高鐵白車身膩子自動打磨系統(tǒng)

王浩 ，趙民，何曉龍，孫禹，齊淑林，劉東,*

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中國石油大學(華東)重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580）

隨著5G網絡的深度覆蓋，人工智能、物聯(lián)網、大數(shù)據等技術快速發(fā)展，信息化、智能化、便捷化的生產方式逐步成為各制造企業(yè)的追求[1]。中車青島四方股份有限公司(以下簡稱“四方股份公司”)作為軌道交通車輛生產的龍頭企業(yè)，為落實“以人為本”的宗旨，迎合綠色、環(huán)保、智能制造的理念，于“十三五”期間成功研制出一套高鐵白車身膩子自動打磨系統(tǒng)，實現(xiàn)了膩子自動打磨的連續(xù)生產，提高了工作效率，節(jié)省了人工成本，同時極大降低了打磨粉塵對施工人員的危害。四方股份公司目前已針對膩子自動打磨的相關技術申請了數(shù)項專利，在軌道交通領域可謂首屈一指，大大提高了公司品牌的競爭力。

膩子自動打磨系統(tǒng)所采用的自應力控制技術突破了傳統(tǒng)的恒力打磨方式，實現(xiàn)對車身的柔性打磨。該系統(tǒng)擁有的平整度測量技術可實現(xiàn)對缺陷部位的自動檢測，機械手臂可根據砂紙磨損量自動更換磨片，同時自動吸附打磨后產生的粉塵。自動打磨系統(tǒng)因多機聯(lián)動而避免了母材的損傷，提高了打磨后膩子的平整度及產品的合格率，降低了返修次數(shù)。車體自動打磨過程中通過自動除塵系統(tǒng)令粉塵飄散量大大減少，改善了廠房作業(yè)環(huán)境及清掃難度。

1 系統(tǒng)構成

高鐵白車身膩子自動打磨系統(tǒng)的主要設備包括六軸工業(yè)機器人、平整度測量系統(tǒng)、恒力打磨系統(tǒng)、磨片自動更換裝置、車體位置標定系統(tǒng)、中央除塵系統(tǒng)、電控系統(tǒng)，以及離線編程軟件、總控軟件等，系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 膩子自動打磨系統(tǒng)布置圖Figure 1 Layout of automatic putty sanding system

高鐵白車身膩子自動打磨系統(tǒng)占地長31.5 m、寬6.5 m，高4.5 m。每個臺位含4個機器人，每個機器人裝配1個打磨頭，機器人可根據操縱室中設定的程序在2條平行導軌間滑動，車體兩側各安裝一套平整度測量系統(tǒng)。在打磨過程中，系統(tǒng)可檢測出膩子高點部位，同時打磨頭可自動規(guī)避門區(qū)及窗區(qū)，集塵系統(tǒng)、平整度測量系統(tǒng)、磨片更換系統(tǒng)等在打磨過程中實現(xiàn)多級聯(lián)動，共同完成膩子打磨作業(yè)。

1.1 平整度檢測系統(tǒng)

平整度檢測系統(tǒng)基于3D激光測量技術，可實現(xiàn)車體表面平整度的精確測量，以判斷打磨后車體平整度是否滿足≤0.5 mm/m的精度要求，其主要構成包括結構光視覺測量設備、設備安裝支架、高性能計算機、平整度分析軟件等。

如圖2所示，平整度檢測系統(tǒng)首先掃描車體，收集膩子表面平整度數(shù)據，對膩子高點、麻點等缺陷部位進行記錄，然后通過核心算法對采集的數(shù)據進行拼接融合、去噪、計算分析等處理，獲得車體表面的缺陷和平整度數(shù)據，并實現(xiàn)可視化。

圖2 平整度檢測系統(tǒng)的構成Figure 2 Composition of flatness detection system

1.2 恒力打磨系統(tǒng)

恒力打磨系統(tǒng)采取柔順接觸法蘭，關鍵位置增加檢測傳感器，并結合機器人運動軌跡，實現(xiàn)打磨過程的力位混合控制，達到恒力打磨的要求。驗證表明，接觸力波動在±1 N以內[2]。

如圖3所示，在打磨過程中機器人可控制進給速率和打磨軌跡，恒力控制裝置控制打磨時的接觸壓力，打磨工具控制打磨盤轉速。恒力打磨系統(tǒng)可實現(xiàn)對關鍵打磨工藝參數(shù)的實時量化控制，保證了打磨過程的可控性和打磨質量的一致性。

圖3 恒力打磨系統(tǒng)的構成Figure 3 Composition of constant force sanding system

1.3 砂紙自動更換裝置

如圖4所示，砂紙自動更換裝置包括撕砂紙機構、砂紙供料機構、砂紙有無檢測機構等。更換流程為：撕砂紙→檢測砂紙是否已撕掉→粘砂紙→檢測砂紙是否已粘上。如果砂紙未被成功撕下或粘上，機器人將自動重做，直至換砂紙成功。

磨片自動裝置可根據打磨程度確定磨片使用的穩(wěn)定時間，再加上打磨質量的檢測和系統(tǒng)內部的計算邏輯，綜合確定磨片的使用壽命。磨片在自動更換過程中使用傳感器進行檢測，以保證更換過程的準確執(zhí)行和成功率。

1.4 車體位置標定系統(tǒng)

每臺機器人末端均安裝有激光位移傳感器，車體進到打磨工位后首先利用激光位移傳感器測量車體的實際停車位置，并根據停車位置的偏差來調整離線生成的打磨程序，保證打磨過程中打磨工具與車體的良好貼合[3]。

如圖5所示，在機器人自動打磨車體前，車體位置標定系統(tǒng)分別測量車體端墻、車體下沿、車體表面等位置，并根據測量數(shù)據反饋，自動計算出車體實際位置與理論位置的偏差，用于對打磨程序的補償。

圖5 車體位置標定系統(tǒng)Figure 5 Train body position calibration system

1.5 除塵系統(tǒng)

如圖6所示，膩子自動打磨系統(tǒng)采用中央集塵方案，在集塵主機產生的高真空氣流作用下，通過集塵管路系統(tǒng)將粉塵連續(xù)不斷地輸送到主機過濾系統(tǒng)，使其吸附在系統(tǒng)濾芯表面，實現(xiàn)邊打磨、邊除塵的目的[4-5]。濾芯表面的粉塵通過反吹系統(tǒng)自動將其吹至集塵袋中，過濾達標后通過專用管道排放至大氣之中。

圖6 中央集塵主機簡圖Figure 6 Sketch of the main unit of central dust collector

1.6 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)采用模塊化設計方案，總體電氣方案可簡化為“總控臺 + 滑車子系統(tǒng)”。如圖7所示，總控臺根據車型及車輛位置向各子系統(tǒng)發(fā)布指令。遇到非正常作業(yè)時，總控臺自動切斷電源，并開啟臨時報警裝置，保障系統(tǒng)安全運行?；囎酉到y(tǒng)由機器人控制模塊、導軌以及配套模塊、打磨工具模塊和激光測量模塊組成。

圖7 電控系統(tǒng)簡圖Figure 7 Diagram of electric control system

1.7 離線編程

膩子自動打磨系統(tǒng)采用自主開發(fā)的高鐵打磨離線編程軟件，可根據高鐵車體模型快速生成機器人打磨程序，具有多機器人打磨區(qū)域自動劃分、導軌位置規(guī)劃、工藝集成、文件輸入輸出等功能。

離線編程流程如圖8所示，首先將不同車型的三維模型導入離線編程系統(tǒng)，系統(tǒng)自動識別車型的長、寬、高等參數(shù)，通常以車體的一位側一位端為基點來標定車體及4臺機器人的相關坐標，通過解讀車型側墻、端墻、車頂?shù)奶攸c，篩除門區(qū)、窗區(qū)、空調區(qū)等非打磨區(qū)域，然后設定自動打磨的軌跡參數(shù)及工藝動作，通過系統(tǒng)預演，對設定的工藝參數(shù)進行逐一矯正，預演完畢后生成最終的膩子自動打磨程序。

2 系統(tǒng)應用

2.1 膩子自動打磨用時統(tǒng)計

在市場競爭日趨白熱化及人工成本不斷攀升、操作者安保意識日漸增強的現(xiàn)狀下，膩子自動打磨技術可極大改善作業(yè)環(huán)境，降低企業(yè)經營成本，縮短單車打磨時間。由表1可知，單車打磨時間為130 min，相對于人工打磨需耗時4 h而言，節(jié)省了將近2 h。

表1 膩子自動打磨用時統(tǒng)計表Table 1 Time for different operations during automatic putty sanding

2.2 產品質量統(tǒng)計

通過表2可知，相對于人工打磨后的狀態(tài)，膩子經自動系統(tǒng)打磨后，表面平整度更高，改善了涂層的表觀狀態(tài)，增強了涂層美觀度及飽滿度。另外，自動打磨過程中除塵率更高，改善了廠房的作業(yè)環(huán)境，避免了粉塵大量外泄，滿足職業(yè)健康及環(huán)保的需求。自動打磨系統(tǒng)采用柔性打磨頭，因此極大地提高了產品的合格率，降低了涂層的返修頻次。

表2 產品質量統(tǒng)計表Table 2 Statistics of product quality

2.3 系統(tǒng)安全性

人工打磨車體側墻過程中，施工人員需手持高轉速的氣動打磨機站立在車體兩側的升降架上進行操作，因氣管跟隨人體進行移動，在一定情況下會對人體形成一定的纏繞，若操作不當，存在高空墜落的風險。膩子自動打磨系統(tǒng)無需施工人員處于打磨現(xiàn)場，在打磨車間裝配監(jiān)控系統(tǒng)便可在控制室內通過視頻監(jiān)控打磨過程及打磨狀態(tài)，極大降低了安全隱患。

3 結語

膩子自動打磨技術在軌道車輛制造中的應用適應了國家環(huán)保政策，降低了有害粉塵的排放量，提高了工作效率，符合綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念，滿足公司職業(yè)健康的需求，充分落實了“以人為本”的宗旨，是在作業(yè)環(huán)境惡劣區(qū)域作出的嘗試性改進，同時也是四方股份公司朝向自動化轉型的典型之作。