胡 健 ，吳 洋

(1.機械工業(yè)第三設計研究院綜合一所，重慶400039;2.利勃海爾機械服務(上海)有限公司產(chǎn)品管理部，上海200131)

制造柔性線(Flexible Manufacturing Line)由自動化加工設備、工件輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)是由單臺數(shù)控機床、加工中心、工件自動輸送及更換系統(tǒng)等組成［1］。工件輸送及更換系統(tǒng)，即物料轉(zhuǎn)運設備是用于工件工序間的物料轉(zhuǎn)運和加工設備上下料的輔助生產(chǎn)設備。該設備一般由專業(yè)廠家生產(chǎn)(如:Kuka、Gudel、Nachi、Fanuc等)，機械加工設備供應商根據(jù)客戶生產(chǎn)需要選用通用轉(zhuǎn)運設備，配合專用的夾持機構，集成于加工制造單元中。

FML/FMC通過配備物料轉(zhuǎn)運設備，將多臺自動化加工設備有效連接，保證各自動化加工設備的連續(xù)生產(chǎn)，從而實現(xiàn)高設備利用率、高生產(chǎn)效率、高物料周轉(zhuǎn)率。

汽車發(fā)動機缸體缸蓋、工程機械變速箱、液壓閥體為代表的箱體類零件FML/FMC(柔性生產(chǎn)線/柔性生產(chǎn)單元)采用多種形式物料轉(zhuǎn)運設備，分析上述設備的應用、布置形式、功能及經(jīng)濟性，對其在我國的應用前景具有重大意義。

1 發(fā)動機缸體、缸蓋FML中的物料轉(zhuǎn)運設備布置形式

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，我國2011年累計生產(chǎn)汽車1 826.47萬輛，銷售汽車1 806.19萬輛［2］。發(fā)動機作為汽車的心臟，研究其生產(chǎn)加工在我國汽車行業(yè)里意義重大。發(fā)動機缸體、缸蓋生產(chǎn)線由于生產(chǎn)綱領較大，產(chǎn)品附加值高，加工設備及輔助設備投資較高，在箱體零件加工制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。

目前，主要發(fā)動機制造廠商大量采用臥式加工中心組成的FML組織生產(chǎn)。汽車發(fā)動機缸體缸蓋柔性線制造商——HüLLER HILLER公司可提供3種FML形式，即:機動輥道、機動輥道與龍門機械手、機動輥道與關節(jié)機械手相結(jié)合。布置形式如圖1、圖2、圖3。

圖1 機動輥道轉(zhuǎn)運方式示意圖

圖2 機動輥道與龍門機械手轉(zhuǎn)運方式示意圖

圖3 機動輥道與關節(jié)機械手轉(zhuǎn)運方式示意圖

以年產(chǎn)15萬臺465汽油機缸體為例，加工過程中使用臥式加工28臺(分為兩條并行加工線)，行磨機1臺，清洗機兩臺。若采用機動輥道轉(zhuǎn)運，使用機動輥道約300 m;若采用龍門式機械手，需龍門機械手約6臺，機動輥道約100 m;若采用關節(jié)機械手，需關節(jié)臂機械手約5臺，機動輥道約100 m。按生產(chǎn)制度3班，251天計算，工件生產(chǎn)節(jié)拍約1.2 min。

若采用人工完成工件工序間的轉(zhuǎn)運和上下料，需要生產(chǎn)工人28人，工人勞動力成本按照5萬元/年計算，該生產(chǎn)線年需勞動力成本為140萬元。上述3種工件轉(zhuǎn)運方式及費用對比如下表1所示。

表1 發(fā)動機轉(zhuǎn)運方式及費用對比表

由表1可知，若采用機動輥道形式需要4.3年收回投資;采用機動輥道與龍門機械手轉(zhuǎn)運方式需要5.7年收回投資;采用機動輥道與龍門機械手轉(zhuǎn)運方式需要6.8年收回投資。

發(fā)動機制造商所使用的發(fā)動機FML，除工件進入生產(chǎn)線之外，完全實現(xiàn)加工過程的“無人化”操作。同時保證產(chǎn)品制造的一致性，將產(chǎn)品制造過程的制件比例降低至30%左右。

2 工程機械變速箱FMC中的物料轉(zhuǎn)運設備布置形式

2010年以來，裝載機行業(yè)主要企業(yè)銷量陡增，全年銷售量達到21.6萬多臺。裝載機變速箱是各裝載機主機廠的零部件分廠的重要箱體產(chǎn)品。相對于其他零部件，其加工工時長，內(nèi)容復雜，孔位精度要求高，其生產(chǎn)質(zhì)量直接決定了裝載機的傳動系統(tǒng)能否正常運行。

工程機械變速箱(以50型裝載機為例)為鑄件HT250，工件尺寸約為1 100 mm×510 mm×320 mm單位，重量約150 kg。單個工件加工時間約90 min，裝夾一個工件需要30 min。若采用工作臺尺寸800 mm×800 mm臥式加工中心(該設備引進價格在650萬元以上)，單臺加工設備可年產(chǎn)約2 300～2 500臺變速箱體(設備無交換工作臺，單件生產(chǎn)工時120 min)。若使用配交換工作臺的加工設備，交換工作臺時間約為3～5 min，每加工一個工件可節(jié)約機床占用時間約25 min;工件的裝夾時間與加工時間相重合，從而提高設備主機利用率。按年產(chǎn)1 0000臺計，3臺雙配交換工作臺的加工設備即可滿足產(chǎn)能要求。交換工作臺系統(tǒng)投資按120萬元計算，可減少工藝投資240萬元。該臥式加工中心的工作臺布置形式可參照StarragHeckert Technology GmbH生產(chǎn)的HEC 1000臥式加工中心制造單元，如圖4。

3 液壓閥塊FMC中的物料轉(zhuǎn)運設備布置形式

液壓元件是工程機械產(chǎn)品關鍵部件之一，長期以來，在高壓大流量液壓裝置方面，國內(nèi)零部件企業(yè)的產(chǎn)品還難以滿足主機企業(yè)的配套要求，這使得進口成為唯一的選擇，特別是在挖掘機產(chǎn)品上。由于液壓元件價格昂貴，以至于形成“吃掉工程機械行業(yè)70%利潤”的現(xiàn)實以及長期受制于人的被動局面［3］。因此，液壓閥體作為液壓控制系統(tǒng)的核心，其制造過程必然為各主機廠所重視。

由于液壓閥塊加工大部分為6面加工，其加工設備可選擇臥式加工中心或者配第四軸的立式加工中心，兩次或三次裝夾完成所有加工內(nèi)容。因此其FMC可采用兩種結(jié)構形式，一種是以自動化托盤堆棧為工件轉(zhuǎn)運手段形式，另一種以關節(jié)機械手為工件轉(zhuǎn)運手段形式。

3.1 自動化托盤堆棧

自動化托盤堆棧就是將標準托盤庫通過自動化堆垛機及自動化控制系統(tǒng)，將若干臺加工中心并聯(lián)起來的一種適用于大批量少品種產(chǎn)品生產(chǎn)的組織方式，工人僅負責工件在夾具上的裝卸和翻轉(zhuǎn)，堆垛機則接受來自自動化控制系統(tǒng)分配的加工指令，完成工件的進出加工設備和托盤庫。自動化托盤堆?？蛇B接1臺單機也可多機并聯(lián)，但一套堆棧并聯(lián)的加工中心的不超過11臺。堆棧托盤庫使用存放有大量標準托盤及夾具，因此，其一次性投入較高。而且，該柔性線的每臺加工中心(除特殊設置以外)均配備加工所有產(chǎn)品的一整套刀具，其刀具一次費用也相當高。目前，F(xiàn)ASTEMS和SCHULER是自動化托盤堆棧的兩大主要生產(chǎn)商，其產(chǎn)品適用于目前世界上主要的臥式加工中心生產(chǎn)商。

如圖5所示為 MORI SEIKI CO.，LTD的NH5000DCG-20LPP柔性制造系統(tǒng)，使用FASTEMS自動化托盤堆棧系統(tǒng)平面，該堆棧系統(tǒng)配30個標準托盤，3臺NH5500臥式加工中心，左側(cè)為上下料工位。操作工完成工件在托盤夾具上的上下料、工件的翻轉(zhuǎn)。

該系統(tǒng)可應用于工件裝夾、加工時間較短，但是勞動力成本較高的國家和地區(qū)。如按德國2008年勞動力平均成本28.09歐元/小時，企業(yè)單個勞動力成本50 281萬歐元/年計算，如需設備連續(xù)運轉(zhuǎn)，6臺臥式加工中心，需配6個以上工人;若采用該托盤堆棧系統(tǒng)，僅需兩人即完成所有裝夾生產(chǎn)任務，且該堆棧中可并聯(lián)1臺噴淋清洗機，將加工后的噴淋清洗合并至該加工單元，可減少1個勞動力及中轉(zhuǎn)物流成本。1個由6臺臥式加工中心組成的FMC所使用的自動化托盤堆棧投資在160萬歐元左右(含堆棧系統(tǒng)、100個500 mm×500 mm標準托盤及夾具等造價)。在發(fā)達國家，企業(yè)需4年即可收回設備投入。

圖4 Starrag Heckert加工中心FMC布置圖

圖5 NH6300DCG-20LPP布置圖

3.2 關節(jié)機械手

關節(jié)機械手組成的加工單元同樣適用于閥體加工。工件的翻轉(zhuǎn)及上下工作臺由機械手完成，員工僅需要將工件裝入標準盛具中，將盛具送至柔性加工單元裝卸位置即可。其基本布置形式如圖6。Chiron-Werke GmbH公司FLEXCELL DUO柔性加工單元和如圖7。Makino Milling Machine CO.，Ltd生產(chǎn)的J3i臥式加工中心。

圖6 FLEXCELL DUO布置圖

圖7 J3i臥式加工中心FMC

FLEXCELL DUO系統(tǒng)使用兩臺該公司立式加工中心(配第四軸)，專用機械手配FANUC M6iB系列機械手，該單元可加工重量6～20kg的工件。兩臺立式加工中心增加關節(jié)機械手投資費用約120萬人民幣左右(含系統(tǒng)集成)。1個工人可管理兩個甚至更多加工單元。按1個工人兩個單元進行設備，工作制度3班，251天/年計算。可節(jié)省9個操作員工，年節(jié)省勞動力投資約45萬元，3年即可收回投資。

Makino Milling Machine CO.，Ltd生產(chǎn)的J3i臥式加工中心FMC，提出了“ALL-IN-ONE”思想，即:除完成零部件加工外，還能完成工件的去毛刺、清洗等工序。該設備利用機械手在工件裝夾間隙，抓取工件完成去毛刺、清洗等輔助生產(chǎn)工序。該FMC不僅能減少主要加工設備的操作工人數(shù)，而且能完成多種輔助工序，節(jié)省了生產(chǎn)空間及物流中轉(zhuǎn)成本。

4 應用背景及對我國零部件制造業(yè)的影響

4.1 配備輔助物料轉(zhuǎn)運設備的應用背景

配備輔助物料轉(zhuǎn)運設備，成為我國零部件制造行業(yè)持續(xù)發(fā)展的一條必由之路，其原因如下:

(1)國家統(tǒng)計局調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2005-2009年，城鎮(zhèn)職工(不包括私營企業(yè))平均貨幣工資年均增長15.2%，2009年達到32 736元。2004-2008年，我國制造業(yè)工資年平均增長率為14.13%。

(2)2009年末，我國60歲以上老年人口占比已達到12.5%，在對勞動密集型產(chǎn)業(yè)有較強依賴的情況下，人口老齡化趨勢對我國勞動力市場供求關系的影響將逐漸突出。

(3)作為轉(zhuǎn)運設備主體的工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格卻不斷下降(平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元)。與此同時，人民幣匯率不斷上升，上述設備采購價格將不斷下降(工業(yè)機械人設備一般按照美元或歐元計價)。

隨著物料轉(zhuǎn)運設備價格的下降及勞動力成本不斷上升，設備投資回收周期不斷縮短。特別是在大批量產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，配備輔助物料轉(zhuǎn)運設備相較于人工勞動力優(yōu)勢明顯，并呈現(xiàn)出逐步取代的趨勢，必將成為零部件制造行業(yè)內(nèi)主要生產(chǎn)力。

4.2 對我國零部件制造業(yè)的影響

輔助物料轉(zhuǎn)運設備的廣泛使用將對我國零部件制造業(yè)產(chǎn)生深遠影響:

(1)改變目前行業(yè)人員結(jié)構，逐步提高產(chǎn)品研發(fā)、工藝等部門技術型員工比例，壓縮企業(yè)一般生產(chǎn)員工比例。企業(yè)可將更多的資金用于產(chǎn)品開發(fā)上，在市場的競爭中占得先機。

(2)向企業(yè)管理水平提出了更高的要求。由于輔助物料轉(zhuǎn)運設備各個動作準確，節(jié)拍控制嚴格，產(chǎn)品毛坯質(zhì)量要求較高，需要一套完整的生產(chǎn)計劃、物流、質(zhì)量管理體系來保證設備高效運轉(zhuǎn)，較少浪費。

(3)改變企業(yè)生產(chǎn)組織形式。將企業(yè)由大規(guī)模專業(yè)生產(chǎn)線組織生產(chǎn)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐訤MC單元組織生產(chǎn);由專業(yè)生產(chǎn)線的將所有加工工序分散不同設備，轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸すに嚰械缴贁?shù)幾臺柔性加工設備上，生產(chǎn)工藝流程更集中，中間物流更短，制造中間成本更低。

(4)提高國際競爭力。輔助物料轉(zhuǎn)運設備的使用將加速我國大批量零件制造行業(yè)擺脫目前依靠勞動力成本優(yōu)勢參與國際競爭的局面。在勞動力成本優(yōu)勢不再明顯的情況下，通過壓縮產(chǎn)品生產(chǎn)過程中間成本(半成品、成品的資金占用)，縮短資金循環(huán)周期，提高企業(yè)的競爭力。

5 結(jié)論

通過對汽車發(fā)動機缸體缸蓋、工程機械變速箱、液壓閥體為代表的箱體零部件FML/FMC(柔性生產(chǎn)線/柔性生產(chǎn)單元)的介紹，展示了箱體零部件機械加工設備常用輔助物料轉(zhuǎn)運設備及布置形式，結(jié)合我國制造業(yè)的實際情況，分析了上述生產(chǎn)設備在我國應用的可行性。

物料轉(zhuǎn)運設備的廣泛使用，可降低生產(chǎn)過程中間成本，縮短企業(yè)資金循環(huán)周期，提高產(chǎn)品的市場競爭力;同時對我國企業(yè)經(jīng)營管理模式提出了更高的要求;順應了我國制造業(yè)企業(yè)競爭環(huán)境變化的趨勢，在我國零部件制造業(yè)擁有廣闊的應用前景。

［1］張根保.自動化制造系統(tǒng)［M］.2版.重慶大學:機械工業(yè)出版社，2010

［2］中華人民共和國工藝和信息化部裝備工業(yè)司.2010年汽車工業(yè)經(jīng)濟運行報告［R/EB］.2011e-02-28［2012-09-20］http:∥stock.sohu.com/20110228/n279563371.shtm/

［3］張效祖.工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.世界制造技術與裝備市場，2004(5):33-36