船用T型材自动焊接生产线的设计与应用

汪彦钧

(中船第九设计研究院工程有限公司， 上海 200063)

0 引 言

船用T型材构件在船舶建造中起着关键作用，其用量可达整体用钢量的20%左右，其生产效率和质量直接影响到船体建造的速度和水平。为能大批量、优质高效、绿色环保地生产T型材构件，需配置专用的焊接生产线。然而，目前T型材焊接生产线配置到位的船厂并不多，有些船厂即使有相关配置，也存在自动化程度不足、生产线无法与车间制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)联通等问题，仍处在机械化和半自动化水平，制约了企业效率提升和产业链资源整合。推动T型材自动化焊接生产线的应用，对于船舶工业实现精益生产和管理，向智能制造转型升级而言具有重要意义。本文以某大型船企建造的T型材自动焊接生产线为例，简要介绍其设计和应用情况，供相关人员参考。

1 项目概述

该T型材自动生产线生产的产品的技术规格为：面板宽度90～400 mm,厚度10～38 mm，腹板高度180～800 mm,厚度7～25 mm;T型材长度3 000～20 000 mm，材质为船用A级、B级、D级钢及AH32、AH36、DH32和DH36。船用T型材典型产品见图1。

图1 船用T型材典型产品

以上规格的T型材涵盖绝大多数船型修造需求，既能满足船厂自身船舶产品配套的需求，又可为其他船厂提供外协服务，生产线使用率较高，可有效提高企业的整体生产效率和经济效益。

2 工艺设计

设计以围绕现有设施进行规划、工艺流程简捷顺畅、运输路线短和整体布局紧凑为原则。考虑作业条件、上下道工序衔接和施工节拍，发挥机械效能，减少劳动负荷，提高生产自动化程度。

2.1 生产工序与过程

生产工艺流程为：将切割好的面板和腹板分别放在托盘内，运至上料区→平吊至输送辊道和腹板托架上→面板对中和腹板翻转90°预装配→端部对正装配、定位点焊和面板倒棱→横移储存→吊运至焊接平台对正夹紧→门式焊接机焊接T型材→焊后检修→吊运至矫直机矫正→吊至整理区装托盘→重复以上过程，循环生产。

该生产线布置在车间168.0 m×14.5 m区域内，其总布置图见图2，建设完成之后的整体概貌见图3。

注：1为定位焊输送辊道； 2为面板定位装置； 3为腹板定位装置； 4为组立倒棱一体机；5为横移出料装置； 6为焊接平台夹紧装置； 7为焊接平台翻起机构； 8为14电极自动门式焊接机； 9为立式矫正机图2 T型材自动焊接生产线总布置图

图3 T型材自动焊接生产线概貌

2.2 生产节拍与产能

该自动生产线采用工位制节拍化生产模式，以工位为作业组织单元，按节拍化均衡生产的方式，以流水式作业组织生产，达到提高效率、提升品质、稳定和有序生产的效果，适应当前精益生产模式的发展形势。

按生产纲领和物量分解，工厂年T型材消耗量为3 000 t(30 000根)，两班制，年工作日为250 d，日型材消耗量为120根。生产线节拍和产能计算结果见表1。每天工作2班的日型材生产量为140根，满足日型材消耗量120根的要求。

表1 生产线节拍和产能计算结果

3 各工位组成及技术参数

该T型材自动生产线包括面板上料、腹板上料、T型材装配和面板倒棱、T型材装配后的横移储存、T型材焊接和T型材矫正等6种工位。

3.1 面板上料

面板上料2个工位分别完成2组面板的对正和输送。每个工位各有20 m输送辊道1套、面板定位装置5套。面板进入辊道之后，按定位装置预先设定好的导向对中轮进行定位，气缸夹紧自动对中。面板上料工位定位装置见图4。

图4 面板上料工位定位装置

3.2 腹板上料

腹板上料2个工位分别完成2组腹板的储存、90°翻转和T型材的预拼装。在同一工位中，一侧为旋转系统，另一侧为托料架和翻转系统。当面板上料定位好之后，旋转系统臂自动旋进90°(见图5a)，翻转系统臂翻转90°(见图5b)，通过电磁铁吸附，将吊放在托料架上的腹板翻起，自动竖立并对中落在面板上，完成T型材预拼装，同时双侧的臂对腹板起到定位扶持的作用。图5c为腹板定位装置设备实物。

图5 腹板上料工位定位装置

3.3 T型材装配和面板倒棱

装配和面板倒棱2个工位分别完成2组T型材的精确装配、定位点焊和面板倒棱。每个工位各有1套组立倒棱一体机(见图6)，装配速度为500～6 000 mm/min，倒棱圆弧

R

≥3 mm。

图6 T型材装配倒棱设备

组立机是一种在大批量生产中对形状比较简单而规则的产品或部件进行机械化组装的专机，整个组装和定位焊过程由可编程序控制器全自动程序控制，定位焊缝长度、焊接速度、间隔距离和两焊缝之间的空程移动速度可预先设定，定位焊过程可自动完成。

组立机输入辊道配有多组定位机构，对面板和腹板再次粗定位校准，在组立机内部，上端有4组腹板定位装置，下部有4组面板定位装置，一侧机械联动精确定位，另一侧液压迫近，根据腹板和面板的宽度自动调整对中，上托辊与输入辊同平面，下压辊将腹板下压紧贴在面板上，确保组立的精度。

定位点焊采用1套OTC CPVE500(S-2) 数字式气体保护焊焊接电源，点焊装置端部导向轮在弹簧的作用下始终跟随焊缝，保证焊丝一直对着焊缝进行点焊。焊枪由气缸伸缩带动进入焊接位置，2把焊枪同时起弧，自动进行点焊。

面板倒棱机用于进行毛边修理和锐边倒钝，其2对主压辊构成一个与面板尺寸相匹配的型腔，通过液压缸使每对主压辊保持一定的相对压力。当面板在输送辊和主压辊输送下按一定速度通过型腔时，由于型腔的4个角有小圆角过渡，面板4个角受挤压力影响也会出现锐角变钝、毛刺脱落，达到倒棱成R型的效果。

组立定位点焊速度与倒棱修边的速度相匹配，进行联动控制。

3.4 T型材装配后的横移储存

横移储存2个工位完成T型材的缓冲储存和工序转移。每个工位包括20 m输出辊道和横移出料装置各1套。横移出料装置为6组采用大排链传送的平行移料机，一端通过铰轴连接，另一端通过油缸顶升，当组立装配好，倒过棱的T型材需要横移时，平行移料机升起110 mm，将工件送出辊道并储存，每工位缓冲储存量不少于7根。

3.5 T型材焊接

T型材焊接3个工位，包含1套焊接平台和1套14电极门式自动焊接机，用于完成T型材的双边焊接。焊接平台长66 m，在长度方向上可同时放置3根长工件，在横向上可放置7根工件，一次性可放置21根最大工件。

若不加约束，在自由状态下焊接T型材角焊缝，会因焊缝与梁断面重心线不重合、焊缝纵向收缩等引发弯曲变形，型材上拱，此时为控制变形，需设置夹紧装置。该夹紧装置为横向布置的7组液压夹紧机构(见图7)，平台纵向间隔3.0 m/2.5 m/3.5 m，共布置21组夹紧装置，对T型材进行自动夹紧定位，固定在焊接平台上。另外，在焊接平台上内藏6组翻转机构，焊接完毕之后翻起，防止焊后T型材松开夹紧装置时翻倒。

图7 焊接平台夹紧与防倒装置

门式焊接机是一种焊机变位机械，主要功能是实现焊接机头的水平移动和垂直升降，使其达到施焊部位，在大型焊件焊接或无法实现焊件移动的自动化焊接场合使用。本线配置14电极门式自动焊接机(见图8)，由导轨底座、龙门台架、焊接系统、除尘系统和电控系统等组成，沿工件长度方向运动，完成型材纵向水平角焊的焊接。

图8 14电极门式自动焊接机

焊接方法为双面单弧单丝CO气体保护焊，将14台OTC产CPVE630G数字焊机放置在行走龙门架第一层平台上，将焊丝桶及送丝机构、除尘系统放置在第二层平台上，通过送丝软管与焊枪连接，可同时焊接7根T型材，单道焊脚高度为4.5～8.0 mm，焊接速度为100～2 000 mm/min。焊枪上方装置集烟管道，对焊接烟尘进行收集之后，集中除尘净化。

由于T型材结构形式已确定且焊缝较长，焊枪位姿的选择只需保证焊缝成形即可，调试时确定合适的位姿即可将其作为不变量保留在程序中。自动焊接机工作时，输入型材数量和规格，焊枪自动移动到相应水平位置并调整到焊接高度，如因型材尺寸偏差，可通过手动微调机构进行对正。

焊缝跟踪采用接触式伺服跟踪器(见图9)，其跟踪头的指针(叉状)浮贴靠在T型材腹板和面板两侧，对焊缝位置变化进行实时跟踪，将其左右/上下的位置偏差数据(灵敏度±0.2 mm)传递给跟踪头内的传感器，通过控制器驱动伺服移动体，实时调整焊枪上下和左右位置；跟踪器还具备自动寻位功能，在自动模式下焊枪会自动寻找焊接起始位置，启动按钮直接焊接，过程中无需人工干预。控制系统可储存焊接工艺参数，可根据不同工艺参数随时调用。

图9 接触式伺服跟踪器

3.6 T型材矫正

T型材矫正工位完成T型材的面板角变形、上拱和旁弯矫正。矫正机设备由厂方提供，无需另行设计，此处不作赘述。

4 管理系统平台

生产线集控中心设有管理系统平台，为整条生产线提供信息化管理方面的数据，为船厂智能制造提供数字化基础，其功能包括：

1) 经由现场地面操作站的工控电脑，以以太网方式，通过传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)/网际协议(Internet Protocol，IP)通讯，采集现场设备可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的实时数据并将其上传至平台，监控生产线上各工位设备的状态；

2) 接收由上级企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP)或MES下发的、或集控室现场输入的生产计划工单之后，基于设定的工厂工艺模型对生产工单进行解算，进行生产作业管理和生产节拍协调；

3) 对生产线上的产品进行追溯。整条T型材装焊生产线在其产线入口和出口处，以及线上部分需人工操作行车吊运工件的地方，通过手持扫码枪扫描二维码/条形码的方式获取物料信息，或扫描存在故障时人工录入，并与管理系统平台进行实时通信，与生产作业计划进行对比，确保生产物料规格在整个生产过程中准确无误，完成物料从上线到下线的生产跟踪管控和质量安全保障。

4) 进行设备台账管理，并对生产线各类数据进行统计分析，生成设备使用效率清单，并根据设备使用情况推荐维护保养计划。

5) 进行生产数据统计，提供消耗原料、能耗、良品废品、设备损耗、人员配置和生产线效率数据等方面的曲线或表格，并将数据转化为各种数据格式，提供给其他生产管理系统。

生产线管理系统平台与外部网络及现场设备系统的关系见图10。生产线管理系统平台采用对生产线上工位群信息进行集中管理的工作模式，布置在集中控制大屏显示区(见图11)。前期为保证工厂正常安全生产，仅用于生产线物流系统、各工位工作状态的监视和报警中，同时可下达停机指令，实现各工位设备出现故障时的急停。后期随着生产线的成熟使用和整体管理水平的提升，也可扩充远程操作等功能。

图10 生产线管理系统平台与外部网络 及现场设备系统的关系

图11 生产线管理系统平台显示屏

5 结 语

本文所述T型材自动焊接生产线已在船厂正式投产使用，相比建设前采用的半自动化生产，T型材平均约5万m/月，日均完工1 800 m的产能，采用该生产线后物量得到明显提升，已达到6万m/月，日均完工2 400 m，同时产品的性能达标，满足船舶与海工行业产品验收要求，具有很强的实用性，能取得良好的社会和经济效益。

该项目实现了生产线的自动化和数字化，相关技术在国内处于领先水平，但受制于周边配套设施和投资规模，离更高要求的智能化仍有很大距离。例如零件上料和组立装配之后缓存工件移至焊接平台，都需人工吊运，转换生产不同规格尺寸工件时需重新手动调整定位对中装置和倒棱压辊等设备，对工人的专业化程度要求很高。建议从以下几个方面加强：

1) 提高材料预处理与备料工序的自动化和数字化程度；

2) 采用先进的起重输送机械，并在工位区间配置专用的区域性起重运输设备和传送带，组成立体运输网络；

3) 更大程度地利用各种具备人工智能的高级传感器，借助计算机软件系统、数据库和专家系统，使设备具有识别、判断、实时检测、运算、自动编程、参数优化和记忆调用等功能，简化或部分取代操作人员工作；

4) 在必要工位设置焊接机器人工作站，提高生产线的柔性。