管子自动加工生产线及其在船舶管系制造中的应用

法 兰装 配 工 位法 兰 定 位焊 固定 采取 人 工 辅 助操 作 ，
图３ 一套定长切割和三套法兰装 配、法 兰焊 接
生 产线 运 行 不需 依 赖 人 工操 作 而 自动 执 行 ， 自动 化 程 度很 高 。
集成一体化管子自动加工生产线
（ ）基于信息网络的运行控制系统 管子 自动 ３
通 过对 多种 规 格 管 材 的焊 接 工艺 试 验 和 优 化 筛
选 ，建立管子法兰焊接参数数据库 ，包括 了焊接工
艺 、焊 接 层道 数 和 各 层道 焊 接 速 度等 相 关 参 数 。焊 接 时根 据 工 件 规 格 ，数 据 库 实 时 自动 提 供 优 化 的焊 接 参数 ，供 机 器人 实 施 完成 法 兰 直管 的焊 接 。 焊 接 机 器 人 对 被焊 工件 的 尺 寸 精 度 和 装 配精 度 及定 位 有 较 高 的要 求 。管 子加 工 中存 在 的长 度偏 差 （ １ ≤ ｍｍ）和 装 配 偏 差 （ １ ≤ ｍｍ） ，再 加 管 子 移
工任 务 。第 一 级 控制 是 工 控计 算 机 ，通 过 信 息 网络 接 收 前 道 工序 的 数据 ，包 括 ：工 件 规格 、加 工 工艺 信息 等 ；经过 计 算 和处 理 ，产 生 相 关控 制 信 息指 令 到下 级 控制 。第 二 级控 制 是可 编程 逻辑 控 制 器 ，在 信号 级 别 上 完成 定 位 、传 送 、切 割 、装 配和 焊接 等 过程 控 制 和 伺服 系 统执 行 控制 。将 控 制信 息 转换 成 相应 控 制 代码 ，协 同机 器人运 行 ，负 责 故障 监 控 、
一
生产 ，这些管子零件的规格和长度是随机 的，因此
不适 合 预 先进 行 离 线 套料 。
变 化 。得 出的信 号 偏 差 可计 算 出焊 枪 高 度偏 差 和
对 中偏差 ，根据获取偏差数据 自行调整焊枪位置 ，
解 决 了 由于 装 配偏 差 和 焊 接过 程 热 变 形导 致 的焊 缝 实 时 跟 踪 问 题 。对 于 多 层 焊接 ， 由于 底 层焊 接 后 角
此 可 以 对两 层 以 上 的焊 缝 偏 差 纠正 采 用 底 层偏 差 记 忆 重 现 方 法 。 底 层焊 接 时 ，在 管 子 圆 跟踪 焊 接 经 过 各 纠正 点 ， 由机 器人 记
动 行进 到符 合 直 管长 度的 位 置 ，法兰 管 由上料 臂接 力 送进 入 滚 轮 承 载 支架 位 置 。卡 盘式 夹 紧机 构 由升 降 伺服 电动 机 控 制根 据 焊 接 管径 规 格 上 升 到 圆 心位 置 ，卡 盘 紧法 兰 外缘 ，由伺 服 电动 机 带 动 卡盘 旋 转 旋转 。 配合 机 器 人实 施 焊 接 ，完成 法 兰 内 、外 角焊 接 。法 兰 是 车 削加 工 工 件 ，尺寸 精 度 较 高 ，定 心 夹 紧其 外 缘 旋 转 ，可 确 保 焊 缝是 以法 兰 内 圆作为 基 准
焊 缝 跟 踪 采 用 了摆 动式 电弧 跟 踪 系 统 。 管 法兰
分段的管子零件赋予同样的周期属性 （ 往往以分
段 代 码 表示 ） ，周 期 内具 体 生 产 顺序 、加 工 设备 的
安排指定由生产线运行控制系统根据生产实际情况
作 调 度 决 策 ，保 持 生 产 流程 的 通 畅 ，合 理 利 用各 种
录 臂端 实时 位 置坐 标 偏 差 值 ，底 层焊 接 完成 时 按 顺 序记 录 下～个 位 置 偏差 值 ，底 层 以后 焊 接 ，每 经过
纠正 点 时 控 制 系统 向机 器 人 发 出信 号 ，机 器人 将手
臂移 动 对 应 顺序 的位 置 偏 差 ，重 现 了底 层焊 接 时 高 度偏 差 和 对 中偏 差 的 纠 正 。 纠正 点越 密 ，偏 差 模拟 就越精确。
等的 ，需具备实时监测和生产负荷 白适应调节才能
保 持 生 产 线连 续 流畅 运 行 。 定长 切 割线 控 制 系统 设 计 了生 产 负荷 平 衡调 节 决 策功 能 模块 。在 分 理 传送 时 通 过 信 息 网络 检测 后 道加 工 的载 荷信 息 ，向 最轻
４ 结语 ．
管子 自动加工生产线是一条柔性化混合作业生
资源 。以此为 目标 ，生 产线集成运行控制具备如下
的功能。
（ ） 自动 套料 套 料 的 目的 是 最大 限 度地 利 用 １ 原料 管 ，使 割 断 后废 料 最 少 。 从市 场 采 购 的船 用 原 料 管通 常 是 不 定 长 。原 料 管子 在生 产 线 上将 被 切 割 成符 合需 要 长 度 的零 件 ，按 “ 管件 族 制造 法 ”组 织
通常船舶管系辅助生产设计 系统可以在离线状
态 下 确 定管 子 零 件 的某 些 加 工 属性 ，如 加 工 日期 、 套 料 排 列顺 序 、流 程分 配等 。但是 一 旦 预 先 假设 的 条 件 发生 改 变 ，如 原料 管 长 度 不符 、生 产调 度改 变 或 设 备 局部 维 护 检 修等 情 况 发 生 ，预 先 的 确定 无 法 执 行 ，将 会 引发生 产流 程 受 阻 。 柔性 化 混 合作 业 自 动 流 水 线 不 仅 仅 是 可 以 适 应 一 定 规 格 范 围 的产 品 加 工 ，更 重 要 的是 具 备 按 生 产计 划 在 线 自适 应 完 成 任 务 的分 配 ，物 流 的方 向选择 及信 息 的 同步 跟 随 ， 产能 平 衡 调 节 和加 工 记 录 及可 追 溯 等 特性 。这 样 上
船 舶 制造 ｓ 海 洋 Ｉ 程
Ｕ ｜ ｕｌｉｇ＆ Ｏ ｅ ｎＥ ｇｎ ｅｉｇ ｌ ｌ ｂ ｉ ｎ ｄ ｃａ ｎ ｉｅｒ ｎ
成 ，其 中一 套 安 装 于 固定 平 台 ，另 一套 安 装 在 移 动
轨 道 上 的尾 架 小 车 。加 工 时 尾 架 小 车 由伺 服 驱 动 自
行 焊 缝 位 置 的 自动 寻找 和 焊 缝 跟踪 。 机 器 人 焊接 采 用 了接 触 式 焊缝 起 始 位 置 检 测 传 感 系 统 ，采 取焊 丝 与 工件 三维 基 准 面 接触 的 方 式 获 取 当前 工件 实 际位 置 ，并 计 算 出焊 缝 与示 教 位 置 的 偏 差 数据 ，作为 自行 平移 调 整 参 数 ，以适 应 上 料 定 位 的 偏差 和 工 件尺 寸 偏 差 。
的同心 圆轨迹 ，不受管子圆度和挠 曲度影响。采用
夹 紧旋 转 方式 避 免 了摩 擦旋 转 方 式 下 管 子 出现 轴 向 移 动 和 滑 动现 象 ，可 精 确 控制 旋 转 角 度 ，满 足 收 弧
需 要 。这对 多层 焊 尤为 重 要 。
３ 柔性 化 自动加 工生产 线的集成运行 控制 ．
层生产计 划管理 系统 只要确定 一个阶 段任务 ，在
“ 、舾 、 涂 ”一 体 化 的现 代 造 船 模式 下 ，通 常 以 壳 分 段 加 工 周 期作 为 管 系 生产 任 务 阶 段 目标 ，即 对 同
一
动、上料过 程的定位偏差 （ ｒｍ），综合偏差难 约５ ａ
以满 足 上 述 机 器人 的位 置 重现 要 求 ，因 此 ，必须 进
实 时 自动 套料 技 术 可 有 效 解决 套料 难 题 。该 技 术 在 不 影 响流 水 线 加 工效 率 的 前 提 下对 原 料 管长 度
实 时测量 ，控制 系统在 待加 工管 件 中选择 周期属 性 、管径、壁厚属性相同的管子零件 ，按 照最短余
料 的 原 则 进行 套 料 组 合 ，实 时 进 入 定长 切 割加 工 。 由于 遵 守 周期 属 性 ，生 产计 划 的 要 求得 到 了满足 ，
织 、管理模式 ，在分道作业的区域内 （ 中径管加工
区 ） ，采用 集 成化 的组 合 生产 线 以 流水 作 业 方式 开
递交互 ，即接受来 自生产管理 系统的信息 ，实现集 中的生产组织和管理控制 ，同时各生产线组合间相
互 传 递 实 时加 工 数据 信 息 ，控 制 各 自物 料 工 件 的流
步在线运行 。为了适应 国产管材存在尺寸偏差大的
实 际工 况应 用 ，在 切割 下 料 、存 储 传 送 、上 下料 、
定位 、焊接 旋 转 变 位等 工 装 配 套环 节 开 展 系列 创新
研发 。能完成覆盖中径管范 围的几十种规格管子的
切割 下 料 以 及法 兰 直管 的 装 配 与焊 接 加 工 。除 了在
展管子切割加工和法兰直管焊接生产的 自动化生产
加 工 。对提 高 加 工 质量 和 效率 ，减 轻 工人 的 劳 动 强
而管子零件的生产顺序则 由套料结果实时确定。管
子 零 件 一 旦完 成 切割 进 入 后 序加 工 传送 ，其 被 赋予 的加 工 属性 信 息 将伴 随 物 流 逐个 传 送 后序 加 工 对应 的控 制 系 统 ，直 到 在 自动 加 工生 产 线 上 完成 全 部加 工 。 即每 个零 件 一 套 数据 贯 穿 整个 加 工 流程 ， 中间 过程 没 有 数据 输 入 。
保护和协调工作 。第三级机器人控制系统 ，根据工
艺 代码 自动 选择 相 应 的运 行 程 序 ，执 行焊 接 过 程 操
作 。 采取 多 级控 制 系 统 有利 于 发挥 每 一 级控 制 器 的
优 势 和特 点 ，既有 丰 富 的计 算 机 系统 平 台 资源 和 充 分 友 好 的界 面 ，又 有 精 准 、可 靠 的操 控 执 行能 力 ， 保 障 了 系统 的稳 定 和可 靠 。
焊接 属于 角焊 缝 ，在第 一 层 摆 动焊 接 时 ，摆 动 电极 在 两 个直 角边 之 间运 动 ，产 生 电弧 长 度 的 周 期性 变 化 。焊 接 机 器 人 配 置 电弧 传 感 器 ，根 据 气 保焊 电弧 自适 应 原 理 ，通过 采 集 焊 接 电 流信 号 可 以 反 映 出这