柔性制造系统在工程机械产品制造中的应用_李德明

次焊合 → 二次组对 → 二次焊合 → 机器人焊接 → 焊补打 压， 经过研究， 采取整体方案呈 C 形布置， 物流顺畅， 跨路 转运少， 并采用半跨手拉行车， 减少大行车 、 叉车等使用 冲突概率， 提高搬运效率； 一次组对位置调整至靠近厂房 入口处，方便投料，并通过公司实测工时进行操业度分 析， 测算人员设备负荷率， 并对工位数量 、 操作人员数量 进行固化和动态管理。 该工艺布局生产模式的高效 、 灵活性主要表现在设 备自动化和工装柔性化两个方面，组合夹具是工装柔性 化的重点。 该系统主要由柔性组合工装系统、 工业机器人 作业单元等先进设备组成， 具体详述如下。
图4 机器人本体
提出了更高的技术要求，为确保每条焊缝均可以采取最 舒适的船型焊接，我公司开发出龙门架 L 型变位机双机 器人焊接作业单元， 见图 6。其先进性主要表现在如下几 个方面。 焊接机器人本体：目前应用的机器人本体一般有 6 个可编程运动轴，各轴由配绝对编码器的交流伺服电机
控制柜配有计算机控制系统软件， 它的作用一是通 过伺服放大器来控制机器人本体上的伺服电机，从而实 现机械手的协调运动； 二是实现起始点寻位、 电弧跟踪等 功能。变位机的作用是安装固定工件并对工件进行精确 定位，在焊接过程中能够旋转工件使焊缝达到理想焊接 姿态， 并且能和机械手实现联动。 现在常用变位机的形式 主要有 L 型变位机和头尾架变位机。焊接设备主要有焊 焊枪、 送丝装置、 水冷装置及清枪剪丝装置。 接电源、 考虑到： 1 ）构件一般都是由中厚钢板拼接而成的结 构件， 工件在组对时难免会存在误差， 焊缝的位置和宽窄 2 ）在焊接过程中， 先焊合的焊缝产生的变形 一致性不高； 会作用在工件上， 导致后焊合的焊缝偏离组对时的位置 。 为了保证焊接质量，要求机器人能够在焊接时自动找正 焊缝的起始位置和正确的方向，焊接中厚板的机器人系 统都会带有焊接起始点寻位、焊缝跟踪和坡口宽跟踪等 焊接功能。 2.2.2 后桥机器人作业单元 常规推土机后桥箱为一个储油的密封式腔体， 内
1. 控制器 2. 变位机 3. 机器人 4. 龙门架 5. 工件 图 6 龙门架焊接机器人系统
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驱动带动每节臂绕轴旋转， 具有 6 个自由度， 能够实现复 杂的动作， 在第 6 轴的腕部装有焊枪加持装置， 安装焊枪 后可实现不同焊接姿态要求。各轴设有独立的抱闸释放 开关；考虑到第 6 轴和焊枪的连接在频繁调整中有可能 可实现使 与工件干涉， 设有防撞开关。在运动范围方面， 用一个机器人本体完成所有焊缝焊接。 焊接系统： 采取带封闭循环冷却系统的国际知名品 100%负载持续率；采取 4 轮驱 牌全数字逆变 CO 2 焊机， 动送丝机， 适用 Φ1.2， Φ1.4， Φ1.6 实芯焊丝， 送丝为无级 调速， 满足可以长时间重载持续施焊需要。 控制系统： 采用先进的可视化工作界面， 运行稳定， 。机器 通过程序控制系统内各轴 （包括本体和各外部轴） 人本体、 移动装置及变位机具有协调联动功能， 可实现比 较复杂的运动， 达到焊接姿态最佳的目的， 其控制原理如 图 7 所示。 PLC 与机器人之间采用 Profibus- DP 通信方式 机器人与弧焊 进行信号交换， 实现 PLC 对机器人的控制； 机控制器之间采用 Devicenet 通信方式进行数据交换， 实 现了机器人对弧焊机的控制及弧焊机参数的设置 。当操 PLC 程序自动通过电 作人员按下工件装夹完成按钮后， 磁阀和传感器对伺服电机进行控制使变位机旋转到工件 最佳施焊位置， 随后依据选择的工件类型， 向机器人控制 器发送程序选择和工件到位信号，机器人依据信号对工 件进行焊接， 焊接完毕后， 机器人回到原点。
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柔性制造系统 （F MS）
柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运
系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变 换的自动化机械制造系统 （Flexible Manufacturing System， FMS ） ， 其工艺基础主要是成组技术， 即根据生产计划在 一定的范围内能灵活调整生产组织流程并实现多品种 、 小批量零部件或产品的高效生产，以此来实时动态调整 改变产品类型系列， 满足市场需求。 目前柔性制造系统主要由生产控制信息系统、柔性 生产作业系统和物流储运系统三大部分构成 。生产控制 信息系统主要包含产销存管理平台 、 研发 PLM 系统及 PDM/ CAPP 工艺研发系统； 柔性生产作业系统主要由焊 加工生产线、 热处理生产线及装配生产线等多 接生产线、
外部焊缝多， 对焊缝的要求较高， 结构非常复杂 （见图 5 ） ， 由左右内壳体， 后面板 、 上面板 、 前壳体 、 底面板和隔 板构成 。
1. 小腿合件 5. 后面板
2. 上面板
3. 内壳体 （右） 4. 底面板
6. 隔板合件 7. 内壳体 （左 ） 8. 前壳体 图 5 后桥箱结构示意
焊缝的形式多样， 给机器人和变位机的配合 、 施焊
柔性组合工装构成及精度要求 序号 设备构成 项目说明 平面度 通用定位平尺 3 通用定位角尺 定位连接方箱 V 形定位块 垂直度 （孔、 面 ） 孔位置精度 孔尺寸精度 表面粗糙度 强度、 表面硬度 4 5 调高器 角度器 强度、 表面硬度 角度范围 最大负荷 6 接地器 工作接触面积 50~70 mm2 技术参数 0.15/1 000 mm 0.15/1 001 mm 100±0.05 mm D10 级 Ra3.2 ＞400 N/mm， 170~230 HB ＞400 N/mm， ＞30 HRC 0~225 ° 500 A
精度要求。 大平台采用多张 3 m×1.5 m 钢板拼接而成， 平 台展开长度达 15 m， 其平面度保证在 1 mm 以内， 完全可 以满足大型结构件的尺寸和精度要求。主工作面上设有 100 mm 刻线， 方便支撑角铁、 U 形及 L 形方箱， 其定位孔 各部件装卸方便， 维护简 和定位槽可以和平台配合使用。 便， 尺寸调整便捷、 灵活， 通用性高， 满足各机型的组对要 配合定位平尺、 定位角尺、 快速锁紧销、 夹紧装置以及 求。 调高器等可以对组对各物料进行精确快捷的定位，取代 了传统的划线组对， 生产效率大大提升， 并减少了人员劳 动强度。 2.1.2 适用案例 2011 年山推生产的国内最大推土机 SD90- 5 （900 马 台车等 力） 开天神推首台样机， 其中大型结构件后桥箱 、 关键零部件就是采用此柔性组合工装进行组对焊接的， 既保证了部件质量和组对效率，又避免了产品未定型前 的巨额工艺装备投入， 同时大大缩短了产品试制的周期。 2.2 焊接作业单元 焊接属生产制造中的特种工序， 在焊接的过程中对 机、 料、 法、 环、 测等因素的要求极高， 是工程机械企业 人、 生产工艺的瓶颈工序。 10 年前， 山推公司开始在结构件焊 接中引入工业机器人作业单元 （该系统具有柔性化程度
高， 焊接质量稳定， 生产效率高等诸多优点） ， 并陆续进行 了普及推广和持续的更新换代，致使山推的产品焊接制 造工艺水平一直处于行业领先地位。 2.2.1 双工位机器人作业单元 直、 平行焊缝， 技术人员在 针对台车机架方盒类长、 原有自制半自动化双丝焊设备的基础上，联合机器人厂 论证， 最终确定了当时行业内首创的双 家经过多方研讨、 工位焊接机器人工作站方案， 如图 3 所示 。通过应用， 在 不断提升公司新产品试制速度， 改善山推产品质量， 提高 生产效率， 减轻工人劳动强度等方面呈现出显著意义， 目
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前仍为制造行业最先进的自动化焊接作业单元之一。 双工位焊接机器人， 是采用两个工位 、 两个焊接机 焊接机器人是 器手同时工作的设备， 是并行工程的产物。 由机械手 、 控制柜 、 变位机 、 焊接设备及弧焊软件等组成 的焊接生产单元。 机械手是完成焊接动作的主体， 一般指 6 轴机器人本体， 见图 4， 它是由伺服电机带动手臂上各 轴旋转实现各种动作。
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柔性制造系统在工程机械产品 制造中的应用
李德明 ，孙世超 ，王彩凤 山推工程机械股份有限公司
摘
要 ｜ 介绍目前工程机械产品零部件中大型构件的生产组织方式和工艺流程现状 。 分析传统生产组织中的不足 ， 引入新型
的生产方式 — —— 柔性制造系统 （ Ｆ Ｍ Ｓ ） ， 并阐述该系统的先 进 性 。 以结 构 件 焊接 的 柔 性制 造 为 例 ， 介 绍 柔 性制 造 系 统在 山 推 产 品制造中的应用 。 关键词 ： 工程机械 ； 结构件 ； 柔性制造 ； 焊接
作者简介： 李德明 （1983— ） ， 男， 工程师， 学士， 研究方向： 工程机械制造技术。
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条样板线构成；物流储运系统主要由物料管理 ER P 系 统、 营销 SIMSS 管理系统及物流运输定位 GPS 管理系统 组成。 由于柔性制造系统采用分级管理， 其特点充分体现 在每个作业系统上， 现以焊接柔性作业系统为例， 介绍柔 性制造系统在山推公司生产制造中的应用。
技术参数 0.15/1 000 mm
垂直度 （孔、 面 ） 0.15/1 000 mm 孔位置精度 1 三维铸件 平台 孔尺寸精度 表面粗糙度 承重质量 强度、 表面硬度 结构形式 尺寸精度 2 定位连接销 锁紧力 强度、 表面硬度 100±0.05 mm D10 级 Ra3.2 ≥5 000 kg/ 个 ＞400 N/mm， 170~230 HB 五钢球定位 h7 级 ＞30 kN ＞400 N/mm， ＞30 HRC
图2 柔性组合工装
光等工序， 下方安装 2 条平行的导轨和 1 条支撑轨， 保证 导轨上安装的多个平台平面度达到 0.15/ 1 000 mm， 孔位 置精度达到 0.1/ 1 000 mm，平台变换位置后仍能达到此
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