鐵路貨車長(zhǎng)大部件自動(dòng)化生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)研究應(yīng)用

李 偉,許 晗,程洪建

(中車眉山車輛有限公司,四川 眉山 620032)

0 引言

目前鐵路貨車長(zhǎng)大部件組焊多采用人工組裝、焊接的生產(chǎn)方式,自動(dòng)化程度低,存在用工量大、生產(chǎn)效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。受制于貨車制造零部件加工精度不高,工件一致性差的現(xiàn)狀,不能直接實(shí)施機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)、焊接等“人機(jī)協(xié)同”項(xiàng)目,需要針對(duì)物料重復(fù)精度差、制造裝備定位不精準(zhǔn)等技術(shù)難點(diǎn)開展焊接尋位傳感、長(zhǎng)大部件聯(lián)運(yùn)、協(xié)同搬運(yùn)軌跡補(bǔ)償?shù)茸詣?dòng)化關(guān)鍵技術(shù)研究,才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)大部件自動(dòng)化生產(chǎn)[1-3]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型升級(jí),制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展成為國(guó)家戰(zhàn)略,鐵路貨車行業(yè)應(yīng)立足生產(chǎn)企業(yè)對(duì)大部件自動(dòng)化生產(chǎn)線的迫切需求,依靠云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展,結(jié)合自動(dòng)化搬運(yùn)組焊、模塊化組裝、在線自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)[4-6],將傳統(tǒng)制造工藝與現(xiàn)代工業(yè)智能機(jī)器人深度融合,創(chuàng)新鐵路貨車智能組裝生產(chǎn)線的核心技術(shù),加快企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型步伐。

1 典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

鐵路貨運(yùn)已朝著高速重載方向發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)更大的載重量,車體鋼結(jié)構(gòu)容積不斷加大[7],其零部件長(zhǎng)度也在不斷增加,某些部件長(zhǎng)達(dá)16 m。圖1為典型的板柱式側(cè)墻結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由1根長(zhǎng)型材和數(shù)張板材拼裝而成。目前國(guó)內(nèi)新造企業(yè)均是依靠天車吊裝長(zhǎng)大部件進(jìn)行人工配合組裝、人工焊接,生產(chǎn)效率低,安全度低,勞動(dòng)強(qiáng)度極高。

圖1 產(chǎn)品圖樣

2 制程工藝難點(diǎn)分析

將原有的生產(chǎn)制造工藝與預(yù)備融入的工業(yè)智能機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)結(jié)合后,重新規(guī)劃了該典型長(zhǎng)大部件生產(chǎn)工藝流程,如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖

根據(jù)產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在整個(gè)產(chǎn)品制造流程規(guī)劃中,要實(shí)現(xiàn)此類長(zhǎng)大部件的自動(dòng)化生產(chǎn),其難點(diǎn)在于長(zhǎng)大物料的聯(lián)運(yùn)、自動(dòng)分料傳輸、板(型)材協(xié)同搬運(yùn)以及不規(guī)則曲線焊縫的自動(dòng)化焊接。

2.1 物料聯(lián)運(yùn)及傳輸難點(diǎn)

在多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中,搬運(yùn)是其主要任務(wù)之一,在工業(yè)自動(dòng)化過程、重物搬運(yùn)中應(yīng)用廣泛[8]。但機(jī)器人完成自動(dòng)搬運(yùn)的前提是機(jī)械手拾取器(夾具)末端能準(zhǔn)確找到工位搬運(yùn)位置,因此,待抓取的物料擺放必須整齊有序。如果在生產(chǎn)線額外安排人工擺放物料,不僅增加了成本,還占用了寶貴的制造工藝平面。對(duì)于某些長(zhǎng)大的物料,根本無法實(shí)現(xiàn)抓取工位旁擺料。

2.2 雙機(jī)器人協(xié)同搬運(yùn)難點(diǎn)

由于鐵路貨車制造企業(yè)特點(diǎn),板柱式側(cè)墻工藝平面都很緊湊,上側(cè)梁型材、側(cè)板等板材型材搬運(yùn)均不能采用單個(gè)大噸位機(jī)械手搬運(yùn),故考慮2套搬運(yùn)機(jī)械手協(xié)作搬運(yùn)。2臺(tái)搬運(yùn)機(jī)械手分為主機(jī)、從機(jī),采用同一個(gè)示教控制器編程,從機(jī)的運(yùn)行軌跡坐標(biāo)依據(jù)主機(jī)末端運(yùn)行坐標(biāo)生成;從機(jī)運(yùn)行軌跡自動(dòng)運(yùn)算得出。多機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)中,由于本身制造精度原因,不可避免重復(fù)精度偏差,相應(yīng)位置關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)同步速度也存在誤差,如2臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人協(xié)同工作時(shí),機(jī)器人1和機(jī)器人2的第4軸旋轉(zhuǎn)開始時(shí)間和旋轉(zhuǎn)速度不會(huì)完全相同,這就造成運(yùn)動(dòng)軌跡同步偏差。搬運(yùn)過程中兩機(jī)械手同步偏差必然造成板材中途突然掉落。

2.3 不規(guī)則曲線焊縫自動(dòng)焊

對(duì)于板柱式側(cè)墻M或N型不規(guī)則曲線焊縫,目前鐵路行業(yè)內(nèi)多采用人工焊接,且由于工件較大不利于翻轉(zhuǎn),焊縫位置都采用立向上(PF)和立向下(PG)焊接。這樣產(chǎn)生的問題就是立向上焊接焊縫成型很難良好,對(duì)焊工操作水平要求極高;立向下焊接后焊縫焊道偏窄,熔深偏淺。傳統(tǒng)的人工活性氣體保護(hù)焊已經(jīng)不能再適應(yīng)今后的質(zhì)量要求高、焊縫位置不規(guī)則、重復(fù)度較高的精細(xì)焊縫焊接。

3 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,通過運(yùn)用真空吸盤、接觸傳感器、光學(xué)傳感器、感應(yīng)式傳輸輥道、柔性協(xié)同搬運(yùn)治具、PLC聯(lián)控等關(guān)鍵技術(shù)手段,可實(shí)現(xiàn)大部件的自動(dòng)化搬運(yùn)和組焊。

3.1 自定位聯(lián)運(yùn)料架

為解決物料定位精度,實(shí)現(xiàn)在上工序高效填料(填料過程自定位)、聯(lián)運(yùn)過程中定位精度不丟失、有足夠開闊的空間配合搬運(yùn)機(jī)械手抓取物料等問題,設(shè)計(jì)制作了自定位聯(lián)運(yùn)料架(見圖3)。

圖3 自定位聯(lián)運(yùn)料架

料架由底架、固定端門、活動(dòng)端門和仿形定位擋鐵共4個(gè)部分構(gòu)成。料架填料快捷、定位精確,在車輛運(yùn)輸過程中不會(huì)丟失物料定位精度;且能與自動(dòng)化生產(chǎn)線物料臺(tái)精確對(duì)接,提高了填料效率。

3.2 長(zhǎng)直物料自動(dòng)分料傳輸技術(shù)

由于組對(duì)工位型材板材數(shù)量較多,且為聯(lián)運(yùn)料箱(架)存放,為充分壓縮、合理安排搬運(yùn)組對(duì)工位的空間,將13 m長(zhǎng)的型材上側(cè)梁存放在后工位,通過存放架傳送機(jī)構(gòu)將上側(cè)梁橫向移動(dòng),傳送機(jī)構(gòu)橫向軌道尾部?jī)啥嗽O(shè)置感應(yīng)停止傳感;上側(cè)梁型材兩端均感應(yīng)到位后,傳送機(jī)構(gòu)風(fēng)缸頂起,滾輪轉(zhuǎn)動(dòng),將上側(cè)梁沿縱向向前運(yùn)輸,運(yùn)輸軌跡上設(shè)置矯正滾輪;傳送軌道末端設(shè)置停止傳感,停止到位后傳送滾輪停止,傳輸線上的夾緊風(fēng)缸隨即卡緊。這樣就實(shí)現(xiàn)了密排上側(cè)梁自動(dòng)分料、自動(dòng)傳輸、自動(dòng)定位型材自動(dòng)分料傳輸裝置如圖4所示。

圖4 型材自動(dòng)分料傳輸裝置

3.3 協(xié)同搬運(yùn)柔性夾具補(bǔ)償技術(shù)

機(jī)械手本身的精度存在誤差,相應(yīng)位置關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)同步速度存在誤差,搬運(yùn)過程中兩機(jī)械手同步誤差必然造成板材中途突然掉落。軟件層面不能解決同步誤差,為解決板材搬運(yùn)不同步,進(jìn)行了夾具柔性補(bǔ)償裝置研究,并制作了雙機(jī)協(xié)同搬運(yùn)柔性夾具(見圖5)。

圖5 雙機(jī)協(xié)同搬運(yùn)柔性夾具

設(shè)定所有軌跡以左側(cè)主機(jī)的夾具為基準(zhǔn),搬運(yùn)過程中主機(jī)夾具處于鎖死固定狀態(tài),即主機(jī)夾具在三維空間不具備任何可位移量。從機(jī)夾具與機(jī)械手末端連接位置增設(shè)柔性彈簧裝置,在初始抓取板材時(shí)處于鎖緊狀態(tài),但當(dāng)識(shí)別到開始作搬運(yùn)動(dòng)作時(shí),從機(jī)夾具鎖緊機(jī)構(gòu)放開,從機(jī)夾具在運(yùn)動(dòng)過程中處于平面內(nèi)游動(dòng)狀態(tài)(3個(gè)自由度:X/Y/Z),在識(shí)別到搬運(yùn)動(dòng)作結(jié)束時(shí),鎖緊機(jī)構(gòu)生效。實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)終點(diǎn)位置的準(zhǔn)確性(見圖6)。

圖6 雙機(jī)協(xié)同搬運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)

3.4 焊縫激光視覺跟蹤技術(shù)

激光接縫跟蹤是通過激光視覺傳感器采集接頭坡口區(qū)域的圖像信息,然后根據(jù)專門的圖像處理算法識(shí)別接縫的中心位置和焊槍高度。激光視覺傳感器模擬視覺功能來獲取焊縫的特征信息,獲取的信息量大,與工件不接觸,靈敏度和精度高,抗電磁干擾能力強(qiáng),適合V、K、X形等常見坡口形狀。圖7為一種傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,利用激光作為主動(dòng)光源照射在接縫坡口上,通過CCD攝像頭攝取接縫上的激光,并將圖像信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理,以獲取接縫位置信息,并通過此信息識(shí)別焊槍與接縫之間的偏差量,運(yùn)用控制算法得出控制信號(hào),并將控制信號(hào)傳達(dá)給執(zhí)行機(jī)構(gòu),調(diào)節(jié)焊槍位置以實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的目的。生產(chǎn)線選用具有抗干擾和反光技術(shù)的激光視覺跟蹤系統(tǒng),可穩(wěn)定提取母材的圖像輪廓,實(shí)現(xiàn)高反光情況下的穩(wěn)定測(cè)量。激光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)主要由激光傳感器和控制主機(jī)組成,激光傳感器用于焊縫信息的主動(dòng)采集,控制主機(jī)負(fù)責(zé)焊縫信息的實(shí)時(shí)處理,并與工業(yè)機(jī)器人或焊接專機(jī)保持實(shí)時(shí)通信,同時(shí)具有尋位和跟蹤功能,滿足智能化焊接的需求。

圖7 激光跟蹤器結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 曲線焊縫自動(dòng)焊接工藝研究應(yīng)用

型材側(cè)柱與型材上側(cè)梁是平面結(jié)構(gòu)的焊接型材A與具有異形結(jié)構(gòu)的型材進(jìn)行角焊和對(duì)接焊焊接,焊縫F為具有M形異性焊縫焊接結(jié)構(gòu),包括:頭部M形焊縫、兩側(cè)豎直直線焊縫、曲線過渡水平直線焊縫(見圖8);分別標(biāo)記為:對(duì)稱的兩側(cè)曲線過渡水平直線焊縫,焊段1和焊段5;對(duì)稱的兩側(cè)豎直直線焊縫,焊段2和焊段4;頭部M形焊縫焊段3,如圖9所示。

圖8 典型焊縫位置示意

焊接采用多關(guān)節(jié)焊接機(jī)器人,重復(fù)定位誤差不大于0.1 mm,重復(fù)循環(huán)誤差不大于0.2 mm;具體關(guān)節(jié)數(shù)量視焊接工況而定,可以四關(guān)節(jié)或六關(guān)節(jié);焊接機(jī)器人能與焊接電源實(shí)時(shí)互聯(lián)通訊,當(dāng)末端關(guān)節(jié)焊槍通過激光視覺跟蹤器到達(dá)每一段焊縫起始位置時(shí),能向焊接電源發(fā)出焊接規(guī)范調(diào)整指令,調(diào)用相應(yīng)的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接作業(yè)。

該焊接工藝在不規(guī)則焊縫焊接過程中,多種焊接模式、焊接參數(shù)自由切換,保證整段焊縫均勻一致。焊接過程中不需要人工干預(yù)便可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的自動(dòng)化。相較焊接專機(jī),這種配合焊接機(jī)械手的連接工藝更適合多變化、變截面、多焊接位置復(fù)合的焊縫。焊縫無死區(qū)、無接頭,成型美觀,立向上與立向下焊接外觀成型基本一致。利用高頻擺弧立向下(PG)焊接的焊縫熔深達(dá)到平角焊(PB)位置熔深水平(見圖10)。

圖10 PG(立向下)位置熔深示例

4 效果驗(yàn)證

本研究應(yīng)用載體為側(cè)墻生產(chǎn)線,通過技術(shù)升級(jí)改造后,該生產(chǎn)線在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、自動(dòng)化程度、減員增效等方面都有了巨大的提升,具體指標(biāo)見表1。該長(zhǎng)大部件生產(chǎn)流水線工序經(jīng)重排、作業(yè)內(nèi)容重切分、自動(dòng)化改造后,滿足了板柱式側(cè)墻自動(dòng)化組焊生產(chǎn)需求;實(shí)現(xiàn)了大部件有序傳輸、自動(dòng)上料、自動(dòng)焊接,人與機(jī)械裝備有效協(xié)同,如圖11、圖12所示。

表1 改造前后指標(biāo)提升對(duì)比表

圖11 生產(chǎn)線全貌

5 結(jié)論

在人工智能技術(shù)應(yīng)用的許多領(lǐng)域,面向人機(jī)協(xié)同的研究已呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[9]。人機(jī)協(xié)同未來將是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略,鐵路貨車制造領(lǐng)域未來將面臨人口紅利減少、技術(shù)工人不足的問題,運(yùn)用人機(jī)協(xié)同的自動(dòng)化技術(shù),對(duì)沖壓、組焊生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化改善是最直接有效的降本途徑[10]。本文研究的大部件柔性補(bǔ)償協(xié)同搬運(yùn)、激光實(shí)時(shí)跟蹤焊接、物料自動(dòng)傳輸?shù)燃夹g(shù),能顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高制造效率和工位安全度,為鐵路貨車大部件流水線的自動(dòng)化改造提供了技術(shù)參考。