辛立軍

基于FlexSim的裝載機焊接車間設(shè)計

辛立軍

（河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計及過程仿真重點實驗室 唐山學院，河北 唐山 063000）

根據(jù)所給定裝載機的生產(chǎn)綱領(lǐng)，在計算得到邊界條件和生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備與工人數(shù)目等參數(shù)后，采用柔性焊接生產(chǎn)線（WFMS）與JIT動態(tài)物料配送相結(jié)合的方式，設(shè)計了裝載機主要構(gòu)成部分零件的生產(chǎn)線，得出裝載機焊接車間的平面設(shè)計。通過FlexSim仿真軟件，對所設(shè)計的裝載機焊接車間生產(chǎn)過程進行模擬，模擬出焊接車間的實際生產(chǎn)過程的效率、時間等參數(shù)，從而驗證焊接車間設(shè)計的合理性。

FlexSim軟件；裝載機；焊接車間設(shè)計

裝載機是目前使用范圍最廣、應(yīng)用最多的工程機械。生產(chǎn)裝載機是一個比較復雜的過程，考慮的因素比較多，而焊接車間的合理布置是生產(chǎn)最主要的保證，合理的車間布置能使得企業(yè)的經(jīng)濟效益最大化。本文使用Flexsim三維仿真軟件對裝載機焊接車間進行建模仿真。通過對焊接生產(chǎn)線的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析及其進行仿真模擬和數(shù)據(jù)結(jié)果分析，進而對焊接生產(chǎn)線進行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與可行性驗證，在保證產(chǎn)品生產(chǎn)高效、質(zhì)量穩(wěn)定前提下，實現(xiàn)焊接車間規(guī)劃的節(jié)約化、潔凈化、數(shù)字化、智能化。

1 生產(chǎn)綱領(lǐng)與邊界條件

裝載機焊接車間采用機器人焊接為主、人工補焊為輔的焊接生產(chǎn)模式。焊接車間設(shè)計與采用Flexsim軟件對裝載機焊接車間進行建模仿真的首要前提是明確生產(chǎn)綱領(lǐng)與邊界條件。邊界條件主要依據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)設(shè)計，本次設(shè)計主要的邊界條件有公稱、設(shè)計、設(shè)備設(shè)計、工人設(shè)計等相關(guān)年時基數(shù)項目[1-4]。本次設(shè)計提供的生產(chǎn)綱領(lǐng)與計算得出邊界條件如表1所示。

2 裝載機焊接生產(chǎn)線設(shè)計

根據(jù)裝載機結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)特點，將焊接生產(chǎn)線細化為前車架、后車架、動臂、鏟斗、裝載機其它部分等生產(chǎn)線，總體設(shè)計依據(jù)產(chǎn)品相似性與生產(chǎn)工藝相似性原則安排，并采用機械化、自動化的物流輸送系統(tǒng)。每個細化生產(chǎn)線包括組對、焊接、機加工，即焊接生產(chǎn)工藝路線均從裝配→焊接→機加工→總成拼焊→打磨或清理→總成加工→涂裝。

表1 產(chǎn)品生產(chǎn)綱領(lǐng)與邊界條件

2.1 生產(chǎn)工藝流程

(1)前車架。作為裝載機主要承載功能的重要部件，其前車架的空間結(jié)構(gòu)為典型的半箱型對稱焊接結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 裝載機前車架焊接主要工藝流程圖

經(jīng)計算，前車架生產(chǎn)線最少工位數(shù)14個，生產(chǎn)效率為93%。

(2)后車架。生產(chǎn)流程如圖2所示，后車架生產(chǎn)最少需工位數(shù)14個，生產(chǎn)效率為93%。

圖2 裝載機后車架焊接主要工藝流程圖

(3)動臂。生產(chǎn)流程如圖3所示[5]。

圖3 裝載機動臂焊接主要工藝流程圖

動臂生產(chǎn)最少需工位數(shù)14個，生產(chǎn)效率為93%。

(4)鏟斗。鏟斗焊接生產(chǎn)的主要工藝流程如圖4所示。鏟斗生產(chǎn)所需工位數(shù)最少為14個，生產(chǎn)效率為93%。

圖4 裝載機動臂焊接主要工藝流程圖

(5)其他部分焊接生產(chǎn)線設(shè)計。裝載機其它部分的結(jié)構(gòu)件，包括搖臂、副車架、拉桿等相對小型簡單的結(jié)構(gòu)件均采用相同的多條小型生產(chǎn)線生產(chǎn)。搖臂、副車架及拉桿的焊接主要包含總成拼焊、總成焊接等，各部分拼焊后進行總成加工，最后進行涂裝，流程如圖5所示。

圖5 裝載機搖臂、副車架、拉桿焊接工藝流程圖

其中，搖臂、副車架工位數(shù)最少需14個，生產(chǎn)效率為93%，而拉桿件較小，不采用焊接機器人，工位數(shù)15，生產(chǎn)效率85%。

2.2 生產(chǎn)工藝分析

(1)柔性焊接生產(chǎn)線?！癢FMS”是柔性制造系統(tǒng)的一個重要分支，即柔性焊接生產(chǎn)線。柔性焊接生產(chǎn)線中，生產(chǎn)線上的自動焊機與相應(yīng)的工藝裝備均采用“FMC”（機器人柔性制造單元）來代替，從而在生產(chǎn)產(chǎn)品種類和類型上增加其更廣泛的適應(yīng)性，即所謂的柔性。針對工廠生產(chǎn)來說，焊接質(zhì)量更穩(wěn)定、生產(chǎn)效率更高、焊接變形更小、焊縫更美觀、顯著降低工人勞動強度是采用機器人進行焊接生產(chǎn)的突出優(yōu)點。柔性焊接生產(chǎn)線上的柔性制造單元即根據(jù)產(chǎn)品焊接特點而采用的相應(yīng)弧焊機器人工作站?；『笝C器人工作站通過系統(tǒng)的協(xié)調(diào)進行復雜的焊接操作，可以根據(jù)產(chǎn)品的焊接特點與相應(yīng)的工藝要求，使焊接作業(yè)始終處于最佳位置（如船形焊位置）。

本次生產(chǎn)線設(shè)計采用雙工位布局的焊接機器人工作站，占地面積小，可達性良好，沒有工作盲區(qū)或工作死角，焊接可達率100%。依次完成雙工位的焊接主要要由工作站的焊接機器人與變位機、翻轉(zhuǎn)架等外部設(shè)備協(xié)調(diào)運動來實現(xiàn)，由于裝載機多為低碳、低合金鋼材料，因此結(jié)構(gòu)件采用1.2 mm焊絲、雙絲混合氣體保護焊（15% CO2＋85% Ar），針對不同厚度靈活采用單層多道焊、多層多道焊等工藝，能夠嚴格控制和執(zhí)行焊接規(guī)范，生產(chǎn)過程連續(xù)，能夠保證特定工藝要求，在保證熔深和接頭強度滿足要求的前提下，能夠獲得優(yōu)異的焊縫成形，無焊接缺陷，焊接質(zhì)量長期穩(wěn)定，從而減少打磨清理工作，不但可以降低勞動強度和噪聲，也可以相應(yīng)地促進工作效率的提高。

為保證生產(chǎn)流程的順利，采取機器人焊接為主，人工補焊的生產(chǎn)方式。人工補焊工位為移動式工位，輔助柔性焊接生產(chǎn)線（WFMS）的正常生產(chǎn)。

(2)物流機械化、自動化。傳統(tǒng)的人工分撿、堆放、車載配送的物料供應(yīng)模式已遠遠不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)奏，因此本次生產(chǎn)線設(shè)計采用智能物流配送系統(tǒng)，其手段是采用RFID技術(shù)進行零件物料的標識數(shù)據(jù)采集，具體實施是在零件物料上放置RFID標簽，然后通過工位控制器上的讀寫器讀取RFID標簽上的相關(guān)數(shù)據(jù)并回傳至系統(tǒng)。JIT動態(tài)物料配送具有廢品量、庫存量最低，準備時間、生產(chǎn)提前期最短、搬運量最少、批量小、損毀低等明顯優(yōu)勢。通過應(yīng)用RFID技術(shù)與JIT動態(tài)物料配送，從根本上能夠?qū)崿F(xiàn)全自動化的物料定點、準時配送的，零件能夠按照生產(chǎn)流程與生產(chǎn)節(jié)拍自動識別、自動排號，實現(xiàn)依次對組對工位、焊接單元等生產(chǎn)節(jié)點的自動配送。

物料輸送采用有軌制導車輛（RGV）自動輸送系統(tǒng)配合柔性焊接自動生產(chǎn)線，RGV自動輸送系統(tǒng)可在線協(xié)同，包括RGV物流車、帶自動平衡系統(tǒng)的助力機械手、專用吊具軌道電動旋轉(zhuǎn)機、地面導軌、和產(chǎn)品下線舉升機等系統(tǒng)，保證整個焊接產(chǎn)線的工藝流程與設(shè)備能夠高效進行匹配、協(xié)同工作，并實現(xiàn)整線循環(huán)。

此外，基于物流系統(tǒng)與生產(chǎn)流程連貫性，最大化減少焊接車間的物流量和運輸量，機加工設(shè)備（包括焊前、焊中和焊后）根據(jù)制品的生產(chǎn)流程和具體工作情況，均盡量布置在焊接生產(chǎn)線相應(yīng)工序中。

(3)焊接變形與應(yīng)力最小化。為保證裝載機在惡劣環(huán)境下能夠正常服役，保證焊接變形與應(yīng)力最小化是必需的工藝環(huán)節(jié)。采用柔性三維組合工裝系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)件的剛性固定，并與先進的部件前加工設(shè)備相配套，從而能夠在焊接過程實現(xiàn)精密、高效、和低成本、標準化及柔性化。

焊接構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力是裝載機車架服役失效的主要因素之一。為消除裝載機焊接結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力對整體質(zhì)量的潛在影響，在焊后對前、后車架采取振動時效工藝。振動時效工藝與效果基于 GB/T 25713《振動時效工藝參數(shù)與效果評定方法》、JB/T 5926《振動時效效果評定方法》進行。采用直接振動時效工藝，減震膠墊應(yīng)支撐于工件長度方向距兩端2/9處，為了保證工件的靜態(tài)平穩(wěn)，支撐的減震膠墊采用兩端各布置一個、工件長度方向一邊兩端各布置一個，另一邊中間布置一個（防止工件重心偏離），在一端強度較好處安裝激振器，而在遠離激振器的工件另一端（剛性相對較弱處）安裝傳感器。

3 焊接車間布置設(shè)計

焊接車間的規(guī)模為230 m×160 m，本次裝載機焊接車間設(shè)計遵循“一件流”的精益生產(chǎn)設(shè)計理念，平面布置方式采用平面縱橫混合布置形式[6]，橫向流水線共10條，縱向流水線1條。零件從備料到裝配、焊接、機加工、總成拼焊、打磨或清理、總成加工、到涂裝，物流路徑最短且無交叉，從而能夠顯著提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。結(jié)合裝載機車間輔助部門和生產(chǎn)部門的設(shè)計，最終確定焊接車間的布局，如圖6所示。

車間的整體走向是由兩側(cè)生產(chǎn)到中間總成，進料后各生產(chǎn)線開始生產(chǎn)零件，零件制造生產(chǎn)后放入各零件緩存區(qū)，經(jīng)緩存區(qū)運出到下車體總成線和左右側(cè)圍生產(chǎn)線進行拼裝，拼裝后運輸?shù)窖b載機總成線上與其他零件進行拼裝，最后進入檢測線和調(diào)整線進行檢測和調(diào)試。該焊接車間共有各類區(qū)域41個，19條生產(chǎn)線，12個緩存區(qū)，10個車間輔助區(qū)域。

4 裝載機焊接車間FlexSim生產(chǎn)仿真

結(jié)合車間的實際生產(chǎn)情況，本文選取了前車架生產(chǎn)線、后車架生產(chǎn)線、副車架生產(chǎn)線、動臂生產(chǎn)線、搖臂生產(chǎn)線、鏟斗、拉桿、左右側(cè)圍總成線、車身總成線等9條焊接生產(chǎn)線作為仿真對象[7]。

生產(chǎn)線仿真布局建模如圖7所示。運行仿真模型可得到設(shè)備利用率、空閑時間、當前容量等數(shù)據(jù)，見表2。

由表2可知，9條焊接生產(chǎn)線的主要工位都沒有出現(xiàn)嚴重的堵塞現(xiàn)象，加工過程所用主要加工設(shè)備利用率都在合適范圍內(nèi)，車身總成主定位工位的設(shè)備利用率為95.0%，達到較高水平。但是，由于檢測的時間與加工時間相比較少，導致檢測工位的空閑時間較多。整體節(jié)拍達到11 JPH以上，年產(chǎn)量2萬臺左右，符合車間設(shè)計預期目標，驗證了本文裝載機焊接車間布局設(shè)計的可行性與正確性。

圖6 裝載機焊接車間總體布置圖

圖7 生產(chǎn)線仿真布局建模

表2 裝載機焊接車間仿真數(shù)據(jù)

續(xù)表

對象空閑%設(shè)備利用率%當前容量對象空閑%設(shè)備利用率%當前容量 前車架組對66.6123.560.270564鏟斗物料緩存0.000.000 組對53.2323.960.277708拼焊65.9328.750.354892 焊接59.6127.200.277708總成0.000.001 補焊55.4532.500.265982補焊40.3291.630.256987 時效70.1221.360.277423涂裝56.2320.150.297563 后車架組對66.7226.300.122272拉桿拼焊76.3530.210.967806 焊接72.2924.960.12591焊接78.5226.230.966069 補焊59.5629.360.132712加工80.2124.670.925758 時效71.2026.540.125809涂裝73.5626.370.904901 搖臂拼焊79.2128.960.120885動臂組對65.3921.390.904901 總成焊0.000.001焊接68.2029.180.882634 加工69.2133.560.129291補焊56.3080.210.863695 涂裝80.1025.620.132898矯正60.2129.560.879512 下車體拼合0.000.001整車檢測86.326.080.235489 側(cè)圍手工12.3696.200.300989檢測調(diào)整64.8990.000.246358 外車殼加工17.9832.560.389965傳送帶*90.000.000.254821 總成自動焊0.000.001成品存放區(qū)0.000.00176.3664 整車裝配0.000.001不合格緩存0.000.008.083704

5 結(jié)論

本文針對裝載機焊接車間進行了生產(chǎn)線、車間布局設(shè)計，并進行了Flexsim仿真分析，結(jié)果表明，車間設(shè)計采用了柔性焊接生產(chǎn)線，智能物流配送系統(tǒng)以及產(chǎn)品質(zhì)量保證措施，車間工藝布局合理，車身總成主定位工位的設(shè)備利用率為95.0%，達到較高水平，符合預期年產(chǎn)量2萬臺的生產(chǎn)目標。

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[2] 李偉. 基于大型裝載機的焊接車間設(shè)計[J]. 建材與裝飾, 2016(23): 229-230.

[3] 朱凌子. 基于設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的汽車焊接車間布局設(shè)計[D]. 重慶: 重慶大學, 2018.

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Design of Loader Welding Workshop Based on Flexsim

XIN Li-jun

（Key Lab of Intelligent Equipment Digital Design and Process Simulation, Hebei Province, Tangshan University, Tangshan 063000, China）

According to the production program of loader, the parameters, such as the boundary conditions, production beat, number of equipment and so on are calculated. Then the production line of the main components of the loader is designed by flexible welding line manufacturing (WFMS) with JIT dynamic material distribution, and the plane design of the loader welding workshop is obtained. The FlexSim simulation software is used to simulate the production process of the designed loader welding workshop, and the efficiency, time and other parameters of the actual production process of the welding workshop are simulated, so as to verify the rationality of the design of the welding workshop.

FlexSim soft; loader; design of welding workshop

10.15916/j.issn1674-3261.2022.06.003

TG457

A

1674-3261(2022)06-0362-05

2022-09-27

辛立軍(1982-)，女，河北唐山人，副教授，博士。

責任編輯：劉亞兵