箱体零件FML/FMC常用物料转运设备的应用分析

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制造柔性线(Flexible Manufacturing Line)由自动化加工设备、工件输送系统和控制系统等组成。柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cel1)是由单台数控机床、加工中心、工件 自动输送及更换系统等组成。工件输送及更换系统，即物料转运设备是用于工件工序间的物料转运和加工设备上下料的辅助生产设备。该设备-般由专业厂家生产(如：Kuka、Gudel、Nachi、Fanuc等)，机械加工设备供应商根据客户生产需要选用通用转运设备，配合专用的夹持机构，集成于加工制造单元中。

FML/FMC通过配备物料转运设备，将多台自动化加工设备有效连接，保证各自动化加工设备的连续生产，从而实现高设备利用率、高生产效率、高物料周转率。

汽车发动机缸体缸盖、工程机械变速箱、液压阀体为代表的箱体类零件 FML/FMC(柔性生产线/柔性生产单元)采用多种形式物料转运设备，分析上述设备的应用、布置形式、功能及经济性，对其在我国的应用前景具有重大意义。

1 发动机缸体、缸盖 FML中的物料转运设备布置形式据中国汽车工业协会统计，我国2011年累计生产汽车 1 826.47万辆，销售汽车1 806.19万辆2]。发动机作为汽车的心脏，研究其生产加工在我国汽车行业里意义重大。发动机缸体、缸盖生产线由于生产纲领较大，产品附加值高，加工设备及辅助设备投资较高，在箱体零件加工制造业中具有举足轻重的地位。

目前，主要发动机制造厂商大量采用卧式加工中心组成的 FML组织生产。汽车发动机缸体缸盖柔性线制造商--HnLLER HILLER公司可提供 3种 FML形式，即：机动辊道、机动辊道与龙门机械手、机动辊道与关节机械手相结合。布置形式如图1、图2、图3。

作者简介：胡健(1981-)，男 ，重庆人，硕士 ，工程师，从事工艺设计研究84 重庆工商大学学报(自然科学版) 第 30卷图 1 机动辊道转运方式示意图 图2 机动辊道与龙门机械手转运方式示意图以年产 15万台465汽油机缸体为例，加工过程中使用卧式加工28台(分为两条并行加工线)，行磨机 1台，清洗机两台。若采用机动辊道转运，使用机动辊道约 300 m；若采用龙门式机械手，需龙门机械手约 6台，机动辊道约 100m；若采用关节机械手，需关节臂机械手约 5台，机动辊道约 100 m。按生产制度 3班，251天计算，工件生产节拍约1.2 min。

图3 机动辊道与关节机械手转运方式示意图若采用人工完成工件工序间的转运和上下料，需要生产工人 28人，工人劳动力成本按照 5万 年计算，该生产线年需劳动力成本为 140万元。上述 3种工件转运方式及费用对比如下表 1所示。

表 1 发动机转运方式及费用对比表由表 1可知，若采用机动辊道形式需要4.3年收回投资；采用机动辊道与龙门机械手转运方式需要5.7年收回投资；采用机动辊道与龙门机械手转运方式需要6.8年收回投资。

发动机制造商所使用的发动机 FML，除工件进入生产线之外，完全实现加工过程的无人化”操作。同时保证产品制造的-致性，将产品制造过程的制件比例降低至30%左右。

第2期 胡健，等：箱体零件 FML/FMC常用物料转运设备的应用分析 852 工程机械变速箱 FMC中的物料转运设备布置形式2010年以来，装载机行业主要企业销量陡增，全年销售量达到 21.6万多台。装载机变速箱是各装载机主机厂的零部件分厂的重要箱体产品。相对于其他零部件，其加工工时长，内容复杂，孔位精度要求高，其生产质量直接决定了装载机的传动系统能否正常运行。

工程机械变速箱(以5O型装载机为例)为铸件 HT250，工件尺寸约为 1 100 mm x 510 mm×320 mnl单位，重量约 150 kg。单个工件加工时间约90 rain，装夹-个工件需要 30 min。若采用工作台尺寸800 mlTI×800 mm卧式加工中心(该设备引进价格在650万元以上)，单台加工设备可年产约2 300～2 500台变速箱体(设备无交换工作台，单件生产工时 120 min)。若使用配交换工作台的加工设备，交换工作台时间约为3～5 min，每加工-个工件可节约机床占用时间约 25 min；工件的装夹时间与加工时间相重合，从而提高设备主机利用率。按年产 1 0000台计 ，3台双配交换工作台的加工设备即可满足产能要求换工作台系统投资按 120万元计算 ，可减少工艺投资 240万元。该卧式加工中心的工作台布置形式可参照 StaragHeckertTechnology GmbH生产的 HEC 1000卧式加工中心制造单元，如图4。

3 液压阀块 FMC中的物料转运设备布置形式液压元件是工程机械产品关键部件之-，长期以来，在高压大流量液压装置方面，国内零部件企业的产品还难以满足主机企业的配套要求，这使得进口成为唯-的选择，特别是在挖掘机产品上。由于液压元件价格昂贵，以至于形成吃掉工程机械行业 70%利润”的现实以及长期受制于人的被动局面 ]。因此，液压阀体作为液压控制系统的核心，其制造过程必然为各主机厂所重视。

由于液压阀块加工大部分为6面加工，其加工设备可选择卧式加工中心或者配第四轴的立式加工中心，两次或三次装夹完成所有加工内容。因此其 FMC可采用两种结构形式，-种是以自动化托盘堆栈为工件转运手段形式，另-种以关节机械手为工件转运手段形式。

3.1 自动化托盘堆栈自动化托盘堆栈就是将标准托盘库通过自动化堆垛机及 自动化控制系统，将若干台加工中心并联起来的-种适用于大批量少品种产品生产的组织方式，工人仅负责工件在夹具上的装卸和翻转，堆垛机则接受来自自动化控制系统分配的加工指令，完成工件的进出加工设备和托盘库。自动化托盘堆栈可连接 1台单机也可多机并联，但-套堆栈并联的加工中心的不超过 11台。堆栈托盘库使用存放有大量标准托盘及夹具，因此，其-次性投入较高。而且，该柔性线的每台加工中心(除特殊设置以外)均配备加工所有产品的-整套刀具，其刀具-次费用也相当高。目前，FASTEMS和SCHULER是自动化托盘堆栈的两大主要生产商，其产品适用于目前世界上主要的卧式加工中心生产商。

如图5所示为 MORI SEIKI CO.，LTD的 NH5000DCG2OIJPP柔性制造系统，使用 FASTEMS自动化托盘堆栈系统平面，该堆栈系统配30个标准托盘，3台 NH5500卧式加工中心，左侧为上下料工位。操作工完成工件在托盘夹具上的上下料、工件的翻转。

该系统可应用于工件装夹、加工时间较短，但是劳动力成本较高的国家和地区。如按德国2008年劳动力平均成本28.09欧 小时，企业单个劳动力成本50 281万欧 年计算，如需设备连续运转，6台卧式加工中心，需配 6个以上工人；若采用该托盘堆栈系统，仅需两人即完成所有装夹生产任务，且该堆栈中可并联第 2期 胡健 ，等：箱体零件 FML/FMC常用物料转运设备的应用分析 8715.2%，2009年达到32 736元。2004-2008年，我国制造业工资年平均增长率为 14.13%。

(2)2009年末 ，我国60岁以上老年人口占比已达到 12.5%，在对劳动密集型产业有较强依赖的情况下，人口老龄化趋势对我国劳动力市场供求关系的影响将逐渐突出。

(3)作为转运设备主体的工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格却不断下降(平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元)。与此同时，人民