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上海振华重工:大型起重机箱梁智能制造流水线

2022/1/14        作者:e-works整理      
关键字:案例  e-works年度盘点  智能制造  上海振华重工  
本文为“2021年度中国智能制造最佳应用实践奖”参评案例。本次活动将评选出2021年度,为中国智能制造领域带来突出效益的最佳实践工程,全面介绍企业推进智能制造的步骤、重点与难点、获得效益等,分享建设过程中的经验,供广大制造业行业企业学习供鉴。
一、企业简介

       上海振华重工(集团)股份有限公司(以下简称“上海振华重工”)(ZPMC)是重型装备制造行业的国际知名企业,为国有控股A、B股上市公司,控股方为世界500强之一的中国交通建设集团有限公司。公司总部设在上海,并在上海本地及南通等地设有8个生产基地,员工总数8000余人,是世界上最大的港口机械重型装备制造商。

       公司产品已进入全世界104个国家和地区。公司主营业务覆盖港口用大型集装箱机械和矿石煤炭等散货装卸机械、海洋重工、大重特型钢结构、海上运输与安装、系统集成与工程总承包、电气产品和软件开发与集成、投融资业务、一体化服务共八大板块,其中岸桥已占全球市场70%以上份额,散货装卸设备如装卸船机、斗轮堆取料机、环保型链斗卸船机等也居本行业前列。公司在不断夯实传统业务优势的同时,还在积极拓展智慧产业、民生消费、融合发展和数字产业等领域,形成集装备制造、基础设施建设及配套服务为一体的综合业务能力。

       公司厉行“自主创新”,曾获国家科技进步特等奖。建有国家级企业技术中心和院士工作站、博士后工作站。现有2600余名从事设计、研发、工艺的工程技术人员,获得国家和市级科技成果奖60余项。

上海振华重工(集团)股份有限公司

上海振华重工(集团)股份有限公司

二、企业在智能制造方面的现状

       大型岸桥起重机制造属于典型的劳动密集型,面向用户定制、多品种、少批量、非标、工序复杂等特点,公司智能制造基础薄弱,具体表现:产品设计方面,产品为用户定制,二维图设计为主,模块化标准化设计偏低;制造手段方面,处于工业1.0~2.0阶段,以人工为主的机械化、自动化并存,属于典型劳动密集离散制造;管理模式方面,生产计划、过程控制、现场管理等比较传统;数字化方面,从设计、工艺到生产制造过程的数据、信息协同不足。

       经过前期一段时间的摸索,公司已建成几个智能制造典型项目,包括针对联系横梁构件制作的箱梁智能制造流水线、针对前后大梁构件焊接的大梁内部机器人焊接工作站、针对重磅板焊接的吊耳重磅板智能机器人焊接工作站项目等。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

1.项目背景介绍

       大型港口机械装备制造属于典型的劳动密集型产业,存在结构大、重、特、非标和技术要求高且工序复杂等特点,我国港口机械制造主要仍采用手工半自动制造,自动化焊接应用水平较低,生产作业空间狭窄,烟尘、弧光、高温等环境恶劣,存在打磨量大、质量差、成本高、安全风险高、工人劳动强度大、制造质量不稳定、生产效率低、安全环保风险高等一系列问题。当前落后的生产方式严重制约了我国大型装备的国际市场竞争力,急需大型起重装备箱梁智能化生产线建设和应用。 

       随着近些年国内机械制造行业对于机器人的应用已经较为成熟,焊接电源、焊缝传感、系统集成等技术得到极大的发展,所有这些,使大型港机复杂构件的自动化焊接成为可能。为解决大型港口机械制造的高技术、高要求、高成本等痛难点,适应焊接制造过程数字化、信息化与智能化的发展潮流,实现港口机械制造的转型升级,本项目研究突破大型起重机箱梁智能制造各项关键技术,建成专业化的箱梁智能制造流水线车间,并实现最终的生产应用。

2.项目实施与应用情况详细介绍

       2.1 总体思路

       本项目针对联系横梁箱体制作实现自动化,以完成大型深窄薄壁结构件智能化焊接生产线的关键技术,提升我国港口机械装备的制造水平,带动国内大型构件制造工艺技术的重大创新。实现一套集大型钢箱梁高效拼板、柔性装配、智能化机器人焊接等工序于一体,并配备先进物流系统和信息化管理系统的自动化智能流水线。
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       生产线包括坡口铣边工作站、拼板焊接工作站、板单元划线打磨喷码工作站、板单元角钢自动装配工作站、板单元角钢机器人焊接工作站、板单元自动校形工作站、三面成型柔性组对工作站、箱体内部机器人焊接工作站、四面成形上盖板柔性组对工作站、箱体外部机器人焊接工作站、箱体翻身工作站、RGV自动化物流、车间信息化管理系统。

       2.2 关键技术与智能化装备

       2.2.1 中厚板不清根高效焊接工艺及装备

       针对拼板焊接制作,提出了一种机器人柔性组对、冷热多丝复合单面焊双面成形和焊后机械矫形新工艺及装备,实现了普通碳钢8-28mm拼板焊接不清根、低温冲击韧性(≥34J@-20℃)和焊接角变形等技术难题,实现拼板自动化组对、高效焊接及焊后矫形流水线作业。具体如下:

       (1)拼板机器人柔性装配技术

       针对厚度8~28mm低合金高强钢整板拼接组对要求,传统方式采取行车吊装钢板-小车火焰切割坡口-人工焊接引/熄弧板-人工打磨坡口-人工撬杠组对-人工定位焊接-人工打磨焊缝,工序多、效率低、环境差、坡口一致性且组对质量难以保证,创新设计了人工焊接引/熄弧板-板料辊轮自动输送-坡口自动铣边-板料辊轮自动输送-板料对中预拼-辊轮下压+磁吸附抬升-激光导引机器人定位焊接的工艺流程,突破了船舶与海洋工程、钢结构制造等领域中厚板整板高效输送、自动组对、自动预制反变形等难题,免去了打磨工序,提高了组对质量。
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       (2)拼板单面焊双面成形技术

       针对厚度8~28mm低合金高强钢板材拼接全熔透焊缝的高效优质焊接要求,传统方式采取气保焊打底-埋弧焊填充-翻身-碳弧气刨清根-背面埋弧焊填充的双面焊接工艺,工序多、效率低且存在烟尘、噪声等污染,创新设计了冷热多丝复合埋弧焊剂铜衬法(Cold-hot hybrid FCB)绿色焊接新工艺,其前置焊炬采取单粗丝(?4.0~5.0mm),后置焊炬为多细丝(?2.0~3.0mm,中间一根是冷丝),突破了船舶与海洋工程、钢结构制造等领域中低合金高强钢中厚板单面焊双面成形共性技术难题,较低的热输入确保了接头具有良好的低温冲击韧性(≥34J@-20℃)。相较传统工艺,新工艺免去了钢板翻身和清根时间,提高了电弧利用率。
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       针对8~28mm厚拼板创新设计了协同冷热多丝复合埋弧焊新工艺,突破了单面焊双面成形共性技术难题,确保接头具有良好的低温冲击韧性(≥34J@-20℃,其中8mm、10mm要求-31℃)。
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       (3)拼板焊接变形控制技术

       针对宽1.5~3.0m、厚8~28mm低合金高强钢板材拼接后产生的荷叶边状起伏变形,传统方式采用人工火焰加热+配重矫形,效率低、污染重、安全隐患高、工人劳动强度大且矫形质量难以保证,创新设计了自适应双边液压驱动辊系矫形模具,突破了船舶与海洋工程、钢结构制造等领域中超长(15.4~27.7m)低合金高强钢中厚板拼接自动输送及机械矫形难题,减少了板材性能损伤,降低了能源消耗,提高了矫形质量。
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       2.2.2 大型板单元机器人柔性化装焊技术及装备

       针对大型板单元提出一种肋骨机器人搬运及智能化点焊、基于参数化编程多机器人智能化焊接、板单元焊接变形模拟仿真及多头机械矫形工艺,实现了30米板肋机器人装配直线度和垂直度、用户定制板单元机器人快速编程、焊接波浪变形等难题,开发了板肋多机器人协同控制和快速参数化编程系统,实现板单元角钢的自动化柔性装配、机器人焊接。具体如下:

       (1)角钢机器人柔性装配技术

       针对大型板单元制作中板肋(L型角钢)装配与定位焊接要求,传统方式采用行车吊装对齐板片划线并人工点焊定位,效率低、劳动强度大且吊装作业存在安全隐患,创新设计了板肋储存、横移上料、辊道输送、自动抓取、装配定位、机器人焊接的工艺流程,突破了船舶与海洋工程、钢结构制造等领域大型板单元制作中板肋自动输送、装配和焊接难题,降低了人员投入数量和工序作业安全,提高了装配精度。
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       (2)板单元机器人智能化焊接技术
       针对大型板单元制作中板肋(L型角钢)高效优质焊接要求,传统方式一般采用半自动小车焊接,由于超长板片平面度不良所引起的焊接质量难以保证,使得焊后打磨修补量较大,创新研制了板肋多机器人协同控制和快速参数化编程系统,突破了船舶与海洋工程、钢结构制造等领域大型板单元制作中板肋及其包角机器人智能化焊接技术难题,避免了焊后打磨,降低了人员投入数量,提高了焊接质量。
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       (3)板单元焊接变形高效控制技术

       针对大型板单元制作局部焊接造成的热变形,传统方式采用行车将板单元翻身后人工火焰加热+配重矫形,工序多、能耗大、效率低、安全隐患高且易引起板单元二次变形,创新研制了基于隔根对称矫正原理的机械滚压矫正装备,突破了船舶与海洋工程、钢结构制造等领域大型板单元制作在自动输送过程中的整体机械矫形难题,减少了翻身工序,降低了能源消耗,提高了矫形质量。
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       2.2.3 大型箱体柔性化组装及物流技术

       针对30米箱体开发了一种柔性顶升定位胎架、隔板自动安装装备、腹板自动合拢,以及盖板柔性压紧对中、多子母式RGV物流系统和多台车翻身的柔性组装生产线,突破了用户定制30米巨型箱体非标、板单元及隔板刚性差、搬运及翻身同步差等难题,实现了隔板自动抓取上料及定位装配、箱梁三面成型、四面柔性装配和自动化物流及翻身。具体如下:

       (1)隔板机器人柔性化装配技术

       针对大型箱体内部宽、高3m左右隔板的柔性装配要求,传统方式采用行车吊装隔板→人工焊接辅助定位卡玛→人工定位焊接→锁杆辅助支撑隔板→定位焊缝打磨,工序多、效率低、环境差、安全隐患高且焊后打磨修补量较大,创新研制了龙门式柔性工装自动抓取、定位、放置隔板装备,突破了船舶与海洋工程、钢结构制造等领域大型箱体制作中隔板自动抓取上料及无玛支撑装配的难题,减少了人工焊接卡玛工序,降低了人员投入数量,提高了装配质量。
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       (2)箱体合拢柔性化装配技术

       针对长约30m、宽度和高度3m左右大型箱体三面成型的柔性装配要求,传统方式采用行车吊装左右腹板单元→人工使用葫芦和千斤顶调整腹板垂直度及装配间隙→定位焊接→定位焊缝打磨,工序多、效率低、环境差、安全隐患高且焊后打磨修补量较大,创新研制了柔性夹持/吸附定位、压紧装备,突破了船舶与海洋工程、钢结构制造等领域大型箱体制作中自动始端定位、柔性间隙调整等装配难题,降低了人员投入数量,提高了箱体成型质量。
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       (3)大型箱体自动化物流及翻身技术

       根据长度30m、重约15t大型箱体制作过程中需要进行物流转运的要求,传统方式采用多台行车同步吊装,危险系数大、焊缝易撕裂、箱体易变形,创新设计了子母式RGV物流系统(多个子车、一个母车),突破了船舶与海洋工程、钢结构制造等领域大型箱体整体转运的难题,避免了箱体转运过程中产生变形,降低了人员投入数量,提高了物流效率。
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       (4)四面箱体柔性化装配技术

       针对长约30m、宽度和高度3m左右大型箱体四面成型的柔性装配要求,传统方式采用行车吊装上翼板单元→人工使用葫芦和千斤顶调整装配间隙→定位焊接→定位焊缝打磨,工序多、效率低、环境差、安全隐患高且焊后打磨修补量较大,创新研制了自动定位对中翼板、自动压紧翼板和自动压紧腹板多功能装备,突破了船舶与海洋工程、钢结构制造等领域大型箱体制作中自动始端定位、柔性间隙调整等装配难题,降低了人员投入数量,提高了箱体成型质量。
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       (5)大型箱体翻身技术

       针对长约30m、重约15t大型箱体翻身作业要求,传统方式采用多台行车同步吊装翻身,危险系数大、焊缝易撕裂、箱体易变形,创新研发了基于多RGV协同控制的超大超重箱体自动翻身系统,突破了船舶与海洋工程、钢结构制造等领域大型箱体整体90°、180°翻身的难题,避免了箱体翻身时产生变形,降低了人员投入数量,提升了翻身作业效率和安全系数。
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       2.2.4 大型箱体机器人智能化焊接技术及装备

       创新设计了两套双机器人协同控制、快速参数化编程系统、基于激光和接触快速寻位、基于矢量摆动立焊工艺和箱体焊接变形预测优化,突破了非标大型箱体机器人快速编程、避碰、立角焊缝成型、焊接变形控制等难题,实现箱梁内部、外部焊缝多机器人协同智能化焊接。具体如下:

       (1)大型箱体机器人智能化编程技术

       由于箱体结构具有长度、宽度、高度的极大的差异性,以及内部筋板和横隔板等位置和大小的差异性,而焊缝数量和焊接量极大,给机器人编程带来极大的麻烦,如何快速编程满足多样式小批量的大型复杂结构件的生产需要是关键。为此针对大梁产品的特点,采用参数化编程的方式进行产品焊缝编程。生产线配备离线编程及参数化编程软件,可以实现焊接工件线下快速编程,无需占用生产时间。
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       (2)大型箱体机器人快速寻位及焊缝跟踪技术

       传统主流方式基本采用接触寻位+电弧跟踪,因箱体内部焊缝数量较多,仅通过焊丝或焊枪喷嘴接触寻找焊缝起始点,耗时长、效率低且寻位过程易发生撞枪而导致停机;采用激光点测距+焊丝接触寻位的复合传感方式,通过激光位移传感器进行焊接起弧点粗寻位(精度可达10 mm以内),然后再通过焊丝接触精确寻位起弧点,有效缩短接触寻位空行程;电弧跟踪过程采用“弓”字形矢量摆动技术,在两侧摆幅位置稳定采集焊接电流,上述工艺技术有效突破机器人立角焊、传统单一接触传感寻位时间长、单一激光传感干涉与撞枪、立角焊过程跟踪可靠性等技术瓶颈,使得大梁箱体机器人焊接参数化编程后的任务程序在线准备时间缩短至15 min以内,实现大型深窄异形箱体内部空间机器人智能化焊接。
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       (3)大型箱体机器人焊接工艺及变形控制技术

       采用特殊的焊接电源并结合机器人摆动功能,实现焊缝立焊和仰立焊跟踪,确保焊接质量,采用激光寻位的方式消除工件装配不一致带来的装配误差问题,并利用实时监控传感器,捕获焊接过程的实时电流电压,实现工艺追溯功能。
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       2.2.5 大型箱体车间数字化仿真及管控技术系统集成

       创新开发了基于工业互联网的机器人及焊机联网、生产线三维虚拟仿真及计划排产、焊接质量跟踪系统,突破了大型结构件制造车间设备种类杂、存量大、协议多、开放程度不相同等“治哑”难题,实现大型箱梁自动化生产线设备运维、计划进度、焊接质量等信息化管控。
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       (1)焊机联网及焊缝质量跟踪技术

       采用先进的信息化管理技术实现车间焊接设备联网,实现了设备状态实时监控以及焊接过程管理和数据统计分析功能;应用焊缝跟踪系统,实现焊缝实名制,可详细记录其检验时间、检验人员和检验内容,实现了焊缝检验的追踪溯源。
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       (2)基于物联网的设备信息化管控

       创新开发了基于工业互联网的车间级设备互联互通和信息化监控系统,实时采集设备运行的关键数据,实现了网络化、集群化、可视化的生产管理以及设备的预测性维护,有效发挥了生产设备的潜能,同时根据设备运转数据实现自动排产。在制造现场设立工控机、PDA等智能终端,配合视觉技术、二维码技术,采集人工、物料、产品质量等生产数据,通过SCADA、现场总线、设备控制系统等将生产设备、检测设备与工业机器人联网,通过系统之间的互通与整合,根据需求将采集数据传递到不同的系统中进行整合、分析、管理,实现信息化管控。

       (3)基于大数据驱动的车间计划与排产

       创新开发了大数据驱动“数字虚体”演进车间计划与调度,基于生产实时数据和优化算法实现车间任务“精打细算”,突破了船舶与海洋工程、钢结构制造等离散型行业车间高级计划与排产中协同管理、预测性分析难题,提升了隐形资产的显性价值,实现了生产管理数字化、生产过程协同化、决策支持智能化。
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       2.3 实施效果

       
2.3.1 项目技术成果

       该项目以箱梁智能制造生产线和大梁机器人焊接工作站为依托,建成了高效智能焊接生产线,集柔性装配、高效焊接,并配备自动化物流技术、生产线仿真技术和信息管控技术于一体。取得了以下成果:

       (1)研发了冷热多丝复合埋弧焊新工艺,突破了中厚板单面焊双面成形和低温冲击韧性的技术难题;

       (2)研制了大型班类机器人自动装配及焊接装备、大型箱体柔性装备、大型箱体内部、外部多机器人智能化焊接装备;

       (3)开发了龙门式柔性自动抓取、定位、放置隔板装备和大型箱体自动化物流技术及装备;

       (4)研发了大型箱梁焊接变形编程控制及预测系统、多机器人协同控制和快速参数化编程系统;

       (5)研发了适合复杂深窄格子间的特种焊接机器人装备;

       (6)提出了多机器人协调控制、快速初始寻位、立焊焊缝跟踪及弧长控制技术,研制了适合深窄格子间特种焊接机器人。

       (7)研发了大型箱体智能制造生产线联网及数字化管控技术,实现大型箱梁自动化生产线设备运维、计划进度、焊接质量等信息化管控。

       2.3.2 项目新颖性

       通过科技查新,箱梁智能制造流水线在船舶与海洋工程领域中,拼板多丝复合焊单面焊双面成形技术、机器人智能化焊接技术、大型箱体三面成形和四面成型柔性装配技术等方面,在国内外发表的中英文文献中,未见与该项目有相同技术方案的报道,在国内尚属首创。
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       2.3.3 知识产权情况

       项目取得相关专利十四项,其中发明专利5项,实用新型专利9项。
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       2.3.4 项目获奖情况
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3.效益分析

       该项目建成运行至今,已经在包括欧美等50多个国家的420根不同规格的箱梁产品上进行了生产应用,所做产品均符合标书要求,无论从产品质量还是制作周期,均得到用户及监理的认可和好评。共创造产值3.3亿元,产生利润5000余万元,节约生产成本577万元。该项目可在岸桥、场桥、散货、行车等大梁、立柱、横梁等广泛应用,还可在船舶分段、钻井平台船体、钢桥箱梁等进行应用拓展。以港机为例,将需要20条类似箱梁智能化生产线,预计公司内部就有10亿元市场需求。

       通过建造国内首条大型起重机箱梁智能制造流水线,掌握了大型结构件柔性装配、智能焊接和自动物流等共性关键技术,并形成自主知识产权,加快了公司转型升级,增强了ZPMC品牌的知名度和国际影响力,项目入选首批20家“上海市智能工厂”。

       大型起重机箱梁智能制造流水线的建成和应用,使生产制造过程更高效、优质、节能、环保,改善工人的作业环境,降低耗能、耗材、碳排放,降低工人劳动强度,实现数字化、信息化和自动化生产管理。突破大型薄壁箱体结构件焊接数字化车间的关键技术,推动我国大型箱体结构制造过程自动化、精益化、高效及智能化,提升我国港口机械装备的制造水平,带动国内大型构件制造工艺技术的重大创新,带动智能化焊接成套装备的国产化迈上新台阶,对缩短港口机械、桥梁钢结构、海洋工程能源装备等大型装备的交货期,降低制造周期、制造成本、能源消耗、工人劳动强度等具有极大促进作用。
责任编辑:魏蝶
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