摘要： ?主要介紹所研制的敞車端墻自動(dòng)化柔性焊接生產(chǎn)線組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)端墻生產(chǎn)線的關(guān)鍵問題及柔性化設(shè)計(jì)、敞車端墻焊接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)進(jìn)行了概括說明。結(jié)果表明，采用焊接機(jī)器人和龍門專機(jī)為核心的焊接單元，形成了預(yù)制角柱組成、上料、組裝、機(jī)器人焊接、龍門專機(jī)焊接、翻轉(zhuǎn)及反面自動(dòng)焊接，實(shí)現(xiàn)端墻生產(chǎn)線的自動(dòng)定位、傳輸及柔性化焊接，有效提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： ?端墻; 焊接機(jī)器人;自動(dòng)化生產(chǎn)線

中圖分類號(hào)： TG 432

Development of automatic flexible welding production line for gondola end wall

Li Yuan

（CRRC Guiyang Co. ， Ltd. ， Guiyang 550017，China）

Abstract： ??This paper mainly introduces the composition and structural features of the automatic flexible welding ?production line for the end wall of gondola， and summarizes the key problems of the production line， the flexible design and the control system of the welding production line for the end wall of gondola cars. The results show that the welding unit with welding robot and gantry special machine as the core forms the positions of prefabricated corner column composition， loading， assembly， robot welding， gantry special machine welding， turning and reverse automatic welding， realizes the automatic positioning， transmission and flexible welding process of the end ?wall production line， and effectively improves the production efficiency and quality.

Key words： ?end wall; welding robot; automatic production line

0 前言

端墻是敞車制造中重要的焊接結(jié)構(gòu)件之一，在端墻生產(chǎn)過程中接近70%成本與工作量是焊接，因此焊接水平高低不僅直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也是影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。目前，中國(guó)敞車的焊接水平不高，大多數(shù)廠家處于手工操作，部分使用自動(dòng)焊設(shè)備的階段，整體表現(xiàn)為工件組對(duì)尺寸誤差大、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高，焊接質(zhì)量一致性難以保證 [1]。伴隨著鐵路貨運(yùn)的高速發(fā)展，如何提高敞車端墻自動(dòng)化生產(chǎn)水平并使生產(chǎn)線具有包容更多類型工件的柔性，已經(jīng)成為了一個(gè)必須要解決的問題。

以鐵路貨車典型部件-端墻生產(chǎn)為目標(biāo)，對(duì)柔性焊接生產(chǎn)線流程、創(chuàng)新性設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行重點(diǎn)論述，以此闡明焊接生產(chǎn)線的柔性化設(shè)計(jì)理念，為類似的柔性生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供一定的參考與借鑒。

1 端墻生產(chǎn)的主要特點(diǎn)

端墻是典型的板與型鋼拼焊結(jié)構(gòu)，其部件主要有：2塊端板、3條橫帶、1個(gè)上端緣、2根角柱組成以及其 它附件等;端板等其它部件主要為耐候鋼或不銹鋼等材料的冷軋或熱軋型鋼。端墻的外部形狀隨著車型不同、其外觀尺寸和形狀也不盡相同，一般為梯形、矩形或其它形狀。端墻的主要特點(diǎn)：

（1）長(zhǎng)、寬尺寸差異比較大，長(zhǎng)度從2 267～3 642 mm不等，工件整體面積大;焊縫為絕大多數(shù)為直線，焊縫主要有對(duì)接、搭接、角接等形式。

（2）端墻角柱、橫帶、上端緣形成縱向、橫向、交叉等多種焊縫分布方式，設(shè)備需要頻繁變換焊接方向，而且角柱和橫帶高度超過100 mm，焊接時(shí)易出現(xiàn)較長(zhǎng)的焊接盲區(qū)。

（3）端墻零部制備精度較低且組裝完成后焊接件一致性較差，單件效率要求較高。

端墻需要正面焊縫和背面焊縫的焊接，由于其平板型的特點(diǎn)，因此在自動(dòng)化生產(chǎn)線上是可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化傳輸與焊接工作。

2 端墻自動(dòng)化柔性焊接生產(chǎn)線概述

2.1 端墻自動(dòng)化柔性焊接生產(chǎn)線組成

該柔性焊接生產(chǎn)線需要適應(yīng)C70，C70B，C70E以及C80B，C80E等不同型號(hào)運(yùn)煤車和敞車端墻組成正面、反面的自動(dòng)化焊接 [2]。整條生產(chǎn)線以實(shí)現(xiàn)柔性化組對(duì)、提高自動(dòng)化焊接水平與操作安全性等為核心內(nèi)容，確定機(jī)器人+龍門專機(jī)為主要焊接單元，配合柔性對(duì)裝、自動(dòng)傳輸以適應(yīng)多種型號(hào)端墻生產(chǎn)。

柔性端墻生產(chǎn)線全長(zhǎng)56 m、寬8 m，一端向另一端呈流水布置，其工位依次為：角柱焊接工位（角柱預(yù)制）、備料存儲(chǔ)區(qū)、組焊工位、機(jī)器人正面焊接、正面雙槍焊接工位（橫帶焊接）、端墻正面附件焊接共6個(gè)工位 [3]。之后，銜接工件翻轉(zhuǎn)、機(jī)器人反面焊接、補(bǔ)焊與卸料這3個(gè)工位，工件在各位之間進(jìn)行自動(dòng)傳輸?？偛贾脠D，如圖1所示。

2.2 端墻自動(dòng)化柔性焊接生產(chǎn)線流程

生產(chǎn)線流程為：正面組對(duì)正面焊接翻轉(zhuǎn)反面焊接下料;其中端墻正面生產(chǎn)線的工作流程為：備料工位吊車上料在組裝工位進(jìn)行點(diǎn)固（C80B時(shí)正面機(jī)器人要焊接角柱與端板形成的長(zhǎng)直角焊縫）機(jī)器人焊接端墻正面部分焊縫雙槍龍門焊接機(jī)焊接橫帶焊縫手工焊接端墻捆綁座等附件工件自動(dòng)傳輸至翻轉(zhuǎn)工位。反面流程為：工件在翻轉(zhuǎn)工位由傳輸車送至反面機(jī)器人工位進(jìn)入反面補(bǔ)焊工位下料。

為了適應(yīng)不同規(guī)格端墻的組裝與焊接，生產(chǎn)線所有工位的工裝夾具均使用模塊組合式夾具，夾具可以通過T形槽進(jìn)行縱橫向兩維調(diào)整，滿足不同型號(hào)端墻整體定位，以及橫帶、角柱等部件的夾緊要求。

生產(chǎn)線正、反面采用兩種不同的工件傳輸方式。工 件正面采用輥輪方式進(jìn)行，輥輪將工件由組焊工位開始傳送并最終送到翻轉(zhuǎn)工位。工件在此工位進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)后，反面升降傳輸車將工件接至反面機(jī)器人工位，機(jī)器人自動(dòng)尋位并進(jìn)行焊接工作，完成后端墻傳輸至下料工位由天車吊運(yùn)到存放臺(tái)。

3 端墻生產(chǎn)線的關(guān)鍵問題及柔性化設(shè)計(jì)

3.1 采用機(jī)器人+龍門專機(jī)的生產(chǎn)形式

機(jī)器人+龍門專機(jī)作為整條生產(chǎn)線核心焊接單元，包括兩臺(tái)焊接機(jī)器人，布置在生產(chǎn)線前后兩端負(fù)責(zé) 端墻正面及反面焊縫的焊接工作;一臺(tái)雙槍龍門專機(jī)負(fù)責(zé)焊接正面的長(zhǎng)直橫帶焊縫。

正、反面機(jī)器人均采用倒裝方式，有效增大其作業(yè)范圍，同時(shí)機(jī)器人可以沿著滑軌與工件傳輸相同方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，該軸可以與機(jī)器人進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步擴(kuò)展機(jī)器人的工作空間，提高了生產(chǎn)線的工作柔性。圖2為端墻焊接生產(chǎn)線機(jī)器人工位。

采用機(jī)器人+龍門專機(jī)的生產(chǎn)線形式，可以最大程度發(fā)揮機(jī)器人與龍門專機(jī)的優(yōu)勢(shì)，機(jī)器人具有可編程、柔性好的特點(diǎn)，適應(yīng)焊接多種不同類型及位置的焊縫;用于橫帶焊接的雙槍龍門焊接機(jī)，一次完成兩條焊縫的焊接，可以有效地提高生產(chǎn)效率，機(jī)器人和龍門專機(jī)高效地組合方式使該生產(chǎn)線在保證工作效率的前提下同時(shí)具有更大的柔性。

3.2 鉗夾式翻轉(zhuǎn)機(jī)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)

端墻焊縫分布在工件的正、反兩面，當(dāng)正面焊縫焊接完成后，需要借助翻轉(zhuǎn)機(jī)進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)。對(duì)于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)線采用鉗夾式翻轉(zhuǎn)機(jī)（圖3），該設(shè)備是使用固定開口距離的兩套鉗夾，來適應(yīng)不同型號(hào)的端墻;當(dāng) 鉗夾與正面?zhèn)鬏敺较蛞恢潞螅ぜ奢佪喫腿脬Q夾中，?然后鉗夾由電機(jī)驅(qū)動(dòng)繞鉗夾座的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將工件翻轉(zhuǎn)180°后停止，升降傳輸車將工件從鉗夾中取走，傳輸至下一工位。該翻轉(zhuǎn)方式的優(yōu)點(diǎn)是翻轉(zhuǎn)裝置占用空間位置小，翻轉(zhuǎn)靈活，翻轉(zhuǎn)裝置的制作成本低 [4]。

3.3 工件傳輸?shù)亩鄻有栽O(shè)計(jì)

生產(chǎn)線正面機(jī)器人、龍門專機(jī)、附件等焊接工位均采用輥輪方式傳輸工件，輥輪結(jié)構(gòu)分為左、中、右3個(gè)獨(dú)立部分，輥輪中間部分為固定設(shè)計(jì)，該處也是輥輪動(dòng)力位置。通過輥輪轉(zhuǎn)動(dòng)將端墻向下一工位傳輸，而左、右兩部分可以通過T形槽進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，保證不同規(guī)格的端墻可以進(jìn)行順利的傳輸。

生產(chǎn)線反面采用升降式傳輸車，以適應(yīng)多種規(guī)格端墻的傳輸同時(shí)也可以避免端墻與夾具之間發(fā)生干涉現(xiàn)象，升降式傳輸車由上、下兩部分組成。下部固定支撐底架由鋼板拼焊而成，其底部安裝有4個(gè)滾輪，通過鏈條可以帶動(dòng)傳輸車在軌道上運(yùn)動(dòng)。電機(jī)及減速機(jī)安裝在支撐底架上，支撐底架的4個(gè)角上安裝有4個(gè)螺旋減速機(jī)，在電機(jī)的帶動(dòng)下可以使上框架進(jìn)行升降，實(shí)現(xiàn)端墻在不同工位進(jìn)行移動(dòng)的目的。

3.4 生產(chǎn)線機(jī)器人的焊接工藝設(shè)計(jì)

機(jī)器人的工藝包括機(jī)器人焊接工藝與機(jī)器人程序的編制這兩部分的內(nèi)容，這兩部分既有各自獨(dú)立的內(nèi)容又有相互關(guān)聯(lián)的部分，必須作為統(tǒng)一的整體進(jìn)行考慮 [5]。正面采用六軸機(jī)器人與后續(xù)的龍門專機(jī)進(jìn)行配合，主要的長(zhǎng)直焊縫由龍門專機(jī)完成，其余由機(jī)器人完成。其工作特點(diǎn)是，焊縫短而多，下槍、收槍及尋位等動(dòng)作頻繁。編制機(jī)器人焊接程序的主要目標(biāo)是確保在機(jī)器人運(yùn)行過程中，焊接質(zhì)量的穩(wěn)定以及自身的安全性。在程序編制過程中，要根據(jù)端墻焊縫的自身特點(diǎn)將程序參照焊縫類型分解為若干子程序，每個(gè)子程序自成一體負(fù)責(zé)一條或幾條焊縫，將子程序的起始與結(jié)束點(diǎn)設(shè)計(jì)為同一位置，有助于其它操作者對(duì)于此程序的理解，程序運(yùn)行一段時(shí)間后，在實(shí)際工作效果基礎(chǔ)上對(duì)各子程序進(jìn)行優(yōu)化，縮小機(jī)器人空行程時(shí)間，提高工作效率。

4 敞車端墻焊接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

該焊接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)將各機(jī)器人、龍門專機(jī)等焊接工位與工件傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合，提升了生產(chǎn)線自動(dòng)化及柔性化技術(shù)水平。生產(chǎn)線系統(tǒng)控制工件傳輸、翻轉(zhuǎn)機(jī)、龍門專機(jī)及機(jī)器人的工作狀態(tài)及監(jiān)控檢測(cè)開關(guān)的狀態(tài)，操作人員通過操作臺(tái)或人機(jī)界面來控制生產(chǎn)線，如圖4所示。

4.1 焊接工件在生產(chǎn)線中的傳輸

工件傳輸由PLC（可編程序控制器）控制，工件經(jīng)過機(jī)器人與龍門焊接機(jī)完成正面焊縫焊接后，通過輥道傳輸進(jìn)入鉗夾式翻轉(zhuǎn)機(jī)，工件翻轉(zhuǎn)180°后，由升降傳輸小車自動(dòng)完成工件的傳輸工作。生產(chǎn)線中工件傳輸過程由中心控制系統(tǒng)根據(jù)各工位的當(dāng)前狀態(tài)，自動(dòng)判定工件傳輸?shù)倪M(jìn)程，當(dāng)生產(chǎn)線上出現(xiàn)一些特殊的狀況時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際工作情況，以及前、后工位的具體狀態(tài)，選擇合理的流程傳輸工件。

4.2 生產(chǎn)線系統(tǒng)中心控制，功能互鎖，確保工作安全

生產(chǎn)線中心控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)與焊接機(jī)器人、龍門專機(jī)、翻轉(zhuǎn)機(jī)等工位進(jìn)行通訊聯(lián)系，控制其工位的工作開始與完成，確保工作期間內(nèi)各工位自鎖以及與工件傳輸線之間的互鎖，以保證機(jī)器人等工位安全工作。

圖5為端墻焊接生產(chǎn)線人機(jī)界面。在中心控制界面上，具有自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、示教操作、焊接測(cè)試、預(yù)留外接總線等功能模式與能力，可以對(duì)焊接生產(chǎn)線工作過程進(jìn)行控制。

4.3 對(duì)生產(chǎn)線工作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控

該生產(chǎn)線可以在人機(jī)界面中顯示生產(chǎn)線上各類檢測(cè)元器件、伺服電機(jī)及氣動(dòng)部件的實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)也可以對(duì)一些故障進(jìn)行提示，有助于維修人員對(duì)故障的快速排除。圖6為端墻焊接生產(chǎn)線監(jiān)控界面。

5 結(jié)論

（1）生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)緊湊，焊接機(jī)器人與龍門專機(jī)的布置巧妙，工序流程設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)運(yùn)行及參數(shù)控制準(zhǔn)確，工作過程穩(wěn)定連續(xù)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用效果良好。

（2）生產(chǎn)線故障率低，工裝可調(diào)范圍較大，能夠適應(yīng)多種車型的端墻焊接工作，換型周期較短。焊接機(jī)器人+龍門專機(jī)的使用可以有效提高生產(chǎn)線柔性，可適應(yīng)多種焊接位置的焊接。? [HT5H]參考文獻(xiàn)

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收稿日期： ?2019-09-28

李遠(yuǎn)簡(jiǎn)介： ?1970年出生，工程師;主要從事設(shè)備工裝技術(shù)研究;ly519800@aliyun.com。