等5個(gè)方面對(duì)小組立機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線與傳統(tǒng)小組立生產(chǎn)方式進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：相對(duì)于傳統(tǒng)小組立生產(chǎn)方式，小組立機(jī)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(zhì)量更穩(wěn)定、更優(yōu)異；同時(shí)，具有生產(chǎn)連續(xù)性好、生產(chǎn)管理更智能化等特點(diǎn)，能達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低人數(shù)、改善焊接質(zhì)量的目標(biāo)，使小組立工件生產(chǎn)形成規(guī)?；?、高效化和批量化的智能制造模式。

小組立機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線；工藝分析；總體設(shè)計(jì)；效果評(píng)價(jià)

0 引 言

隨著機(jī)器人焊接技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人焊接技術(shù)在船舶建造過程中的應(yīng)用得到廣泛關(guān)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)量龐大等特點(diǎn)，適合形成機(jī)器人裝焊流水線進(jìn)行生產(chǎn)[1]。然而，當(dāng)前我國(guó)絕大部分造船企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的人工焊接方式進(jìn)行小組立部件的生產(chǎn)制造，自動(dòng)化程度不高，沒有形成智能化流水作業(yè)，存在勞動(dòng)力成本高、耗費(fèi)工時(shí)長(zhǎng)、質(zhì)量不穩(wěn)定和生產(chǎn)連續(xù)性差等問題，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代造船企業(yè)的要求[2]。采用小組立機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線能有效降低勞動(dòng)成本、縮短生產(chǎn)工時(shí)及提升生產(chǎn)質(zhì)量[3]。

本文對(duì)此，基于小組立機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線項(xiàng)目的前期研究，對(duì)生產(chǎn)線的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行探討?？傮w設(shè)計(jì)需滿足周邊設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境對(duì)機(jī)器人的約束，其合理性直接關(guān)系到整個(gè)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(jī)器人裝焊生產(chǎn)線的總體設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(dá)到所要求的焊接速度，保證焊接質(zhì)量。根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)，計(jì)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(gè)工件的生產(chǎn)工時(shí)≤1200s。

2 工藝分析及工位布置設(shè)計(jì)

在規(guī)劃小組立機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線之前，需對(duì)該類型小組立加工工藝流程進(jìn)行分析，制訂詳細(xì)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(diǎn)焊→焊接→修補(bǔ)→背燒的工藝流程進(jìn)行操作，工件位置不發(fā)生移動(dòng)。采用機(jī)器人裝焊時(shí)，考慮到提高生產(chǎn)效率，通過將生產(chǎn)工藝流程轉(zhuǎn)化為機(jī)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(dòng)，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(jìn)料區(qū)域、裝配工位、機(jī)器人焊接工位、修補(bǔ)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(duì)小組立工件進(jìn)行組焊時(shí)，事先在裝配工位點(diǎn)固焊， 提高工作效率；小組立工件按照設(shè)計(jì)的焊接工藝順序?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)焊接；在修補(bǔ)工位檢驗(yàn)小組立工件的焊接質(zhì)量，對(duì)焊接有缺陷的工件進(jìn)行手工修補(bǔ)，提升焊接質(zhì)量；在背燒工位采用自動(dòng)背燒設(shè)備施工，以消除焊接過程中可能產(chǎn)生的應(yīng)力和局部變形；小組立以零件的形式進(jìn)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(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)

3.1 焊接機(jī)器人工作站

根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求及焊縫長(zhǎng)度，對(duì)焊接機(jī)器人工作站進(jìn)行設(shè)計(jì)。該類型小組立焊縫總長(zhǎng)度為12600mm，其總體布置形式見圖3，由雙機(jī)器人、龍門架、機(jī)器人旋轉(zhuǎn)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(jī)、系統(tǒng)集成控制箱及安全圍欄等組成。工作站機(jī)器人需在焊接工作開始之前進(jìn)行示教，檢驗(yàn)是否存在干涉，耗費(fèi)時(shí)間約為 100s；待檢驗(yàn)完成之后，工作站通常采用雙機(jī)器人同時(shí)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(shí)為960s；考慮到工件輸送及其他時(shí)間約為 100s，該類型小組立的焊接機(jī)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(kù)、自動(dòng)編程及仿真系統(tǒng)、視覺識(shí)別系統(tǒng)、運(yùn)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(kù)，根據(jù)不同構(gòu)件的焊接要求自動(dòng)生成焊接工藝；自動(dòng)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(jī)器人焊接程序，并進(jìn)行離線仿真優(yōu)化；在實(shí)際焊接過程中，基于工件基準(zhǔn)點(diǎn)，通過視覺識(shí)別系統(tǒng)對(duì)焊接工件進(jìn)行識(shí)別判斷，并修正焊縫偏移；運(yùn)行控制系統(tǒng)讀取焊接程序，對(duì)焊接機(jī)器人、焊接電源及送絲機(jī)等設(shè)備進(jìn)行綜合調(diào)度控制，完成小組立工件復(fù)雜軌跡的自動(dòng)焊接；生產(chǎn)信息系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人工作站、物流系統(tǒng)及輔助設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程參數(shù)、生產(chǎn)狀況和故障信息的統(tǒng)計(jì)[5]。

3.2.1 焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)

焊接專家數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是一種預(yù)先設(shè)定焊接條件，通過數(shù)據(jù)庫(kù)命令調(diào)出設(shè)定的焊接條件的技術(shù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)為多種焊縫形式設(shè)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(yīng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成焊接工藝表，并直接在焊接程序中應(yīng)用；同時(shí)，可根據(jù)自身工藝需求對(duì)該工藝表進(jìn)行調(diào)整和修改。該技術(shù)可大大簡(jiǎn)化示教工作量，提高編程效率。

3.2.2 自動(dòng)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(dòng)編程系統(tǒng)能通過讀取Tribon圖紙數(shù)據(jù)完成工件坐標(biāo)系位置標(biāo)定和工作軌跡信息獲取，實(shí)現(xiàn)工件焊縫數(shù)據(jù)編輯、自動(dòng)編程、自動(dòng)調(diào)用焊接數(shù)據(jù)庫(kù)及調(diào)用程序自動(dòng)焊接等。編程時(shí)，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(jī)器人焊接程序，可在系統(tǒng)中進(jìn)行離線仿真，判斷與工件的干涉，并自動(dòng)優(yōu)化。

3.2.3 視覺識(shí)別系統(tǒng)

視覺識(shí)別系統(tǒng)采用安裝在移動(dòng)裝置上的攝像機(jī)，通過移動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行掃描，根據(jù)掃描結(jié)果對(duì)焊接工件的種類進(jìn)行識(shí)別判斷，自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)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(shí)別系統(tǒng)不僅不必從外部輸入任何信息，而且可自動(dòng)調(diào)用、編輯已識(shí)別的工件信息。

在操作人員完成對(duì)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單編輯后，利用龍門架視覺攝像頭對(duì)平臺(tái)工件進(jìn)行位置校正，選取工件2～3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，并檢測(cè)其實(shí)際位置，通過修正程序中基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，使機(jī)器人在焊接過程不受工件加工、組對(duì)拼焊和焊接裝夾定位帶來的誤差的影響，自動(dòng)尋找焊縫并識(shí)別焊接情況，修正焊縫偏移。

3.2.4 運(yùn)行控制系統(tǒng)

生產(chǎn)線運(yùn)行控制系統(tǒng)通過應(yīng)用變位機(jī)空轉(zhuǎn)回避技術(shù)、斷電記憶技術(shù)和噴嘴接觸防碰撞技術(shù)，對(duì)焊接機(jī)器人、焊接電源及送絲機(jī)等設(shè)備進(jìn)行綜合調(diào)度控制，完成小組立工件復(fù)雜軌跡的自動(dòng)焊接，實(shí)現(xiàn)柔性化、自動(dòng)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(kù)開發(fā)的B/S架構(gòu)研制，由生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、故障診斷、質(zhì)量監(jiān)控、物流及生產(chǎn)狀況視頻監(jiān)控等5個(gè)模塊組成，能實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人工作站、物流系統(tǒng)及輔助設(shè)備等車間所有設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)過程參數(shù)、生產(chǎn)狀況、故障信息和品質(zhì)管理，同時(shí)能生成各種報(bào)表。

4 效果分析評(píng)價(jià)

4.1 生產(chǎn)節(jié)拍對(duì)比分析

通過對(duì)小組立生產(chǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，當(dāng)前1名焊工每天焊接的長(zhǎng)度約為100m，若該類型小組立（如圖1所示）焊縫長(zhǎng)度為 12600mm，則焊接生產(chǎn)節(jié)拍為 4536s。若采用小組立機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線焊接該類型小組立，焊縫長(zhǎng)度為 12600mm，采用雙機(jī)器人進(jìn)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(duì)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(gè)分段的小組立集中在1個(gè)區(qū)域生產(chǎn)，以此降低管理難度。但這也會(huì)降低小組立的生產(chǎn)效率。采用分段區(qū)域生產(chǎn)模式時(shí)會(huì)將大量小組立零件運(yùn)輸至該區(qū)域，裝配工需花費(fèi)大量時(shí)間尋找相互對(duì)應(yīng)的小組立零件，因此裝配效率較低。此外，當(dāng)前小組立生產(chǎn)的火工仍采用人工火工修補(bǔ)的方式，與小組立機(jī)器人裝焊流水線的自動(dòng)背燒工位相比效率偏低。按照生產(chǎn)綱領(lǐng)要求，日產(chǎn)量為50件，每個(gè)小組立焊縫長(zhǎng)度為12600mm，需焊工7人、裝配工4人、修補(bǔ)火工背燒人員3人，共計(jì)14人。

采用小組立機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線后，在對(duì)該類型小組立工件進(jìn)行裝配時(shí)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(shí)間（如尋找與板材配對(duì)的加強(qiáng)筋所耗費(fèi)的工時(shí)），且裝配工僅需裝配1種類型的小組立，動(dòng)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(dòng)背燒設(shè)備，能對(duì)小組立工件進(jìn)行快速背燒，需1名工人來控制背燒設(shè)備。因此，根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)，采用兩班次，每班次需配備1名裝配工、1名機(jī)器人操作員及1名修補(bǔ)火工人員，兩班制共需6人。

4.3 其他對(duì)比分析

小組立機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線采用機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)，得到的小組立產(chǎn)品的質(zhì)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(jī)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(jī)器人裝焊流水線具有一套智能管理系統(tǒng)，能對(duì)產(chǎn)量、生產(chǎn)速率及質(zhì)量等生產(chǎn)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，減少傳統(tǒng)管理中存在的漏洞和錯(cuò)誤。

4.4 效果評(píng)價(jià)

從生產(chǎn)節(jié)拍、工作人數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)連續(xù)性和生產(chǎn)管理等5個(gè)方面對(duì)小組立機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線及傳統(tǒng)小組立生產(chǎn)方式進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表1。由表1可知，小組立機(jī)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(zhì)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(diǎn)。

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

5 結(jié) 語

針對(duì)基于典型小組立工件的生產(chǎn)綱領(lǐng)，從組成設(shè)備和系統(tǒng)集成控制2方面對(duì)小組立機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)小組立工件復(fù)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(jī)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(zhì)量更穩(wěn)定、更優(yōu)異；同時(shí)，具有生產(chǎn)連續(xù)性好、生產(chǎn)管理更智能化等特點(diǎn)，能達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低人員數(shù)量和改善焊接質(zhì)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(jī)器人裝焊生產(chǎn)線的后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。

[1]國(guó)際船舶網(wǎng). 南通中遠(yuǎn)川崎入選智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)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(jī)器人現(xiàn)狀分析[J]. 機(jī)械工程師，2016 (7): 89-92.

[3]彭常青. 南通中遠(yuǎn)川崎船舶智能制造項(xiàng)目案例[J]. 中國(guó)遠(yuǎn)洋航務(wù)，2015 (11): 28-30.

[4]朱金權(quán). 機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線的工藝分析與總體設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)新技術(shù)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(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目

吉永軍，男，碩士生，1991年生。2017年畢業(yè)于江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)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