方 羽，趙天生

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400050）

0 引言

在中國提出“中國制造2025”的大背景下，眾多裝備制造企業(yè)開始向智能制造邁出堅(jiān)實(shí)的步伐，根據(jù)《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》總體要求［1－2］，建設(shè)引領(lǐng)制造業(yè)各個領(lǐng)域的燈塔級智能工廠，采用智能化，自動化，信息化技術(shù)，如機(jī)器人關(guān)節(jié)臂，航桁架機(jī)械手，自動化輸送等手段結(jié)合MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)少人化甚至無人化，提高生產(chǎn)效率，降低勞動強(qiáng)度［3－5］。潘小華［6］研究并設(shè)計(jì)了厚板的沖壓自動上下料生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，完成了厚板件液壓精沖生產(chǎn)整個工作流程自動化；陸葉［7］針對3C產(chǎn)品基于工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)的自動化和無人化。

傳統(tǒng)裝備制造多是采用單機(jī)下料模式，人員勞動強(qiáng)度大，自動化率低、生產(chǎn)效率、切割質(zhì)量、切割精度及人均產(chǎn)值較低，且切割設(shè)備空載率較高，此外，等離子切割過程中的煙塵對操作者身心健康影響較大，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足瞬息萬變的市場需求［8］。鞠云鵬等［9］研究了鋼板切割下料最優(yōu)組合；現(xiàn)有技術(shù)中，夏志亭［10］提出了一種鋼板切割系統(tǒng)，將下料切割機(jī)排成一排，每臺切割機(jī)后端串聯(lián)分揀工位，然后空托盤專門設(shè)置一條返回線，此種方案占地面積較大，在不同分揀線上的相同零件或者相同工序的零件很難碼垛至相同托盤中，需要二次集配，且此種方案的分揀仍然是人工分揀，人工勞動強(qiáng)度較大［11］。采用工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)零件自動揀選替代人工重復(fù)性工作，降低勞動力強(qiáng)度并提高生產(chǎn)效率成為發(fā)展趨勢［12－13］。本套自動化下料系統(tǒng)采用程控行車，設(shè)置在鋼料堆場附近，其配備有真空吸盤吊具，將切割所需的鋼板由鋼板碼垛區(qū)吊入至自動輸送線單元中對應(yīng)的鋼料托盤上。其通過高效的輥道輸送線單元和高效的RGV小車接駁單元，將生產(chǎn)所需的每張板材以及鋼板切割所獲得的零件有序的輸送到指定的數(shù)控切割機(jī)位置和分揀工位，使鋼板的輸送、切割、分揀等環(huán)節(jié)精準(zhǔn)銜接，保證生產(chǎn)節(jié)拍的連貫性，實(shí)現(xiàn)了柔性分揀，大幅提高了鋼板下料的效率，此外，切割布置成串并聯(lián)混合機(jī)群式布置形式，切割托盤輸送層與切割機(jī)設(shè)計(jì)成上下層關(guān)系，兩臺切割機(jī)同時叫料產(chǎn)生的擁堵，提高了設(shè)備利用率，等離子切割機(jī)以及激光切割機(jī)的附屬除塵設(shè)備采用搭設(shè)二層平臺的模式，節(jié)約了占地面積。

1 下料零件特點(diǎn)及工藝流程

（1）下料零件特點(diǎn)

本規(guī)劃下料原材料材質(zhì)以低碳鋼Q235以及低合金鋼高強(qiáng)度鋼Q345為主，年切割鋼板12萬t左右，年按照使用鋼板張數(shù)統(tǒng)計(jì)，中薄板（此處定義板厚小于或等于30 mm）占比將近80%～90%。此外，零件形狀復(fù)雜，尺寸差異較大，薄板件切割后極易產(chǎn)生翹曲變形。下料作為五大工藝的龍頭工序，且下料與焊接作為工程機(jī)械生產(chǎn)中重要的工序，尤其是自動化焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對下料件的尺寸精度提出了越來越高的要求［8］，切割質(zhì)量以及精度對焊接質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。

（2）工藝流程

傳統(tǒng)切割下料工藝流程：貨車將鋼板卸至卸貨區(qū)，對鋼板進(jìn)行抽檢，合格后卸至鋼板存放區(qū)，線邊鋼材庫WMS系統(tǒng)對鋼板進(jìn)行管理，并根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)下發(fā)，確定需切割鋼板。鋼板自動上料，自動輸送，切割前零件自動噴碼（鋼板托盤緩存區(qū)），切割機(jī)自動巡邊后完成鋼板切割，當(dāng)天的切割任務(wù)已經(jīng)提前生成，在下發(fā)鋼板切割任務(wù)的同時零件排樣已經(jīng)分配到分揀工位進(jìn)行自動解析，并完成小零件自動分揀，中大件桁架機(jī)械手分揀以廢料處理，空托盤再返回至起始上料工位。智能化下料工藝流程如圖1所示。

圖1 智能化下料工藝流程

2 下料產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)備節(jié)拍計(jì)算

根據(jù)項(xiàng)目生產(chǎn)綱領(lǐng)要求，計(jì)算得出平均每天切割鋼板180張，生產(chǎn)班制為一年工作300天，每天2班，每班8 h，得出要求單張鋼板下料節(jié)拍為：2×8×60／180＝5 min。綜合考慮智能行車吊運(yùn)單張鋼板上料單個循環(huán)節(jié)拍為3～4 min。

2.2 設(shè)計(jì)方案

考慮鋼板切割量較大，下料節(jié)拍較快，規(guī)劃采用多臺切割機(jī)同時工作的機(jī)群式下料。無人化下料系統(tǒng)組成：智能行車自動起吊鋼板；格柵托盤載著鋼板；輥道輸送托盤；液壓缸頂升托盤與切割機(jī)組成切割臺面；輥道輸送切割后的托盤至分揀區(qū)；機(jī)器人關(guān)機(jī)臂以及桁架機(jī)械手實(shí)現(xiàn)零件自動分揀，分揀后的空托盤被輸送至升降工位；然后空托盤通過下層輥道返回至上料區(qū)繼續(xù)載鋼板，實(shí)現(xiàn)連續(xù)流水式生產(chǎn)。自動化下料線生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)如下。

（1）首先，帶有真空吸盤的智能天車自動將鋼板碼垛區(qū)的鋼板吊運(yùn)至上料工位的移動式格柵托盤上。

（2）上層輥道將載著鋼板的托盤輸送至平移機(jī)構(gòu)1處，根據(jù)系統(tǒng)調(diào)度，由平移機(jī)構(gòu)1將鋼板分配到不同的切割機(jī)組（圖2列舉了切割機(jī)組1，切割機(jī)組2，切割機(jī)組3，均為激光切割機(jī)），切割機(jī)分組根據(jù)場地空間以及節(jié)拍進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，載著鋼板的托盤提前被輸送至切割機(jī)組前端的等待工位進(jìn)行噴墨打碼。

圖2 無人化下料系統(tǒng)規(guī)劃

（3）當(dāng)任意一組切割機(jī)的鋼板切割完后（圖3），等待工位上的載著待切割的鋼板輸送至切割機(jī)正下方，通過上層輸送輥道的正下方的6個電動缸將托盤頂起（圖4），格柵托盤與切割機(jī)組成切割臺面，切割機(jī)自動尋邊對鋼板進(jìn)行切割。

圖3 原材料及自動上料區(qū)

圖4 切割單元及頂升示意圖

（4）完成切割后的鋼板，通過6個電動缸縮回，將載著切割后的鋼板托盤下降至上層輸輥道上，輥道繼續(xù)將切割完成托盤輸送至切割后端的切割后鋼板緩存工位。

（5）待后端托盤分揀完后，平移機(jī)構(gòu)2將各個切割機(jī)組的切割完成的托盤統(tǒng)一輸送至分揀區(qū)，圖5（a）為激光切割機(jī)組的后端分揀單元的設(shè)計(jì)方案，上層輥道將托盤輸送至小件分揀工位，機(jī)器人完成小件自動分揀，而后通過輥道輸送至中大件分揀工位，采用桁架機(jī)械手完成中大件自動分揀；圖5（b）為等離子切割機(jī)組時后端分揀單元的設(shè)計(jì)方案，由于等離子切割的零件帶有嚴(yán)重割渣，需增設(shè)二次分揀線，機(jī)器人將小件分揀至輸送帶上，并通過小件砂光機(jī)進(jìn)行砂光后再由二次碼垛機(jī)器人分揀至托盤中；分揀完小件的托盤通過輥道輸送至中大件分揀工位，桁架機(jī)械手將中大件分揀至大件砂光校平線上，首先通過大件砂光機(jī)去割渣，由于等離子切割熱輸入量較大，因此，零件還需要通過校平機(jī)校平，校平后的中大件通過輥道輸送至中大件下線碼垛工位，桁架機(jī)械手自動將中大件分揀下線碼垛。

圖5 自動分揀區(qū)

（6）分揀零件大小尺寸定義如表1所示，切割托盤的格柵間隙尺寸為60 mm×60 mm，單邊零件尺寸小于100 mm，邏輯判定為人工處理，集中到后端廢料清理工位揀選；雙邊零件尺寸大于或等于100 mm時，采用機(jī)器人或桁架機(jī)械手自動分揀。

表1 分揀零件尺寸定義

（7）載著廢料的托盤通過上層輥道輸送至廢料清理工位，通過一側(cè)的液壓缸將托盤一側(cè)舉起傾斜，將廢料及極小件導(dǎo)入廢料框中，而后液壓缸收回，空托盤回到上層輥道上。

（8）輥道繼續(xù)將空托盤輸送至最后的升降工位2處，空托盤與上層輥道段降至與下層輥道齊平，空托盤通過最下層輥道返回至升降工位1處，繼續(xù)等待智能行車上料；切割機(jī)正上方設(shè)置鋼平臺放置切割機(jī)除塵設(shè)備。

3 驗(yàn)證與分析

（1）相比與傳統(tǒng)的單機(jī)下料模式，創(chuàng)新性提出了智能行車＋托盤＋輥道輸送＋切割機(jī)組的智能化下料方案，即智能行車自動將鋼板上料至托盤中，托盤載著鋼板通過輥道輸送到切割機(jī)正下方，頂升裝置將托盤頂起與切割機(jī)組成切割臺面，實(shí)現(xiàn)了從鋼板上料，輸送以及切割的自動化。

（2）針對鋼板切割量大，節(jié)拍快，提出采用雙層輥道輸送的模式，上層輥道輸送載著鋼板的托盤，空托盤下層返回方案，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)且提高了廠房空間利用率，節(jié)約了占地面積。

（3）和傳統(tǒng)人工分揀相比，分揀區(qū)先進(jìn)性在于采用機(jī)器人加視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小件自動分揀，桁架機(jī)械手自動分揀大件，降低了工人勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)分揀自動化，智能化。

（4）傳統(tǒng)等離子切割后的掛渣零件，多為人工線下打磨，勞動強(qiáng)度大，車間環(huán)境差，本規(guī)劃分別在小件分揀線和大件分揀線上設(shè)置了自動砂光機(jī)，可根據(jù)帶砂光零件的厚度，自動調(diào)整砂帶間距，同時減少了零件轉(zhuǎn)運(yùn)，使零件掛渣去除實(shí)現(xiàn)了自動化和智能化。

（5）傳統(tǒng)零件校平，多為人工輔助上下料，工人勞動強(qiáng)度大，本規(guī)劃將校平機(jī)與大件分揀線并聯(lián)設(shè)計(jì)，根據(jù)需校平零件信息自動調(diào)整校平機(jī)上下輥之間間距，減少了物料轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)零件校平自動化和智能化。

（6）傳統(tǒng)切割機(jī)和除塵設(shè)備并行設(shè)置，占地面積較大，面積利用率不高的問題，該規(guī)劃將增設(shè)二層鋼平臺放至切割機(jī)除塵設(shè)備，不僅可以切割機(jī)留出檢修通道，提高廠房空間利用率。

項(xiàng)目投產(chǎn)后自動化生產(chǎn)線順利達(dá)產(chǎn)，平均每天切割鋼板180張，如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)現(xiàn)場

4 結(jié)束語

該自動化下料系統(tǒng)自動化程度高，設(shè)計(jì)合理，安全可靠，滿足工程機(jī)械行業(yè)板厚小于或等于30 mm厚的鋼板切割且下料節(jié)拍快的生產(chǎn)。首次創(chuàng)新性提出了智能行車＋移動式切割工作臺＋輥道輸送＋機(jī)器人或桁架機(jī)械手的集成方法實(shí)現(xiàn)下料產(chǎn)線的全自動化。降低了工人勞動強(qiáng)度和安全風(fēng)險，提高了生產(chǎn)效率，打破了傳統(tǒng)的單機(jī)下料模式，自動化程度低，工人長時間處于惡劣生產(chǎn)環(huán)境，設(shè)備空載率高的壁壘。該生產(chǎn)系統(tǒng)采用了工業(yè)機(jī)器人和桁架機(jī)械手等自動化裝備，提高了下料產(chǎn)線柔性和靈活性，可滿足臨時插單，人機(jī)協(xié)同。此外，該系統(tǒng)采用集中上料、集中分揀以及集中廢料處理，降低了物料轉(zhuǎn)運(yùn)距離以及設(shè)備空載率。