工業(yè)機(jī)器人在軌道交通制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

朱志民，方孝鐘，周勇，王亞婷，高云龍，苗冬冬

1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇南京 210031

2.北京艾捷默機(jī)器人系統(tǒng)有限公司 北京 102202

3.克魯斯焊接技術(shù)北京有限公司 北京 101300

1 序言

目前，中國經(jīng)濟(jì)正處于從“高速度發(fā)展”邁進(jìn)“高質(zhì)量發(fā)展”階段，對(duì)制造業(yè)提出了更高更新的要求。憑借生產(chǎn)操作穩(wěn)定、改善勞動(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)[1]，工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路裝備及工程機(jī)械等各個(gè)行業(yè)，并逐漸走向系統(tǒng)化、規(guī)?；椭悄芑Ｖ袊熊囎鳛槲覈冗M(jìn)軌道交通裝備領(lǐng)域的主要代表，為更好地貫徹落實(shí)“中國制造2025”戰(zhàn)略部署，提出“中車智造2025”，以標(biāo)準(zhǔn)化、精益化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化作為“中車智造2025”的實(shí)施路徑，按照夯實(shí)標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)、強(qiáng)化精益化管理、加快數(shù)字化進(jìn)程、創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)化模式，以及探索智能化轉(zhuǎn)型的策略穩(wěn)步推進(jìn)。本文結(jié)合中車智能化轉(zhuǎn)型中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，對(duì)目前市場上應(yīng)用較多的焊接機(jī)器人、打磨機(jī)器人、組對(duì)工業(yè)機(jī)器人，以及將不同單功能機(jī)器人整合的柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)等工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析介紹，并從企業(yè)發(fā)展和技術(shù)革新角度出發(fā)，展望工業(yè)機(jī)器人在未來軌道交通制造中的發(fā)展趨勢。

2 常見工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 焊接機(jī)器人的應(yīng)用

焊接作為軌道車輛制造的關(guān)鍵一環(huán)，也面臨著轉(zhuǎn)型升級(jí)，焊接數(shù)字化、智能化是推動(dòng)先進(jìn)軌道交通裝備發(fā)展的新動(dòng)力。目前，國內(nèi)外軌道交通企業(yè)的焊接作業(yè)，都是在沿用傳統(tǒng)制造模式的同時(shí)，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機(jī)器人及數(shù)字焊機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，開展自動(dòng)化、數(shù)字化制造生產(chǎn)線應(yīng)用研究及生產(chǎn)實(shí)踐，使產(chǎn)品質(zhì)量、管理水平、生產(chǎn)效率也得到了大幅提升，起到了良好的示范效應(yīng)。

焊接機(jī)器人的應(yīng)用如圖1所示，可以取得以下效果。

1）保證焊接過程穩(wěn)定，提高產(chǎn)品制造過程的受控程度。機(jī)器人焊接時(shí)焊縫的焊接參數(shù)恒定，人為因素影響較小。

圖1 焊接機(jī)器人的應(yīng)用

2）改善操作工的職業(yè)健康條件。用機(jī)器人焊接時(shí)，工人遠(yuǎn)離焊接弧光、煙霧和飛濺等危害。

3）機(jī)器人操作動(dòng)作、生產(chǎn)節(jié)拍固定，生產(chǎn)周期明確。隨著離線編程的應(yīng)用，工人還可以遠(yuǎn)程操控，為進(jìn)一步打造全自動(dòng)的無人化工廠創(chuàng)造了條件。

4）機(jī)器人可以連續(xù)生產(chǎn)，每天作業(yè)20h，極大地提升了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

5）除了弧焊，在攪拌摩擦焊領(lǐng)域，攪拌摩擦焊機(jī)器人應(yīng)用也是未來攪拌摩擦焊裝備發(fā)展的一個(gè)重要方向[2]。

2.2 打磨機(jī)器人的應(yīng)用

中車唐山機(jī)車車輛有限公司（以下簡稱中車唐山）、中車株洲電力機(jī)車有限公司（以下簡稱中車株機(jī)）等分別在動(dòng)車轉(zhuǎn)向架、機(jī)車司機(jī)室焊縫打磨中開展打磨機(jī)器人應(yīng)用研究[3，4]。對(duì)于較大長直焊縫的打磨，可以利用大型工具的快速打磨能力在較短時(shí)間內(nèi)完成大部分打磨量；對(duì)于較小的弧形焊縫，可以利用小型工具的靈活處理來完成復(fù)雜焊縫的打磨；而校準(zhǔn)參考工具可以通過傳感器對(duì)工件和工具的偏移量進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算和補(bǔ)償修正，既避免了硬件偏差對(duì)打磨質(zhì)量的影響，也省去了人工校準(zhǔn)所需的大量時(shí)間，如圖2所示。

圖2 打磨機(jī)器人的應(yīng)用

以igm打磨機(jī)器人為例，配備了自適應(yīng)接觸法蘭，確保打磨過程中打磨工具與被加工表面始終保持恒定。同時(shí)可以起到砂輪砂帶磨損自動(dòng)補(bǔ)償作用，適用于各種復(fù)雜曲面的打磨。同時(shí)igm打磨機(jī)器人可以選配不同規(guī)格的打磨工具和校準(zhǔn)參考工具。用戶程序編程方面，自動(dòng)打磨機(jī)器人使用igm成熟的離線編程方式，在離線軟件中模擬出最合理的機(jī)器人運(yùn)行路徑、打磨路徑和打磨量，同時(shí)也避免了現(xiàn)場示教編程的設(shè)備和人員的安全隱患。

2.3 組對(duì)機(jī)器人的應(yīng)用

在軌道交通車輛產(chǎn)品的制造過程中，有的組對(duì)工藝過程也可以利用機(jī)器人來替代人工操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的組對(duì)安裝，如構(gòu)架焊接組對(duì)機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁內(nèi)腔等結(jié)構(gòu)的自動(dòng)組裝，如圖3所示。

圖3 組對(duì)機(jī)器人的應(yīng)用

由于不同車型的橫梁構(gòu)造不一，組對(duì)機(jī)器人可通過提前設(shè)定的不同程序來適應(yīng)多種類型的橫梁結(jié)構(gòu)。通過機(jī)器人靈活的搬運(yùn)、拼點(diǎn)，借助工裝結(jié)構(gòu)件更高效地完成組對(duì)，可節(jié)省人工成本，成功解決了生產(chǎn)線系統(tǒng)中的瓶頸難題。

2.4 噴涂機(jī)器人的應(yīng)用

噴涂機(jī)器人基本由智能控制系統(tǒng)、智能視覺系統(tǒng)、防爆噴涂機(jī)器人三部分組成，可以通過自動(dòng)離線編程軟件，生成打磨、拋光程序，如圖4所示。噴涂機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)工藝及過程控制的自動(dòng)化、智能控制，完成車體、構(gòu)架等自動(dòng)噴涂，使噴涂過程更加智能、簡單，可視化、再現(xiàn)性高，涂膜控制更加精準(zhǔn)，顏色更加鮮艷。同樣通過對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)剛度、運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析，建立設(shè)計(jì)仿真分析平臺(tái)，也可以采用機(jī)器人進(jìn)行恒力打磨，完成軌道交通車體機(jī)器人膩?zhàn)哟蚰ァ?/p>

圖4 噴涂機(jī)器人

2.5 組裝機(jī)器人的應(yīng)用

在車輛組裝過程中，機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用于零部件自動(dòng)化裝配或壓裝、螺栓自動(dòng)擰緊、內(nèi)部物料轉(zhuǎn)運(yùn)等方面，主要是采用機(jī)械臂代替人工進(jìn)行裝配、自動(dòng)選取扳手和套筒、打扭力、記錄扭力數(shù)值，以及自動(dòng)生成裝配記錄并上傳云端保存等工作，如圖5、圖6所示。

圖5 組裝機(jī)器人的應(yīng)用

圖6 立柱式擰緊機(jī)器人的應(yīng)用

3 以構(gòu)架焊接為例的柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)

3.1 柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)概況

隨著企業(yè)人力資源成本的不斷增加，安全環(huán)保、職業(yè)健康的管理難度越來越大，在不斷成熟的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)支撐下，企業(yè)越來越意識(shí)到使用機(jī)器人代替人工是制造業(yè)發(fā)展的趨勢。企業(yè)希望工業(yè)機(jī)器人可以覆蓋整個(gè)生產(chǎn)流水線，越來越多的柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)開始應(yīng)運(yùn)而生，借助5G、數(shù)字化、信息化將各個(gè)功能的機(jī)器人整合起來，使整個(gè)生產(chǎn)過程連續(xù)、靈活起來。圖7是igm設(shè)計(jì)的FMS柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)，圖8是CLOOS設(shè)計(jì)的構(gòu)架自動(dòng)化生產(chǎn)線。

圖7 igm的FMS柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)

圖8 CLOOS構(gòu)架自動(dòng)化生產(chǎn)線

柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)多種型號(hào)的產(chǎn)品自動(dòng)切換生產(chǎn)，主要構(gòu)成包括：①生產(chǎn)線控制：用于生產(chǎn)線內(nèi)信息溝通。②立體庫：用于存放待焊件、焊后成品、夾具等。③組裝線：用于組裝側(cè)梁。④焊接工作站：用于焊接側(cè)梁內(nèi)腔、側(cè)梁外焊縫、橫梁及構(gòu)架等。⑤物流線：用于生產(chǎn)線內(nèi)物流，生產(chǎn)線外的進(jìn)料和出料。⑥手工線：產(chǎn)品修整、手工組裝等。⑦檢測設(shè)備：用于產(chǎn)品檢測。

3.2 柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

借助中央控制系統(tǒng)，整條生產(chǎn)線成為了一個(gè)統(tǒng)一、和諧的整體，如圖9所示。柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)以下功能：①承接上游信息系統(tǒng)傳遞的生產(chǎn)工單信息，將相應(yīng)的作業(yè)指令分配到具體的作業(yè)設(shè)備，自動(dòng)調(diào)度物料、自動(dòng)加工。②獲取工單傳遞的物料信息，并與檢測的物料進(jìn)行比對(duì)。③設(shè)備具有二維碼掃描功能，可以掃描工件上的二維碼。④能接收上游信息系統(tǒng)下達(dá)的質(zhì)檢要求，并反饋質(zhì)檢信息。⑤可以解析工單中傳遞的工藝參數(shù)、工藝要求、焊接參數(shù)等，形成設(shè)備的控制指令，驅(qū)動(dòng)設(shè)備完成制作執(zhí)行及工藝防糾錯(cuò)的過程。⑥能將機(jī)器人作業(yè)的實(shí)際參數(shù)及時(shí)采集上傳信息系統(tǒng)，所有設(shè)備的生產(chǎn)日志數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)并自動(dòng)傳送到上游系統(tǒng)服務(wù)器中。⑦設(shè)備可以根據(jù)信息系統(tǒng)傳遞的產(chǎn)品信息、工藝要求做到柔性切換。⑧可以承接上游系統(tǒng)傳遞的焊接程序，并驅(qū)動(dòng)焊接生產(chǎn)過程的執(zhí)行。

圖9 柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)的全面生產(chǎn)過程管理

4 中車部分子公司的構(gòu)架焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架生產(chǎn)主要以焊接為主，焊接質(zhì)量的穩(wěn)定是決定構(gòu)架產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。利用先進(jìn)的數(shù)字化智能制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造全過程的追溯，并且利用信息化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測記錄，取消紙質(zhì)記錄；利用機(jī)器替代人，減少作業(yè)人員投入，關(guān)鍵主要焊縫實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化焊接，減少人為因素的影響，降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性；同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)拍化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。中車四方、中車株機(jī)、中車唐山、中車浦鎮(zhèn)等公司均開展了構(gòu)架焊接智能化生產(chǎn)線建設(shè)工作，見表1。

表1 中車某些企業(yè)構(gòu)架焊接智能化生產(chǎn)線建設(shè)情況

雖然工業(yè)機(jī)器人被各企業(yè)普遍應(yīng)用，但是仍然存在以下一些問題：①梁體內(nèi)部、外部局部等可達(dá)性不好，焊接機(jī)器人不能完全覆蓋。②自動(dòng)化裝配穩(wěn)定性有待驗(yàn)證，小部件裝配、構(gòu)架等結(jié)構(gòu)受限。③磁粉檢測可以自動(dòng)磁化及噴灑磁懸液，判定則需要人工完成。④自動(dòng)化打磨技術(shù)不太成熟，效果不理想，只適合粗磨。⑤自動(dòng)尺寸檢測技術(shù)還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

5 工業(yè)機(jī)器人在軌道交通制造中的發(fā)展趨勢

5.1 工業(yè)機(jī)器人與數(shù)字工廠

當(dāng)前全球制造業(yè)與信息科技深度融合，數(shù)字工廠技術(shù)作為數(shù)字孿生分支領(lǐng)域，是全球先進(jìn)智能制造研究熱點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于航空航天、造船、汽車等重點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域[5]。數(shù)字工廠技術(shù)與制造裝備有機(jī)結(jié)合，正引領(lǐng)著第四次信息工業(yè)革命。伴隨工業(yè)信息化與機(jī)器人化，工業(yè)機(jī)器人勢必成為數(shù)字工廠的重要角色，通過數(shù)字孿生技術(shù)集成智能傳感技術(shù)、聯(lián)合仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及智能控制技術(shù)等，可以有效地融合、集成和同步虛擬產(chǎn)品與物理產(chǎn)品，并支持它們之間巨大的數(shù)據(jù)互動(dòng)[6]，實(shí)現(xiàn)軌道交通制造全流程數(shù)字化開發(fā)。同時(shí)，維護(hù)生產(chǎn)管理，持續(xù)不斷地提升產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)工藝及管理水平。達(dá)到這樣的智慧化程度，不僅需要大幅提升機(jī)器人集成技術(shù)，更需要企業(yè)精益生產(chǎn)管理能力與機(jī)器人集成技術(shù)的緊密融合[7]。

5.2 工業(yè)機(jī)器人與智能制造

現(xiàn)在智能制造是當(dāng)前世界制造業(yè)的共同發(fā)展趨勢， 中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司高速動(dòng)車組齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)智能裝配車間、中車株機(jī)軌道交通轉(zhuǎn)向架智能制造車間等都是軌道交通行業(yè)在智能制造方面進(jìn)行探索而結(jié)出的碩果[8]。雖然相比汽車部件的定型制造，軌道交通裝備屬于客戶個(gè)性定制產(chǎn)品，智能制造實(shí)現(xiàn)的難度更大，但是伴隨工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、精益化、智能化的發(fā)展，必然會(huì)促進(jìn)軌道交通裝備智能制造的進(jìn)一步發(fā)展。如以轉(zhuǎn)向架為例的智能制造，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用應(yīng)該立足于全制造流程的每個(gè)方面（見圖10），助力于智能制造的每一個(gè)階段。

圖10 以轉(zhuǎn)向架為例的智能制造設(shè)計(jì)思路

5.3 工業(yè)機(jī)器人與精益制造

中國中車在深入推進(jìn)生產(chǎn)線轉(zhuǎn)型升級(jí)的過程中，不是為了數(shù)字化而數(shù)字化，而是依托精益制造理念，打造符合企業(yè)實(shí)際情況的精益制造生產(chǎn)線，并根據(jù)生產(chǎn)線上的需要精益地使用工業(yè)機(jī)器人。

總體來看，未來以下4種情況的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用會(huì)比較廣泛。

1）人工不適合作業(yè)的動(dòng)作：如打砂、油漆、防腐、高空作業(yè)及有毒有害氣體泄漏檢測等，對(duì)操作者的健康傷害比較大，作業(yè)員工也難招聘、難培養(yǎng)。

2）人工作業(yè)不經(jīng)濟(jì)的動(dòng)作：如焊接、無損檢測等，招聘并培訓(xùn)員工的成本比較高，且存在職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)。

3）對(duì)人的技能要求比較高的動(dòng)作：如長大焊縫的焊接、高精度的尺寸檢測、高空維護(hù)作業(yè)等，機(jī)器人作業(yè)更加穩(wěn)定、可靠，還可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)記錄自動(dòng)生成并上傳云端。

4）簡單重復(fù)的動(dòng)作：如記錄填寫、打磨、簡單的目測等，機(jī)器人可以快速地達(dá)到工作成效。

5.4 工業(yè)機(jī)器人與專職人才

工業(yè)機(jī)器人的大量使用，必定造成機(jī)器人功能開發(fā)、實(shí)況應(yīng)用、日常維保都需要專職人才?；谄髽I(yè)發(fā)展的需要，應(yīng)加強(qiáng)校企聯(lián)合育人機(jī)制，相應(yīng)地培養(yǎng)一線員工、中等技能技術(shù)人員以及高端技能人才，組建一支高素質(zhì)人才隊(duì)伍，搭建全面型人才培養(yǎng)體系，為生產(chǎn)企業(yè)智能制造的推進(jìn)提供幫助和支持。

6 結(jié)束語

1）隨著軌道交通裝備制造企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求不斷深入、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，以及5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行智能制造的應(yīng)用會(huì)越來越深入。

2）伴隨著工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，不合適工人作業(yè)的動(dòng)作，工人作業(yè)不經(jīng)濟(jì)的動(dòng)作，對(duì)操作者技能要求過高的動(dòng)作，重復(fù)簡單、技術(shù)含量低的動(dòng)作，都會(huì)逐步被工業(yè)機(jī)器人所替代。

3）中國中車部分子公司已經(jīng)開展智能化生產(chǎn)線建設(shè)，為工業(yè)機(jī)器人在軌道交通制造業(yè)的應(yīng)用提供了發(fā)展機(jī)遇。

4）5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能AI及云服務(wù)等終將和實(shí)體經(jīng)濟(jì)進(jìn)行深度融合，帶來生產(chǎn)方式的深刻變革，也會(huì)給企業(yè)的員工隊(duì)伍建設(shè)和高技能人才的培養(yǎng)儲(chǔ)備帶來新的思考。