新技术在叉车装配车间工艺设计中的应用

葛晖，王仲恒，马闯

（中机第一设计研究院有限公司，合肥 230601）

1 命题来源及输入条件

1.1 命题来源

近年来，工程机械市场持续向好，许多企业为了抢占更多的市场份额投入巨额资金进行大规模的工程改扩建。在技改设计中，设计人员往往容易忽视设计方法中的一些细节，给建成后投入使用带来不便。因此，只有在准确运用设计方法的同时，结合当代新技术发展特点加以改进，才能使得设计成果既满足生产需求，又能够保持企业持续的创新活力。本文结合近期完成的一个工程项目案例介绍装配车间工艺设计方案以及新技术在该方案中的应用。

1.2 车间生产任务及纲领

车间承担叉车部件、整机装配、产品调试的作业任务。生产纲领为年产2～3.5t 叉车40 000 台。本项目装配车间位于多连跨联合厂房内，是目前国内叉车行业最大的从事叉车生产的建筑单体。

1.3 工作班制

装配车间结合纲领需求及作业特点采用两班工作制【1】。

2 工艺设计内容及设计难点

2.1 设计内容

本项目设计内容主要包括：

1）分析产品的装配工艺流程；

2）选择适用、先进的智能化工艺设备；

3）合理规划车间区域布局及物流路线；

4）确定车间工艺平面布置方案；

5）提出厂房的建设条件、智能化环境，以及生产所需的各种能耗需求。

2.2 主要设计难点

在大批量、多品种的生产模式，以及企业信息化资源不足的条件下，装配车间工艺设计主要存在以下难点：

1）如何制定合理的模块化产品装配工艺，并实现装配工艺模块之间生产能力的匹配和设备负荷的均衡；

2）智能化工艺设备如何利用企业现有信息化条件发挥其智能化功能，并以可接受的性价比参与大批量、多品种的生产工艺过程；

3）在多工种作业的联合厂房内，装配车间物流组织受到多个外部条件的限制，如何兼顾各方约束实现车间内、外的物流畅通；

4）如何实现物流自动化、信息化、准时化，做到大批量、多品种的物料配送与装配作业的有效衔接，使其最大化发挥出系统生产效率。

3 设计成果及设计难点的解决措施

3.1 设计原则

1）按智能车间建设目标进行装配车间工艺方案设计，通过逐步完善先进的信息化技术及数字化装备实现生产过程的智能化管控以及信息可追溯；

2）车间设计方案要遵循分期实施的原则，在区域布局、投资分配、设备选用等方面要做到近期与远期的合理衔接；

3）按照产品生产工艺流程，结合批量需求，合理设置各作业模块；

4）关键工艺设备的选用要数字化、智能化，通过信息化手段实现互联互通；

5）合理组织车间物流，采用先进的智能化物流设备保证物流顺畅；

6）工艺设计考虑节地节能、环保卫生、材料供应等因素【2】。

3.2 主要工艺说明

3.2.1 产品总装工艺流程

叉车总装工艺流程见图1。

图1 叉车总装工艺流程图

3.2.2 主要工艺说明

根据生产纲领和分期实施计划，装配车间由装配工段和调试工段组成，其中，装配工段划分2 个生产单元，即一期实施单元、二期实施单元（远期）。每个生产单元完成20 000 台叉车装配任务。

1）生产节拍

车间采用双班工作制，每年工作250d，每天工作时间8h。

年时基数：φ=250d×8h×2 班=4 000h

生产节拍：τ=60φ/N=（60×4 000h）/40 000 台=6h

每个装配单元生产节拍：τ=60φ/N=（60×4 000h）/20 000 台=12h

式中，τ 为生产节拍，min；φ 为年时基数，h；N 为年产量，台。

2）总装

产品总装工时分析：通过对工艺流程分析，最终确定总装工时（含线上调整检查）为200min。总装采用流水线形式。车间设置2 条总装线，每条线完成15 种型号产品的混线装配任务。线体为单板链式输送线，运行方式为间歇、连续可调。总装线工位计算：

（1）间歇式：

计算工位数：C=T/[（τ-Tn）nk]= 200min/[（12min-0.5min）×1×0.9]=19.3 个

拟采用工位数：22 个

负荷率 η=（19.3/22）×100% =88%

（2）连续式：

计算工位数：C=T/（τnk）=200min/（12min×1×0.9）=18.5个

拟采用工位数：22 个

负荷率 η=（18.5/22）×100%=84%

式中，C 为计算站数；T 为每台产品总装配劳动量，min；Tn为传送带移动一次所需时间，min，传送带移动速率10m/min；n 为平均工作密度；k 为多品种调整系统系数，取 0.9；η 为负荷率。

通过以上计算，总装线工位数量确定为22 个工位。工位间距4.8m，总长约115m。

3）分装

对分装工时较大的部件，如车架、驱动装置、仪表架、护顶架、门架等部件采用流水线装配形式，其余部件均采用台位式装配形式，分装工作台为独具特色的集成式结构，即将操作台、电脑架、能源柱、标准件存放架等多功能集成于一体。

4）起重运输设备

总装线、分装线以及较重部件分装台全部配置智能起重设备。对于一些较大型工件的装配如机罩座椅、轮胎的安装设置助力机械臂，实现快速抓取物料，准确送至装配位置。

5）油品加注

油品加注全部采用集中供液系统+智能加注设备，产品所需油品通过室外地埋管线从厂区供油站输送到装配车间，再通过架空道输送至加油工位。生产线设置油品集中自动加注工位，根据油品的不同采用不同的加注方式，其中，液压油、柴油、发动机机油、变速箱油采用多合一定量加注机加注，防冻液、制动液采用真空加注机加注；加注系统具有防呆、防错功能，并实现智能化过程管控。

6）装配作业的螺栓连接

装配作业螺栓连接全部采用高效电、气动工具，关键部件的螺栓紧固如驱动装置与车架、配重与车架、门架与基础车等重要连接部件，选用单轴或多轴智能电动定扭工具，确保数据信息准确及质量可追溯。

7）尾气抽排

针对产品总装线车辆下线并运行到调试工段，方案采用了随动尾气抽排装置，即在该区域设置可移动的收烟小车（收烟罩+排烟管路），收烟罩与车辆发动机排气管连接，并随车辆同步运行，同时在装置离心风机的作用下，捕捉车辆排出的尾气，经过滤后排放至室外。

3.2.3 车间工艺布局及物流方案

1）工艺布局

装配车间位于多连跨组成的联合厂房内，其中装配车间由1 个竖向跨、2 个横向跨组成，东西向长度约240m，南北向长度约60m，北侧设2 层生产辅助用房，车间建筑面积约16 000m2。车间区域划分如图2 所示。

图2 装配车间内部功能区划及物流图

2）物流方案

车间物流通过智能物流管理系统实现少人化管理。

车间物料有大型结构件、外协外购配套件，其中，结构件如车架、护顶架、门架由结构件缓存区通过空中输送线直送至相应的分装工位；外购大件由配套件库通过AGV 按装配工位2h 需求量分批次配送至装配工位；小件配送：一种是采取智能缺料报警，AGV 补料；另一种是在配套库按产品型号进行零件的单套配选，由AGV 将单套配小车配送至所需工位。

车间内物流走向根据产品装配工艺流程而定。物流走向如图2 所示。

4 主要设计亮点——新技术应用

4.1 模块化装配技术

模块化装配技术【3】使得企业以批量生产的成本和效率来满足大规模定制成为可能。本项目产品标准化先行，比如，将叉车结构件类型由原来的十几种缩小为几种，这些标准化的基本单元不仅实现了多种产品共线生产，也有利于进行模块化的工艺组织，使各装配工艺模块能够实现并行作业，大大缩短了产品的装配周期。模块化装配是装配技术发展的必然趋势，必将会随着企业标准化程度的提高得到越来越广泛的应用。

4.2 人机工程

在生产过程中，人机工程的运用直接影响生产效率的提高。本项目首先对装配各环节依据人机工程标准，从操作姿势、操作空间、物料搬运、工装设计、作业设置等多方面进行人机工程系统评估，并采取相应措施进行改善，形成了人员、设备和环境三者之间良好的人机环境系统。在叉车总装线设计中，设计人员对原定方案的操作高度进行分析，在总装工时200min 内，超出合理操作高度800～1 200mm 以外的装配作业工时占到总工时的40%以上，通过人机工程系统分析，优化了总装线设计参数，使不方便的装配作业降低至10%以下，有效改善了人员操作的舒适性。

4.3 伺服传感平衡技术

为了更好地实现机器设备与人的协调配合，以及提高机器的工作精度，众多先进、成熟的技术被逐步引入到生产线常规工艺设备中。本项目采用了带有伺服传感平衡技术的新型智能物料搬运提升设备，即KBK 轻型柔性起重机，其悬浮特性及较高的定位精度使作业人员能够轻松、高质量完成物料的吊装、搬运等。

4.4 空中悬挂输送技术

物料的空中存储是有效利用车间面积的理想方式。本项目通过对多种储运方案的综合分析，对结构件的输送采用了空中积放式摩擦输送系统方案，实现物料按柔性节拍、以最优路径在输送线路上不同标高间的转换、积放、输送、储存。

4.5 装配智能拧紧技术

据相关行业统计，60%～70%的装配操作是紧固件，每个螺栓有着严格的力矩和旋转角度要求，这些大量的信息靠传统的人工收集统计不但困难而且容易出错。随着射频识别技术、可编程控制器、数据库等新技术的逐步应用，螺栓拧紧系统功能逐渐智能化，这就大大降低了出错风险。本项目在设计过程中详细分析了产品各部件的连接要求，对重要部位采用了智能拧紧设备，系统根据车型订单配置生成相应的拧紧任务并下发到拧紧终端，同时采集拧紧终端生产过程中的结果数据，并保存至数据库服务器中，实现了拧紧过程的质量监控、拧紧数据的保存，保证了产品质量可追溯。

4.6 智能油液加注技术

随着大规模定制化产品以及对质量要求的提高，智能油液加注技术开始应用在企业智能化升级改造中。本项目叉车总装线需要加注的油品型号较多，如果采用传统的人工加注方式，经常出现错加、漏加、加注量不标准、油液泄露等现象。方案采用了智能油液加注系统，可自动完成对所有加注设备的指令发布、执行、数据采集、分析、存储、统计，实现智能加注。

此外，装配车间除以上新技术应用外，降噪技术、自动压装技术、防差错技术等均在不同的作业环节得到应用。

5 结语

本文全面介绍了年产40 000 台叉车装配车间的工艺设计及新技术应用。综观整个设计过程，还存在工艺装备方案的比选过程中由于采购成本高昂或性能还不够稳定而不得不放弃的遗憾，也存在企业信息化建设滞后而不能充分发挥智能装备功效等不足，但设计中充分考虑了工艺的可拓展性，为后续的持续优化留出了足够的发展空间。本项目搭建了一个工艺先进的装配车间基础平台，随着企业信息化的逐步实施，它必将成为叉车行业众多新技术落地，并推动智能化工艺生产系统有效运行的示范工程。