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        基于工位制的快速裝配自動(dòng)化焊接站

        2018-09-22 01:38:26方孝鐘倪寶成莫彥青
        關(guān)鍵詞:滑臺(tái)輥道轉(zhuǎn)向架

        方孝鐘,倪寶成,莫彥青

        (1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,江蘇 南京 210031) (2.沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110168)

        近年來(lái),軌道交通裝備制造業(yè)引入了精益制造理念,經(jīng)過(guò)對(duì)工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式的探索、總結(jié)、提煉,形成了一套有章可循、具有一定指導(dǎo)意義的生產(chǎn)組織方法。通過(guò)建立工位制節(jié)拍化生產(chǎn)線,進(jìn)而推進(jìn)數(shù)字化工廠建設(shè),提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力,從根本上解決了原來(lái)生產(chǎn)組織粗放、人員無(wú)效走動(dòng)頻繁、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)不易識(shí)別、安全管控針對(duì)性不強(qiáng)等弊端[1]。

        隨著智能焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,并在企業(yè)生產(chǎn)線上投入使用,工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益得到了明顯的提高,極大地促進(jìn)了工業(yè)企業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步[2]。同時(shí),針對(duì)生產(chǎn)線上工業(yè)機(jī)器人的柔性和智能水平不高的問(wèn)題,將日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)引入原有的搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域,利用機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)獲取工件及其周圍環(huán)境的信息,識(shí)別出所要操作的目標(biāo)工件,并能引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人完成對(duì)工件的抓取和放置等操作[3]。本文通過(guò)對(duì)基于工位制快速裝配技術(shù)的研究,結(jié)合轉(zhuǎn)向架構(gòu)架產(chǎn)品的特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了一款基于工位制的快速裝配自動(dòng)化焊接站,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接裝配工序的快速、穩(wěn)定與可靠,達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本的目的。

        1 研究對(duì)象裝配流程

        以某型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接部件作為研究對(duì)象,基于其成熟的箱型梁結(jié)構(gòu)(側(cè)梁、橫梁)以及管型梁結(jié)構(gòu)(制動(dòng)橫梁)研究部件的快速裝配技術(shù)、信息化技術(shù)和節(jié)拍化生產(chǎn)在快速裝配過(guò)程中的應(yīng)用。

        側(cè)梁裝配物料清單見(jiàn)表1。

        表1 側(cè)梁裝配物料清單

        側(cè)梁裝配流程如圖1所示。

        圖1 側(cè)梁裝配流程圖

        橫梁裝配物料清單見(jiàn)表2。

        表2 橫梁裝配物料清單

        橫梁裝配流程如圖2所示。

        圖2 橫梁裝配流程

        制動(dòng)橫梁裝配物料清單見(jiàn)表3。

        表3 制動(dòng)橫梁裝配物料清單

        制動(dòng)橫梁裝配流程如圖3所示。

        圖3 制動(dòng)橫梁裝配流程

        2 自動(dòng)化焊接工作站

        2.1 自動(dòng)化焊接工作站介紹

        基于工位制的快速裝配自動(dòng)化焊接工作站能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)梁內(nèi)腔零件的快速焊接裝配,橫梁內(nèi)腔焊接裝配、內(nèi)腔焊縫焊接、上蓋板裝配,制動(dòng)橫梁零件的快速焊接裝配。其具備以下幾個(gè)生產(chǎn)功能:轉(zhuǎn)向架焊接部件自動(dòng)裝配、點(diǎn)固焊、局部滿焊焊接、焊點(diǎn)及焊縫打磨、在線檢測(cè)裝配質(zhì)量、實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)。 自動(dòng)化焊接工作站整體布局如圖4所示。

        圖4 工作站布局圖

        2.2 自動(dòng)化焊接工作站組成

        自動(dòng)化焊接工作站由自動(dòng)上下料系統(tǒng)、搬運(yùn)機(jī)器人、對(duì)中機(jī)構(gòu)、 打磨/可視/焊接機(jī)器人、焊接件變位機(jī)、電器控制柜組成。

        1)自動(dòng)上下料系統(tǒng):采用輥道將AGV(automated guided vehicle)運(yùn)來(lái)的模塊化料框運(yùn)送至系統(tǒng)指定位置,同時(shí)將搬運(yùn)機(jī)器人放在上面的成品運(yùn)輸?shù)匠隽衔恢?,由AGV運(yùn)走,采用楔形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)料框在輥道上的定位。

        2)搬運(yùn)機(jī)器人:搬運(yùn)機(jī)器人通過(guò)滑臺(tái)在焊接區(qū)、放料區(qū)域、對(duì)中區(qū)和出料區(qū)之間搬運(yùn)工件。機(jī)器人安裝有抓具,抓具的不同位置上安裝不同磁力的氣磁鐵,可通過(guò)壓縮空氣控制磁鐵來(lái)完成零件的抓取和放下。切換不同的磁鐵,可實(shí)現(xiàn)大小形狀不同的工件的抓取。

        滑臺(tái)屬于機(jī)器人的外部軸,其采用的是高精密齒輪齒條和減速機(jī),同時(shí)采用與搬運(yùn)機(jī)器人相同的伺服電機(jī),便于與機(jī)器人更好地協(xié)調(diào)工作,重復(fù)定位精度也可以得到更好的保障?;_(tái)動(dòng)態(tài)參數(shù):滑臺(tái)的移動(dòng)速度v=600mm/s,重復(fù)定位精度為±0.2mm 。

        3)對(duì)中機(jī)構(gòu):對(duì)工件進(jìn)行精確定位,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人準(zhǔn)確自動(dòng)抓取工件、自動(dòng)裝配、定位工件。

        4)打磨/可視/焊接機(jī)器人:打磨與可視機(jī)器人、弧焊焊接機(jī)器人吊裝在同一龍門滑臺(tái)上,自動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行焊接,對(duì)裝配質(zhì)量進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè),對(duì)焊點(diǎn)和焊縫進(jìn)行打磨。打磨頭和視覺(jué)相機(jī)可通過(guò)快換接頭靈活切換。

        工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)定位系統(tǒng)通過(guò)采集電視背光板的特征圖像,利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理計(jì)算出電視背光板上料的位姿偏差,引導(dǎo)機(jī)器人完成PCBI卡合工作。工作原理如圖5所示。

        圖5 可視系統(tǒng)工作原理

        焊槍上裝有META激光跟蹤系統(tǒng),可對(duì)焊縫進(jìn)行在線跟蹤尋位,對(duì)示教軌跡進(jìn)行修正,實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的精準(zhǔn)點(diǎn)固、滿焊,同時(shí)為打磨機(jī)器提供打磨軌跡。

        5)焊接件變位機(jī):由于機(jī)器人本身自由度的限制,必須有焊接變位機(jī)與之配合才能更好地完成焊接工作[4]。

        6)電器控制柜對(duì)整個(gè)工作站進(jìn)行控制。

        2.3 工作站工作過(guò)程

        需要焊接的工件被裝在模塊化料框中進(jìn)行初定位,由AGV運(yùn)送至工作站放在輥道上,輥道將模塊化料框運(yùn)送至系統(tǒng)指定位置,搬運(yùn)機(jī)器人將工件從料框上拿起放在對(duì)中機(jī)構(gòu)上精確定位,然后再?gòu)膶?duì)中機(jī)構(gòu)上將工件抓起移動(dòng)至焊接工位,完成工件裝配??梢曄到y(tǒng)對(duì)工件裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),并指導(dǎo)搬運(yùn)機(jī)器人修正偏差,裝配完成后焊接機(jī)器人對(duì)工件進(jìn)行點(diǎn)固。焊接完成后打磨與可視機(jī)器人切換到打磨狀態(tài),對(duì)焊點(diǎn)和焊縫進(jìn)行修磨,打磨完成后搬運(yùn)機(jī)器人將工件從夾具上取下并送至出料輥道上,由輥道運(yùn)送至出料口讓AGV運(yùn)走。如要更換另一種型號(hào)的工件,只需人工更換模塊化夾具即可。工件焊縫探傷由人工干預(yù)完成。

        2.4 裝配精度

        工業(yè)機(jī)器人因其具有良好的定位精度而被廣泛應(yīng)用于堆垛、搬運(yùn)、焊接等工業(yè)領(lǐng)域,但其絕對(duì)定位精度低,限制了其在高精度制造領(lǐng)域的應(yīng)用。通過(guò)構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人誤差測(cè)量與在線補(bǔ)償閉環(huán)控制系統(tǒng),對(duì)工業(yè)機(jī)器人的誤差進(jìn)行在線補(bǔ)償[5]。搬運(yùn)機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±0.2mm,滑臺(tái)的重復(fù)定位精度為±0.2mm,對(duì)中機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位精度為±0.1mm,搬運(yùn)機(jī)器人的裝配累計(jì)誤差為±0.5mm,在可視系統(tǒng)的補(bǔ)償下,機(jī)器人的定位精度將高于±0.5mm。

        3 節(jié)拍計(jì)算

        自動(dòng)化焊接工作站的工作時(shí)間主要由上下料物流時(shí)間、裝配時(shí)間、激光尋位時(shí)間、點(diǎn)固時(shí)間、焊接時(shí)間、打磨時(shí)間和探傷時(shí)間組成。一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍的時(shí)間計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4~表6。

        表4 側(cè)梁一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍的時(shí)間

        表5 橫梁一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍的時(shí)間

        表6 制動(dòng)橫梁一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍的時(shí)間

        經(jīng)過(guò)計(jì)算,自動(dòng)化焊接工作站方案能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)梁部件30min 一個(gè)節(jié)拍、橫梁部件60min 一個(gè)節(jié)拍、制動(dòng)橫梁部件10min 一個(gè)節(jié)拍的生產(chǎn)節(jié)奏。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文基于對(duì)工位制快速裝配技術(shù)的深入研究,以某型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接部件為研究對(duì)象,開(kāi)發(fā)了適于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部件的自動(dòng)化焊接站。機(jī)器人與視覺(jué)傳感器和激光跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合,輔助以自動(dòng)化夾具、滑臺(tái)等,完成轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部件的快速裝配及自動(dòng)化焊接,并滿足裝配定位精度和生產(chǎn)節(jié)拍要求,實(shí)現(xiàn)構(gòu)架的自動(dòng)化、信息化、節(jié)拍化生產(chǎn)。

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