鐵路貨車(chē)端墻自動(dòng)化柔性焊接生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

吳多錦 劉寧寧 韓增頌

（中車(chē)山東機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，濟(jì)南 250022）

在國(guó)家積極推進(jìn)制造業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型、建設(shè)環(huán)境友好型生產(chǎn)企業(yè)的大背景下，我國(guó)鐵路貨車(chē)制造企業(yè)為解決焊接生產(chǎn)過(guò)程中人力成本高、能耗高、污染高的“三高”問(wèn)題，在自動(dòng)化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面持續(xù)發(fā)力。端墻作為鐵路貨車(chē)的重要部件，主要由上端梁、角柱、橫帶及端板等組焊而成[1]。端墻的焊接成本約占端墻制造成本的70%[2]。傳統(tǒng)的焊接專(zhuān)機(jī)生產(chǎn)線因兼容性差、轉(zhuǎn)型調(diào)整周期長(zhǎng)，已經(jīng)難以滿足快速變換的市場(chǎng)需求。因此，對(duì)于端墻焊接來(lái)說(shuō)，應(yīng)用自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)于提高生產(chǎn)效率和降低成本具有重要意義[3-4]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

端墻部件的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。端墻主要由端板、上端梁、橫帶和角柱組成，其組焊工藝流程為部件上料→工件組對(duì)→正面焊接→工件1 次翻轉(zhuǎn)→背面焊接→背面磨修→工件2 次翻轉(zhuǎn)→正面磨修及小件組焊→交驗(yàn)。

圖1 端墻部件三維示意圖

產(chǎn)線根據(jù)組焊工藝的切分來(lái)布置。為滿足線體設(shè)計(jì)節(jié)拍每件15 min 的要求，均衡分配各工位的作業(yè)時(shí)間，將正面焊接工序拆分為3 個(gè)工位，背面焊接工序拆分為2 個(gè)工位，將背面磨修、工件2 次翻轉(zhuǎn)、正面磨修及小件組焊3 個(gè)工序集成在2 次翻轉(zhuǎn)工位，整線布局如圖2 所示。

圖2 端墻自動(dòng)化柔性焊接生產(chǎn)線總體布局

2 主要工位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)線設(shè)計(jì)具有良好的兼容性，可兼顧9 種常用車(chē)型端墻的結(jié)構(gòu)尺寸。

2.1 上料組對(duì)的設(shè)計(jì)

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人逐漸取代人工和專(zhuān)門(mén)機(jī)械，成為自動(dòng)化生產(chǎn)線的主要設(shè)備。設(shè)計(jì)采用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)抓取上料方案。部件上料及組對(duì)點(diǎn)焊的工位布置如圖3 所示。工業(yè)機(jī)器人配置外部軸軌道及專(zhuān)用組合抓手，將端板、上端梁、橫帶和角柱從料架托盤(pán)抓取至組對(duì)臺(tái)，在組對(duì)臺(tái)進(jìn)行端墻各部件的裝夾定位及點(diǎn)焊。

圖3 部件上料及組對(duì)點(diǎn)焊的工位布置

上料機(jī)器人采用真空吸盤(pán)+電永磁鐵形式的抓手。其中：電磁鐵主要用于型材的抓取，真空吸盤(pán)主要用于將鋼板上下層分離。鋼板分離后采用真空吸盤(pán)與電磁鐵雙重吸附的方式進(jìn)行抓取，避免了磁力抓取鋼板的連張問(wèn)題，同時(shí)解決了工件斷電墜落問(wèn)題。

由于采用機(jī)械手自動(dòng)抓取上料的方式，對(duì)料架托盤(pán)的部件碼垛提出了新需求，考慮到端板、上端緣等直接碼放部件的定位兼容性問(wèn)題，以及橫帶這種單面開(kāi)口的鈑金結(jié)構(gòu)，提出了隔層自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的分層碼垛解決方案。料架結(jié)構(gòu)及翻轉(zhuǎn)原理如圖4 所示。料架兩端設(shè)置有長(zhǎng)度限位和上下分層功能的翻轉(zhuǎn)架，當(dāng)其上層的工件被機(jī)器人抓取后，翻轉(zhuǎn)架靠重力自動(dòng)向外翻轉(zhuǎn)，為下層工件的抓取提供空間。

圖4 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)料架結(jié)構(gòu)及翻轉(zhuǎn)原理

組對(duì)臺(tái)設(shè)置多組氣動(dòng)夾緊或?qū)χ袡C(jī)構(gòu)，分別對(duì)端板、上端梁和角柱進(jìn)行定位，采用柔性化設(shè)計(jì)，能夠滿足不同高度、長(zhǎng)度、寬度的端墻焊接工件的放置和定位[5]。組對(duì)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。定位確認(rèn)后進(jìn)行端墻工件的點(diǎn)焊鉚固。

圖5 組對(duì)臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.2 工件的輸送翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)

穩(wěn)定可靠的傳輸系統(tǒng)與裝夾定位機(jī)構(gòu)，是工作站穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。工件在線體內(nèi)的流轉(zhuǎn)涉及輸送和翻轉(zhuǎn)2 種動(dòng)作。輸送鏈系統(tǒng)主要起到傳輸作用，將端墻從一個(gè)工位傳輸?shù)较乱粋€(gè)工位。生產(chǎn)線傳輸系統(tǒng)采用可升降雙排鏈傳輸結(jié)構(gòu)，具備可調(diào)速功能。在傳輸過(guò)程中，系統(tǒng)具備緩沖和自動(dòng)停止功能，確保端墻準(zhǔn)確傳輸?shù)轿?。輸送鏈結(jié)構(gòu)如圖6 所示。為便于人員穿越線體，輸送鏈端部還設(shè)置了可折疊翻轉(zhuǎn)鏈。傳輸系統(tǒng)與總控系統(tǒng)、各工位作業(yè)系統(tǒng)及配套設(shè)備之間的信息交互穩(wěn)定、安全，確保了整個(gè)生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

圖6 輸送鏈結(jié)構(gòu)

翻轉(zhuǎn)1 工位采用叉式翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。翻轉(zhuǎn)叉在水平位置，開(kāi)啟輸送鏈，工件進(jìn)入翻轉(zhuǎn)叉，到位后翻轉(zhuǎn)叉翻轉(zhuǎn)180°，同時(shí)翻轉(zhuǎn)座橫移至另一側(cè)，完成工件沿線體垂直方向的原位翻轉(zhuǎn)。

圖7 叉式翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)

2 次翻轉(zhuǎn)工位采用液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。如圖8 所示，翻轉(zhuǎn)流程如下：第一，工件水平輸送至2 次翻轉(zhuǎn)工位，背面磨修；第二，右端升起95°；第三，左端升起85°；第四，兩端升起到位后，同時(shí)向右旋轉(zhuǎn)80°；第五，兩端依次回落，工件翻轉(zhuǎn)180°正面朝上到達(dá)右端，完成工件沿線體方向的翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)完成后工件上方無(wú)遮擋，便于正面磨修及小件組焊。

圖8 2 次翻轉(zhuǎn)流程

2.3 自動(dòng)焊接工位設(shè)計(jì)

2.3.1 自動(dòng)焊接工位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)焊接功能的實(shí)現(xiàn)是產(chǎn)線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，線體各工位的設(shè)計(jì)均應(yīng)圍繞這一核心任務(wù)展開(kāi)。鑒于焊接機(jī)器人具有很好的工作柔性，特別適用于焊縫位置多樣的工件的大批量焊接生產(chǎn)。采用龍門(mén)結(jié)構(gòu)，配置2 臺(tái)6 軸弧焊機(jī)器人進(jìn)行端墻焊縫的自動(dòng)焊接，如圖9 所示[6]。根據(jù)工件尺寸確定軸弧焊機(jī)器人的作業(yè)空間。為保證更廣泛的覆蓋范圍和更優(yōu)的焊接姿態(tài)，采用焊接龍門(mén)的方案，將機(jī)器人倒吊安裝，可以有效擴(kuò)大其作業(yè)范圍。焊接龍門(mén)上橫梁及下行走梁均采用機(jī)器人外部軸驅(qū)動(dòng)。外部軸與機(jī)器人進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步擴(kuò)展了機(jī)器人的工作空間，提高了生產(chǎn)線的工作柔性。

圖9 自動(dòng)焊接龍門(mén)結(jié)構(gòu)

2.3.2 智能弧焊技術(shù)的應(yīng)用

焊接機(jī)器人具有起始點(diǎn)尋位、電弧跟蹤、起弧收弧參數(shù)控制、單軸動(dòng)作、連續(xù)路徑控制、焊接與非焊接直線插補(bǔ)、焊接圓弧插補(bǔ)、非焊接工步速度自動(dòng)優(yōu)化、時(shí)間作用程序控制、焊接參數(shù)程序控制以及焊接過(guò)程參數(shù)實(shí)時(shí)修改和記憶等功能。機(jī)器人還可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和離線編程，能夠大幅提高運(yùn)動(dòng)干涉檢查及程序調(diào)試的效率。

由于工件存在一定安裝誤差，機(jī)器人需要對(duì)焊縫進(jìn)行定位、跟蹤和調(diào)節(jié)。當(dāng)工件定位偏差較大時(shí)，機(jī)器人自帶的起始點(diǎn)尋位和電弧跟蹤功能的糾偏能力有限，需要增加激光傳感器。激光傳感器具備激光尋位和激光跟蹤功能，在焊接前預(yù)先掃描工件，以確定焊縫位置信息。工件位置變化后，對(duì)實(shí)際焊縫路徑進(jìn)行補(bǔ)償修正。在焊接過(guò)程中，激光傳感器能夠?qū)崟r(shí)獲取焊縫信息，根據(jù)偏移量進(jìn)行補(bǔ)償，得到實(shí)際焊接路徑。

2.3.3 機(jī)器人焊接除塵

隨著環(huán)保力度的持續(xù)加大和企業(yè)環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，機(jī)器人焊接設(shè)備的配套除塵系統(tǒng)越來(lái)越受到重視，機(jī)器人焊接除塵設(shè)備逐漸成為標(biāo)配設(shè)施。除塵收集形式主要分為終端收集、頂吸罩和焊接房3 種，其中除塵房除塵效果最好。本線體的機(jī)器人焊接除塵設(shè)備由固定中央主機(jī)、焊接房、中央管道系統(tǒng)組成，焊接房覆蓋整個(gè)機(jī)器人工作范圍。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)起到綜合控制、流程調(diào)度以及過(guò)程監(jiān)控的作用?？刂葡到y(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)思路，提高了程序的可靠性與可讀性。線體控制系統(tǒng)框架如圖10 所示。

圖10 控制系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)具有示教、編程、存儲(chǔ)、數(shù)顯、監(jiān)測(cè)等功能。通過(guò)示教器可以控制自動(dòng)焊接的啟動(dòng)、停止以及急停等，也可以顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警信息。各模塊間采用數(shù)字化控制通信進(jìn)行協(xié)調(diào)，并配備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)通信接口。機(jī)器人控制采用絕對(duì)編碼的方式，所有軸的位置均可以隨機(jī)存儲(chǔ)?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定可靠，在報(bào)警、停止或斷電后，可以隨時(shí)正常啟動(dòng)。當(dāng)工件發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)示教器可以重新編制程序，以滿足生產(chǎn)需求。不同車(chē)型配有專(zhuān)屬的焊接程序，通過(guò)控制程序可以實(shí)現(xiàn)一鍵轉(zhuǎn)產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合運(yùn)用自動(dòng)控制、機(jī)器人、激光跟蹤、柔性組對(duì)以及自動(dòng)傳輸翻轉(zhuǎn)定位等技術(shù)，對(duì)端墻自動(dòng)焊接產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了柔性托盤(pán)碼料、機(jī)器人自動(dòng)抓取上料、柔性化組對(duì)定位點(diǎn)焊、升降輸送鏈自動(dòng)傳輸、焊縫自動(dòng)識(shí)別跟蹤、機(jī)器人自動(dòng)焊接、工件自動(dòng)翻轉(zhuǎn)等自動(dòng)作業(yè)流程。產(chǎn)線配置企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）、數(shù) 據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）的業(yè)務(wù)接口，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線控制系統(tǒng)的數(shù)字化、信息化，滿足精益生產(chǎn)的要求。優(yōu)化后的端墻自動(dòng)焊接產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了不同車(chē)型端墻的快速轉(zhuǎn)產(chǎn)和柔性制造，提高了端墻的產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)了降本增效，并且集中解決了端墻生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、作業(yè)環(huán)境差等難題。