柔性制造系统在机器人作业单元中的应用

周天择

学号：1507210650

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（FMS),并阐述该系统的先进性并介绍其在推土机产品生产中的应用。

关键词：工程机械；柔性制造系统；结构件

随着全球经济一体化进程的加快以及中国加入WTO多年这一现实，我国的制造业企业不仅要承受国内市场的激烈竞争，而且还要面临国外同类产品的猛烈冲击。而现代制造业是国民经济的重要基础，如何提高制造企业生产效率的研究一直都受到广泛的重视。随着市场经济的不断深入发展，制造企业必须提高设计生产效率、加快产品上市时间和降低生产成本，才能适应市场竞争求得生存发展。 工程机械产品的质量和核心技术取决于各系统的匹配性和大型结构件的制造水平，所以关键大型结构件都有主机厂家自行制造。一般经过下料、成形、组加工、焊接、热处理、机械加工及涂装等十余个工序才能完成，生产流程复杂，需要投入大量工艺设备来保证制造精度。随着产品的更新换代越来越快，导致投入生产研发和工艺装备改造的成本增加，尤其是大型工装和专用设备，由于缺乏通用性、改造性，造成了大量浪费，必须采取措施避免这种不必要的浪费。

1 柔性制造作业系统

传统的大批量生产模式逐步被多品种、小批量生产模式所取代，因此需要不断地进行工艺和生产组织的创新，使生产组织具备较高的灵活性。近年来，柔性制造技术作为一种有效开发新产品的手段被引入到工程机械制造企业，并成为机械制造业未来的生产组织模式之一。

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，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，以此来实时调整改变产品类型系列，满足市场需求。

目前该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、物流储运系统和质量控制系统四大部分构成。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接生产线、加工生产线、热处理生产线及装配生产线等多条样板线构成；物流储运系统主要由物料管理ERP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，现以焊接机器人柔性作业系统在推土机生产制造中的应用。

现焊接生产线的工艺布局如下图：

图1 焊接柔性生产线工艺布局图

其中以推土机后桥的工艺流程为例，即：一次组对→一次焊合→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上，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、焊接工业机器人作业单元等先进设备组成，具体详述如下。

1.1 柔性组合工装

柔性组合工装主要由多维组合平台、定位装置、缩进装置、调整装置、测量

装置及匹配设施等几部分构成。三维平台材质为球墨铸铁QT500-7，进行整体热处理，消除内应力，并经过粗加工、精加工及打磨抛光等工序，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0.15/1000mm，孔位置精度达到0.1/1000mm，平台变换位置后仍能达到此精度要求。大平台采用多张3m×1.5m钢板拼接而成，平台展开长度达15m，其平面度保证在1mm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100mm刻线，方便支撑角铁、U形及L形方箱，其定位孔和定位槽可以和平台配合使用。各部件装卸方便，维护简便，尺寸调整便捷、灵活，通用性高，满足各机型的组对要求。配合定位平尺、定位角尺、快速锁紧销、夹紧装置以及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，并减少了人员的劳动强度。

2 焊接工业机器人作业单元

焊接属生产制造中的特种工序，在焊接的过程中对人、机、料、法、环、测等因素的要求极高，是工程机械企业生产工艺的瓶颈工序。针对台车机架方盒类长、直、平行焊缝，技术人员在原有自制半自动化双丝焊设备的基础上，联合及其人厂家经过多方研讨、论证，最终确定了双工位焊接机器人工作站方案。

双工位焊接机器人，是采用两个工位、两个焊接机器手同时工作的设备，是并行工程的产物。焊接机器人是由机械手、控制柜、变位机、焊接设备及孤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，借由伺服电机带动手臂上各轴旋转实现各种动作。

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。焊接设备主要由焊接电源、焊枪、送丝装置、水冷装置及清枪剪丝装置。

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与工件干涉，设有防撞开关。在运动范围方面，可实现使用一个机器人本体完成所有焊缝焊接。

3 质量控制系统

质量控制系统的主体功能包括系统管理、数据录入与监控、专家知识库、统计分析、基础数据、六个模块，同时系统还包括系统帮助模块。

设置系统的操作权限属于系统的安全机制的一部分，该模块可以由系统管理员来建立不同操作者，并给不同的操作者赋予不同的操作权限，当操作者登陆到系统时，只能执行本权限范围的操作。不同的员工进入到此模块中，根据自己的录入权限，针对一定的工序以及相应的数据类别，即可在系统中录入工程数据。界面会提供一个零件、工序、工步、尺寸树状图，以供员工选择。在统计过程控制中，数据统计的主要目的在于进行加工过程的控制，而控制方法的建议可以由系统中根据专家知识库获取，从而为生产实际提供有效的支持。专家知识库不但可以对生产过程出现的问题，进行查询，并给出相应的建议措施之外，还可以对各工序、工步、尺寸特性中可能出现的问题进行预防,给出各种预防措施。在统计分析中，为过程能力分析在确保测量系统能力充足,且质量变异来源清楚地情况下,质量改进工作的下一步就是分析工序过程本身的质量保证能力,即工序过程的变异相对于公差的满足程度。过程能力分析工具可以分析任意时间生产的过程 能力,计算出相应的技术指标,并根据过程能力的级别给出建议,同时还可以以报表的形式打印输出。在数据管理中，基础数据是一切其他应用的基础,几乎所有的业务都建立在基础数据之上,因此基础数据的良好结构是其它模块健壮运行的保证。在此模块中,主要是对部门,员工,设备,零件等基础数据进行管理。作为软件的重要组成部分,详细的帮助文档是不可缺少的。系统拥有较为详细的帮助文档,采用电子书的格式方便使用者阅读。

4 结论

随着市场形势的持续低迷和竞争不断加剧，针对临时急发车和改型定制车订单的增加，在焊接生产计划调整时，只需要调整柔性组合工装上的定位和夹具，就可以满足各机型系列不同结构件的生产组对需要，不必再重新投入新的工艺装备就可以实现批量产品的组对工序；由于变位机夹具的通用性和焊接程序的完备，更改焊接产品是只需要调出相应程序，焊接机器人就能实现柔性化焊接作业，具有可缩短产品改型换代周期，减少相应设备投资的优点，充分体现了焊接柔性化生产的优势，即提高了产品的生产效率和质量，减轻了工人劳动强度，实现了 柔性化管理，生产便于灵活控制，也给公司带来了切实的效益。

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