郭立明 高國(guó)星 謝元立 張強(qiáng)

摘要：客車制造是一個(gè)手工密集度較大的行業(yè)。隨著產(chǎn)量的增加和用工的缺乏，特別是技工的缺乏，加之部分制造工作環(huán)境的影響，給客車制造帶來一定的壓力。例如，客車骨架總成和部件的焊接，工作環(huán)境較差，而且對(duì)人員技能要求較高，焊接質(zhì)量直接影響客車整體的強(qiáng)度。因此，利用機(jī)械代替人，客車制造自動(dòng)化、機(jī)械化就顯得很重要。

關(guān)鍵詞：鐵路客車制造；焊接機(jī)械手；應(yīng)用

作為一種自動(dòng)焊接技術(shù)，焊接機(jī)械手在歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中的應(yīng)用十分廣泛，與手工焊和其他焊機(jī)相比可以獲得更為穩(wěn)定的焊接質(zhì)量和更快的工作效率。我國(guó)鐵路客車制造中引入焊接機(jī)械手是在九五期間，提升了客車制造的質(zhì)量和效率，獲得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。焊接機(jī)械手的應(yīng)用是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性工業(yè)工程，與其他相關(guān)工業(yè)的技術(shù)水平的關(guān)系比較密切，因此焊接機(jī)械手的應(yīng)用也經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期的發(fā)展過程。本文就鐵路客車制造中焊接機(jī)械手的應(yīng)用情況、存在的問題和對(duì)策進(jìn)行探討。

1方案研究及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先在簡(jiǎn)單的、批量較大的客車部件焊接中應(yīng)用，如客車地板骨架分片焊接、側(cè)圍骨架分片焊接、車架分片焊接等。當(dāng)應(yīng)用技術(shù)成熟和積累了一定的專用夾具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)后，再在客車整車骨架焊接和車架總成焊接中推廣和應(yīng)用。

焊接機(jī)械手的應(yīng)用是個(gè)系統(tǒng)工程，單個(gè)采用焊接機(jī)械手不能達(dá)到事半功倍的要求，必須從整體結(jié)構(gòu)、操作流程、專業(yè)焊接夾具的設(shè)計(jì)（模塊化）和物流等方面來考慮。

在起初的運(yùn)用中可以挑選比較有代表性的車型和部件來設(shè)計(jì)方案。

根據(jù)選定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式和焊接方式來選擇一定品牌的焊接機(jī)械手，目前國(guó)內(nèi)常選擇的是松下和OTC等品牌。

舉例說明如下：根據(jù)KLQ6119、KLQ6129Q等5種車型的地板骨架焊接，設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用一臺(tái)固定的焊接機(jī)器人作業(yè)，配置有左右兩個(gè)工位，在一個(gè)工位焊接的同時(shí)，另一工位用于裝載和卸載工件。工件的定位塊安裝在橫梁與縱梁上，橫、縱梁緊固在外圍的活動(dòng)框架上，再通過定位銷與工裝的固定框架相連。定位塊、橫梁、縱梁以及活動(dòng)框架組成一個(gè)相對(duì)固定的定位模組，通過整體吊裝切換定位模組，便可以快速更換不同的焊接工件。設(shè)計(jì)的3組卸料聯(lián)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)，用于方便實(shí)現(xiàn)工件的卸載。工裝框架的翻轉(zhuǎn)變位由電機(jī)完成，在工裝框架翻轉(zhuǎn)過程中，為防止操作工人的手臂誤伸入其中，專門設(shè)計(jì)有防夾傷傳感裝置，以確保工作的安全性。整套焊接系統(tǒng)的操作，包括工件的裝載和卸載，只需一個(gè)工人完成，從而最大限度地降低勞動(dòng)力成本。

2操作流程及專用夾具設(shè)計(jì)

根據(jù)焊接機(jī)械手使用的特點(diǎn)，結(jié)合客車部件焊接的操作規(guī)程來設(shè)計(jì)焊接機(jī)械手操作的流程。專用夾具應(yīng)保證工件精確定位、電動(dòng)靈活翻轉(zhuǎn)、快速模組切換、方便的卸料機(jī)構(gòu)、人力成本降至最低、安全保護(hù)裝置。

其中工裝活動(dòng)框架設(shè)計(jì)模塊化結(jié)構(gòu)，采用100X50X5及50X40X3空心矩型鋼管為框架主體結(jié)構(gòu)，保證框架與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接后自身強(qiáng)度，所有焊接后的工裝活動(dòng)框架模塊可以疊加存放節(jié)約生產(chǎn)空間。

專用夾具的制作精度要滿足使用要求。焊接變位機(jī)械的工作臺(tái)，多是作回轉(zhuǎn)和傾斜運(yùn)動(dòng)，焊件隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其焊縫上產(chǎn)生的弧線誤差，不僅與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和傾斜運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角誤差有關(guān)，而且與焊縫微段的回轉(zhuǎn)半徑和傾斜半徑成正比。焊縫距回轉(zhuǎn)、傾斜中心越遠(yuǎn)，在同一轉(zhuǎn)角誤差情況下產(chǎn)生的弧線誤差就越大。通常，焊接機(jī)器人的定位精度多在0.1～1mm之間，與此相匹配，焊件變位機(jī)械的定位精度也應(yīng)在此范圍內(nèi)。

3鐵路客車制造中焊接機(jī)械手的應(yīng)用

鐵路客車制造中常用的焊接機(jī)械手有下面兩種類型，一是無外圍裝置的焊接機(jī)械手，二是添加變位機(jī)和傳感器設(shè)備的焊接機(jī)械手，下面進(jìn)行具體探討。

3.1無外圍裝置的焊接機(jī)械手的應(yīng)用

無外圍裝置的焊接機(jī)械手就是標(biāo)準(zhǔn)的焊接機(jī)械手本體，其不包含任何變位機(jī)和傳感器系統(tǒng)，通常有6軸機(jī)械手，該系統(tǒng)適合焊接長(zhǎng)度在1.2m以下的需要較大焊接量的機(jī)車部件，鐵路客車轉(zhuǎn)向架的橫梁具有方形的幾何結(jié)構(gòu)，有4道焊縫，板材厚度在16mm，每個(gè)焊縫的長(zhǎng)度大約1.1m，具有V字形狀的坡口，需要焊接3層，因此所需要的焊接量非常大，在其焊接中配合使用焊接變位機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)械手的協(xié)同工作，這樣可以以最小的投資實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)架衡量的自動(dòng)焊接工作。

3.2添加變位機(jī)和傳感器設(shè)備的焊接機(jī)械手的應(yīng)用

3.2.1龍門配頭尾架變位器的焊接機(jī)械手的應(yīng)用

該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)為龍門架上懸掛標(biāo)準(zhǔn)的焊接機(jī)械手，龍門支持機(jī)械手可以在其上移動(dòng)6m左右，龍門下面是一個(gè)可以調(diào)節(jié)行程的頭尾架變位器，同時(shí)配置有電弧傳感器、接觸傳感器、自動(dòng)清理焊槍的外圍配置等，該機(jī)械手多用于客車構(gòu)架直側(cè)梁的焊接，直側(cè)梁厚度為16mm，長(zhǎng)度約4m左右，每道焊縫的長(zhǎng)度為4m，焊接層為3層，這種較大的焊接量為機(jī)械手的使用提供了空間，也顯示了機(jī)械手使用的優(yōu)越性。

3.2.2龍門配框架式雙軸變位機(jī)的焊接機(jī)械手的應(yīng)用

客車準(zhǔn)高速構(gòu)架側(cè)梁焊縫是曲線與直線的組合，而要保證機(jī)械手焊接的質(zhì)量，所有的焊縫應(yīng)該在水平位置進(jìn)行焊接，如果使用單軸變位器進(jìn)行焊接，就必須在曲線位置實(shí)施立焊，否則不能保證焊接的質(zhì)量。因此對(duì)于這樣的客車準(zhǔn)高速構(gòu)架側(cè)梁，應(yīng)該采取框架式變位機(jī)和龍門機(jī)構(gòu)相配合，使焊接機(jī)械手和焊接工件實(shí)現(xiàn)協(xié)同移動(dòng)，從而保證焊縫在水平位置進(jìn)行焊接，為了確保焊接作業(yè)以一定的速度效率進(jìn)行，使用效率比單絲焊高一倍的雙絲焊進(jìn)行焊接。

3.2.3配置L型雙軸變位器的懸臂式焊接機(jī)械手的應(yīng)用

動(dòng)車側(cè)梁、客車構(gòu)架的搖枕等工件的焊縫是一個(gè)閉環(huán)式的焊縫，如果使用頭尾架或框架式的焊接變位機(jī)，就會(huì)在卡具夾持部分形成一個(gè)焊接盲區(qū)，這種情況下使用L型雙軸變位器，以工件中心空位進(jìn)行夾緊固定，就可以實(shí)現(xiàn)水平焊接，由于焊接工件的長(zhǎng)度在3米左右，因此使用L型雙軸變位器的懸臂式焊接機(jī)械手對(duì)工件進(jìn)行焊接時(shí)，必須將工件兩端鎖死。

3.2.4配置懸臂式行走機(jī)構(gòu)焊接機(jī)械手的應(yīng)用

鐵路客車的車頂需要2條25m長(zhǎng)縱橫焊縫和28條3m長(zhǎng)的環(huán)焊縫，因此需要的焊接量很大，使用手工方式對(duì)車頂腰橫縫進(jìn)行焊接時(shí)，其質(zhì)量很難保證，為此需要使用在一個(gè)懸臂式行走機(jī)構(gòu)上懸掛2個(gè)焊接機(jī)械手，懸臂可以在地面上前后移動(dòng)30m的距離，懸臂上的2個(gè)焊接機(jī)械手就可以自動(dòng)地完成車頂所有的縱橫焊縫的焊接，使用激光傳感器對(duì)焊縫進(jìn)行跟蹤，這樣可以很好的保證焊接質(zhì)量。

3.2.5鋁合金客車部件焊接機(jī)械手的應(yīng)用

鋁合金客車的牽引梁、枕梁等工件中引入了焊接機(jī)械手進(jìn)行焊接，設(shè)備的基本組成為一個(gè)懸臂式焊接機(jī)械手固定在長(zhǎng)度為10米的軌道上并且可以移動(dòng)行走，在軌道和焊接機(jī)械手的下方搭建焊接平臺(tái)，鋁合金工件使用氣動(dòng)卡具固定在平臺(tái)上，配備激光傳感器的機(jī)械手負(fù)責(zé)對(duì)鋁合金工件進(jìn)行焊接，這樣可以獲得穩(wěn)定的焊接質(zhì)量和可觀的焊接速度。

結(jié)論

焊接機(jī)械手是國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用最為普遍的一種自動(dòng)焊技術(shù)，其焊接質(zhì)量和效率大大優(yōu)于手工焊和其它焊接專機(jī)。我公司今年引進(jìn)和推廣焊接機(jī)械手技術(shù)，是在客車制造行業(yè)制造工藝的一種突破，是由密集的手工制作向自動(dòng)化生產(chǎn)發(fā)展進(jìn)程的開始。焊接機(jī)械手的廣泛應(yīng)用對(duì)企業(yè)產(chǎn)能的迅速提升和產(chǎn)品品質(zhì)的保證奠定了基礎(chǔ)，一定程度上消除人員變化對(duì)企業(yè)發(fā)展的影響，對(duì)客車制造技術(shù)有很大的提升。

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（作者單位：中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司）