船体T型材智能装焊系统开发

李肖艳， 朱 苏， 蔡 良， 刘 鹏

(1.上海船舶工艺研究所，上海 200032；2.上海中船临港船舶装备有限公司，上海 201306)

0 引 言

在船舶建造过程中，生产效率及质量水平落后是急需解决的问题。相比其他领域，船舶建造在精益生产、智能制造、数字化/自动化/集成化方面仍有很多短板需要补齐[1]。《中国制造2025》对我国制造业转型升级和跨越发展作出整体部署[2]。船舶制造设备作为提高船舶建造效率和质量可靠性的保障措施，其重要性不言而喻，需要大量智能设备代替人工作业，提升造船业的制造水平。

T型材作为一种组合型材，由于其腹板和面板的组合灵活多变，在理论上可提供任意大小的剖面模数，因此是在船舶建造中大量使用的材料。在船舶建造期间，T型材必须按照施工图纸要求安装在指定位置，但T型材一般尺寸较长、搬运不便，对T型材进行安装定位比较困难。在传统船舶建造中，主要有2种技术：一种是完全通过人工进行T型材的安装定位，通常需要6名工人协作才能实现；另一种是在钢板上焊接门型装配工装，借助门型工装提供外力将型材与钢板压紧贴合，但该技术每使用1次必须进行1次工装焊接，并需要割除留根和打磨，装配通常至少需要2人配合完成。这2种技术施工方式落后、施工工序繁杂、劳动强度高、工作效率低、安装精度低且存在一定的安全隐患等问题[3]。有鉴于此，急需解决T型材需要人工作业进行安装定位和焊接的问题，研究用智能化、自动化的安装装备代替人工。

1 T型材智能装焊系统构成

T型材智能装焊系统包含龙门架结构及设置于龙门架结构上的2个T型材安装机构。龙门架结构采用双梁全门架形式，半龙门架包含设置于两端的行走端梁、立柱、主梁及设置于主梁侧面的托架、行走驱动装置、行走车轮等部件，采用减速电机双边驱动行走。在门架梁的顶部配置T型材提升旋转小车导轨，下侧安装2根电动葫芦梁。在托架上设置电缆槽，行走端梁底部各设置2个轮箱，通过电机驱动轮箱，半龙门架结构可在轨道上行走。每个龙门架结构配置T型材提升装置、压紧装置、焊接设备和工具等。通过半龙门架结构移动、行走小车移动和中柱压紧机构、旋转机构及电磁提升机构的运动配合，可实现对T型材的自动抓取、定位、安装、压紧及对所安装钢板的吸附。T型材智能装焊系统三维效果图如图1所示。

图1 T型材智能装焊系统三维效果图

2 T型材智能装焊系统关键部件功能

2.1 T型材安装机构

T型材安装机构分别设置2套构造及功能完全相同的装配机构，负责T型材和嵌入件的提取和装配，并定位焊接，主要包含行走车体、旋转机构、电动葫芦、电磁提升机构等，并配置2台提升旋转小车，方便抓取放置在生产线内的T型材，如图2所示。整个T型材安装过程全程自动化，可一次完成抓取、吊运、定位、安装工序的流水作业，有效提高定位及装配效率，大幅降低工人的劳动强度，提高生产效率，并有效消除T型材与所安装钢板的间隙，提高T型材安装精度。

图2 T型材安装机构示例

旋转机构包含回转支承及用于驱动回转支承的液压电机。回转支撑外圈与外方管结构连接，内圈与旋转臂连接；外圈设置外齿圈，液压电机驱动与外齿圈啮合的小齿轮。

电动葫芦通过行走小车进行运动控制，在机构上端设置4个轮箱，并安装驱动电机，通过电机驱动轮箱带动行走小车在龙门架轨道上行走，进而带动T型材的运动。每根梁配置2台移动式起重能力大于250 kg的电动葫芦，可避让纵骨及大孔，采用有线遥控的控制方式，配备吊篮用于吊运气动工具和送丝机等焊接工具，工具含交流36 V/220 V电源插座。

电磁提升机构包含电永磁铁、链条、动滑轮、定滑轮、液压油缸及链条固定装置，共设置2套。定滑轮及液压油缸缸体均设置于外方管结构外壁，液压油缸活塞杆连接动滑轮。电永磁铁通过链条进行吊放，链条一端连接电永磁铁，另一端在绕动滑轮及定滑轮各2周后固定于外方管结构外壁。电磁提升机构抓取T型材最大提升高度达3 m，最大抓取重量达3 t，旋转角度达±180°。

2.2 中柱压紧机构

中柱压紧机构包含外方管结构、内方管结构、压头及圆柱形保护罩，外方管结构与内方管结构之间可相对滑动，在内方管结构中设置液压油缸，液压油缸末端连接压头，液压油缸驱动内外方管结构运动，完成压紧动作。

2.3 CO2气体保护焊机

龙门架结构双梁配置4套数字逆变CO2气体保护焊机，用于T型材与底板的焊接。CO2气体保护焊机焊接效率高，自动补偿弧长，电弧较为稳定，具有电弧飞溅小、穿透力强、熔池深、成形美观等特点，特别适用于薄板焊接。

2.4 焊烟除尘系统

配置焊烟除尘系统以确保焊接烟尘可被充分排除，除尘要求满足国家的相关标准要求。

3 T型材智能装焊系统工艺流程

T型材智能装焊系统通过自动化、智能化的方式，完成T型材安装定位和焊接，其工艺设计可满足最大长度为16 m、最大高度为1 m的T型材工件自动化装焊需求。该系统设备配置无线遥控方式和线控方式，线控作为遥控的备用控制，并设置磁力保护和紧停开关。T型材智能装焊系统工艺流程如图3所示。

图3 T型材智能装焊系统工艺流程

在龙门架结构取料操作中，以T型材长度6 m为关键参数，≤6 m和>6 m的T型材其装配方式不同。

≤6 m的T型材装配方式如下：(1)操纵遥控器，控制龙门架结构上的2个电动葫芦将不等边或等边T型材垂直吊放至对应的划线位置，等待装配；(2)操作T型材压紧机构将T型材压紧，同时提升旋转小车上的2个电磁铁；(3)提升旋转小车旋转90°，然后放下2个电磁铁并吸附底板向上提拉，消除底板与T型材的间隙；(4)人工点焊；(5)抬起压紧液压缸，抬起旋转小车电磁铁，释放T型材。

>6 m的T型材装配方式如下：(1)通过龙门架结构上的2台提升旋转小车将生产线内的T型材吊放至安装位置；(2)对线调整，然后提升旋转小车释放磁头；(3)提升旋转小车旋转90°，然后放下2个电磁铁并吸附底板向上提拉，消除底板与T型材的间隙；(4)人工点焊。

4 结 语

船体T型材智能装焊系统通过机械配合的有效运行，消除T型材与所安装钢板的间隙，提高T型材安装精度，龙门架结构双梁配备数字逆变CO2气体保护焊机，实现T型材与底板的高质量焊接。该系统是一种有效提高船舶建造效率和质量可靠性的保障措施，可简化制造工序、省工省时，具有良好的经济效益和推广前景。