鐵路貨車長大部件自動化生產線關鍵技術研究應用

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

目前鐵路貨車長大部件組焊多采用人工組裝、焊接的生產方式,自動化程度低,存在用工量大、生產效率低、質量不穩定等問題。受制于貨車制造零部件加工精度不高,工件一致性差的現狀,不能直接實施機器人自動搬運、焊接等“人機協同”項目,需要針對物料重復精度差、制造裝備定位不精準等技術難點開展焊接尋位傳感、長大部件聯運、協同搬運軌跡補償等自動化關鍵技術研究,才能實現長大部件自動化生產[1-3]。隨著國民經濟的轉型升級,制造業高質量發展成為國家戰略,鐵路貨車行業應立足生產企業對大部件自動化生產線的迫切需求,依靠云計算、物聯網、5G、大數據、人工智能、區塊鏈等關鍵技術發展,結合自動化搬運組焊、模塊化組裝、在線自動檢測等技術[4-6],將傳統制造工藝與現代工業智能機器人深度融合,創新鐵路貨車智能組裝生產線的核心技術,加快企業數字化轉型步伐。

1 典型產品結構

鐵路貨運已朝著高速重載方向發展,為實現更大的載重量,車體鋼結構容積不斷加大[7],其零部件長度也在不斷增加,某些部件長達16 m。圖1為典型的板柱式側墻結構,該結構由1根長型材和數張板材拼裝而成。目前國內新造企業均是依靠天車吊裝長大部件進行人工配合組裝、人工焊接,生產效率低,安全度低,勞動強度極高。

圖1 產品圖樣

2 制程工藝難點分析

將原有的生產制造工藝與預備融入的工業智能機器人應用技術結合后,重新規劃了該典型長大部件生產工藝流程,如圖2所示。

圖2 生產工藝流程簡圖

根據產品零部件結構特點,在整個產品制造流程規劃中,要實現此類長大部件的自動化生產,其難點在于長大物料的聯運、自動分料傳輸、板(型)材協同搬運以及不規則曲線焊縫的自動化焊接。

2.1 物料聯運及傳輸難點

在多移動機器人系統中,搬運是其主要任務之一,在工業自動化過程、重物搬運中應用廣泛[8]。但機器人完成自動搬運的前提是機械手拾取器(夾具)末端能準確找到工位搬運位置,因此,待抓取的物料擺放必須整齊有序。如果在生產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。對于某些長大的物料,根本無法實現抓取工位旁擺料。

2.2 雙機器人協同搬運難點

由于鐵路貨車制造企業特點,板柱式側墻工藝平面都很緊湊,上側梁型材、側板等板材型材搬運均不能采用單個大噸位機械手搬運,故考慮2套搬運機械手協作搬運。2臺搬運機械手分為主機、從機,采用同一個示教控制器編程,從機的運行軌跡坐標依據主機末端運行坐標生成;從機運行軌跡自動運算得出。多機器人搬運系統中,由于本身制造精度原因,不可避免重復精度偏差,相應位置關節轉動同步速度也存在誤差,如2臺搬運機器人協同工作時,機器人1和機器人2的第4軸旋轉開始時間和旋轉速度不會完全相同,這就造成運動軌跡同步偏差。搬運過程中兩機械手同步偏差必然造成板材中途突然掉落。

2.3 不規則曲線焊縫自動焊

對于板柱式側墻M或N型不規則曲線焊縫,目前鐵路行業內多采用人工焊接,且由于工件較大不利于翻轉,焊縫位置都采用立向上(PF)和立向下(PG)焊接。這樣產生的問題就是立向上焊接焊縫成型很難良好,對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。傳統的人工活性氣體保護焊已經不能再適應今后的質量要求高、焊縫位置不規則、重復度較高的精細焊縫焊接。

3 關鍵技術點

根據大量試驗結果以及現場驗證,通過運用真空吸盤、接觸傳感器、光學傳感器、感應式傳輸輥道、柔性協同搬運治具、PLC聯控等關鍵技術手段,可實現大部件的自動化搬運和組焊。

3.1 自定位聯運料架

為解決物料定位精度,實現在上工序高效填料(填料過程自定位)、聯運過程中定位精度不丟失、有足夠開闊的空間配合搬運機械手抓取物料等問題,設計制作了自定位聯運料架(見圖3)。

圖3 自定位聯運料架

料架由底架、固定端門、活動端門和仿形定位擋鐵共4個部分構成。料架填料快捷、定位精確,在車輛運輸過程中不會丟失物料定位精度;且能與自動化生產線物料臺精確對接,提高了填料效率。

3.2 長直物料自動分料傳輸技術

由于組對工位型材板材數量較多,且為聯運料箱(架)存放,為充分壓縮、合理安排搬運組對工位的空間,將13 m長的型材上側梁存放在后工位,通過存放架傳送機構將上側梁橫向移動,傳送機構橫向軌道尾部兩端設置感應停止傳感;上側梁型材兩端均感應到位后,傳送機構風缸頂起,滾輪轉動,將上側梁沿縱向向前運輸,運輸軌跡上設置矯正滾輪;傳送軌道末端設置停止傳感,停止到位后傳送滾輪停止,傳輸線上的夾緊風缸隨即卡緊。這樣就實現了密排上側梁自動分料、自動傳輸、自動定位型材自動分料傳輸裝置如圖4所示。

圖4 型材自動分料傳輸裝置

3.3 協同搬運柔性夾具補償技術

機械手本身的精度存在誤差,相應位置關節轉動同步速度存在誤差,搬運過程中兩機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,為解決板材搬運不同步,進行了夾具柔性補償裝置研究,并制作了雙機協同搬運柔性夾具(見圖5)。

圖5 雙機協同搬運柔性夾具

設定所有軌跡以左側主機的夾具為基準,搬運過程中主機夾具處于鎖死固定狀態,即主機夾具在三維空間不具備任何可位移量。從機夾具與機械手末端連接位置增設柔性彈簧裝置,在初始抓取板材時處于鎖緊狀態,但當識別到開始作搬運動作時,從機夾具鎖緊機構放開,從機夾具在運動過程中處于平面內游動狀態(3個自由度:X/Y/Z),在識別到搬運動作結束時,鎖緊機構生效。實現了搬運終點位置的準確性(見圖6)。

圖6 雙機協同搬運現場

3.4 焊縫激光視覺跟蹤技術

激光接縫跟蹤是通過激光視覺傳感器采集接頭坡口區域的圖像信息,然后根據專門的圖像處理算法識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,適合V、K、X形等常見坡口形狀。圖7為一種傳感器的結構示意圖,利用激光作為主動光源照射在接縫坡口上,通過CCD攝像頭攝取接縫上的激光,并將圖像信號輸入計算機進行分析處理,以獲取接縫位置信息,并通過此信息識別焊槍與接縫之間的偏差量,運用控制算法得出控制信號,并將控制信號傳達給執行機構,調節焊槍位置以實現焊縫跟蹤的目的。生產線選用具有抗干擾和反光技術的激光視覺跟蹤系統,可穩定提取母材的圖像輪廓,實現高反光情況下的穩定測量。激光視覺焊縫跟蹤系統主要由激光傳感器和控制主機組成,激光傳感器用于焊縫信息的主動采集,控制主機負責焊縫信息的實時處理,并與工業機器人或焊接專機保持實時通信,同時具有尋位和跟蹤功能,滿足智能化焊接的需求。

圖7 激光跟蹤器結構示意圖

3.5 曲線焊縫自動焊接工藝研究應用

型材側柱與型材上側梁是平面結構的焊接型材A與具有異形結構的型材進行角焊和對接焊焊接,焊縫F為具有M形異性焊縫焊接結構,包括:頭部M形焊縫、兩側豎直直線焊縫、曲線過渡水平直線焊縫(見圖8);分別標記為:對稱的兩側曲線過渡水平直線焊縫,焊段1和焊段5;對稱的兩側豎直直線焊縫,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

焊接采用多關節焊接機器人,重復定位誤差不大于0.1 mm,重復循環誤差不大于0.2 mm;具體關節數量視焊接工況而定,可以四關節或六關節;焊接機器人能與焊接電源實時互聯通訊,當末端關節焊槍通過激光視覺跟蹤器到達每一段焊縫起始位置時,能向焊接電源發出焊接規范調整指令,調用相應的焊接參數進行焊接作業。

該焊接工藝在不規則焊縫焊接過程中,多種焊接模式、焊接參數自由切換,保證整段焊縫均勻一致。焊接過程中不需要人工干預便可實現產線的自動化。相較焊接專機,這種配合焊接機械手的連接工藝更適合多變化、變截面、多焊接位置復合的焊縫。焊縫無死區、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 效果驗證

本研究應用載體為側墻生產線,通過技術升級改造后,該生產線在生產效率、產品質量、自動化程度、減員增效等方面都有了巨大的提升,具體指標見表1。該長大部件生產流水線工序經重排、作業內容重切分、自動化改造后,滿足了板柱式側墻自動化組焊生產需求;實現了大部件有序傳輸、自動上料、自動焊接,人與機械裝備有效協同,如圖11、圖12所示。

表1 改造前后指標提升對比表

圖11 生產線全貌

5 結論

在人工智能技術應用的許多領域,面向人機協同的研究已呈增長態勢[9]。人機協同未來將是國家重點發展戰略,鐵路貨車制造領域未來將面臨人口紅利減少、技術工人不足的問題,運用人機協同的自動化技術,對沖壓、組焊生產線進行優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償協同搬運、激光實時跟蹤焊接、物料自動傳輸等技術,能顯著降低勞動強度、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化改造提供了技術參考。