陳 望

（中車眉山車輛有限公司，四川眉山 620032）

1 背景

機(jī)器人作為20 世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，從誕生之日起就在各個(gè)領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展。1965 年，隨著美國(guó)麻省理工學(xué)院的Roborts 研發(fā)了帶視覺(jué)系統(tǒng)、具有簡(jiǎn)單識(shí)別和定位功能的機(jī)器人，機(jī)器人開始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域。進(jìn)入21 世紀(jì)后，工業(yè)制造開始向自動(dòng)化生產(chǎn)、智能化制造方面進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，導(dǎo)致機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，美國(guó)、德國(guó)、日本等制造業(yè)強(qiáng)國(guó)先后制訂了機(jī)器人發(fā)展方面的國(guó)家戰(zhàn)略，并推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，先后出現(xiàn)了如豐田公司全自動(dòng)化汽車生產(chǎn)線、富士康公司“黑燈工廠”、發(fā)那科公司的機(jī)器人制造機(jī)器人等機(jī)器人應(yīng)用的成功案例。

我國(guó)從20 世紀(jì)80 年代開始進(jìn)行機(jī)器人方面的研究，并在1987 年將機(jī)器人技術(shù)的研究列入國(guó)家“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。進(jìn)入21 世紀(jì)，我國(guó)面臨著從工業(yè)制造大國(guó)向工業(yè)制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的歷史機(jī)遇，2014 年，兩院院士大會(huì)指出“機(jī)器人革命”有望成為“第三次工業(yè)革命”的一個(gè)切入點(diǎn)和重要增長(zhǎng)點(diǎn)，將影響全球制造業(yè)格局；機(jī)器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。這表明我國(guó)已意識(shí)到機(jī)器人技術(shù)在科技革命和產(chǎn)業(yè)升級(jí)中所扮演的重要角色，也在政策層面上推動(dòng)了機(jī)器人技術(shù)在我國(guó)的研發(fā)和應(yīng)用。

2 機(jī)器人技術(shù)在鐵路貨車制造過(guò)程中的應(yīng)用歷程

盡管機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在汽車、電子電器、金屬加工、橡膠塑料和食品飲料等行業(yè)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的應(yīng)用，并取得了較好的效果，特別是在汽車制造行業(yè)，其擁有機(jī)器人的數(shù)量占全部工業(yè)機(jī)器人數(shù)量的50%以上，機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車制造的下料、壓型、焊接、噴涂、組裝等各個(gè)環(huán)節(jié)，個(gè)別工廠的自動(dòng)化率已達(dá)到97%以上。但是，作為同樣由下料、壓型、焊接、噴涂、組裝等工序組成的鐵路貨車制造業(yè)，機(jī)器人應(yīng)用的進(jìn)展卻非常緩慢。

鐵路貨車制造行業(yè)屬于典型的勞動(dòng)密集型行業(yè)，從業(yè)人員數(shù)量多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作中存在大量的簡(jiǎn)單重復(fù)勞動(dòng)，這些都是利用機(jī)器人替代人工的理想所在，但是機(jī)器人并沒(méi)有在鐵路貨車制造行業(yè)得到大規(guī)模的應(yīng)用，只是在局部的工序中進(jìn)行過(guò)一些探索和嘗試。

2000 年左右，德國(guó)卡爾克魯斯焊接技術(shù)有限公司率先進(jìn)軍中國(guó)鐵路貨車制造領(lǐng)域，利用CLOOS 焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了側(cè)架支撐座的自動(dòng)焊接，隨后該項(xiàng)技術(shù)被推廣到整個(gè)鐵路貨車制造企業(yè)。

在2003 年左右，國(guó)內(nèi)鐵路貨車制造企業(yè)先后利用CLOOS 焊接機(jī)器人進(jìn)行棚車車頂?shù)暮附雍屠肁BB 機(jī)器人進(jìn)行整車油漆噴涂，但由于鐵路貨車零部件的制造精度差、組裝定位夾具柔性不足、機(jī)器人定位和跟蹤技術(shù)不成熟、編程困難等原因，致使這些項(xiàng)目設(shè)備在短暫使用后都閑置了，這也導(dǎo)致以后的10 多年，國(guó)內(nèi)鐵路貨車制造企業(yè)在機(jī)器人應(yīng)用方面的嘗試和探索都顯得小心翼翼，謹(jǐn)小慎微，這也是機(jī)器人技術(shù)目前依然沒(méi)有在鐵路貨車制造行業(yè)得到大規(guī)模應(yīng)用的主要原因之一。

3 機(jī)器人技術(shù)在鐵路貨車制造過(guò)程中應(yīng)用的未來(lái)

3.1 機(jī)器人技術(shù)在鐵路貨車制造中大規(guī)模的應(yīng)用成為可能

（1）機(jī)器人的精度得到了提升。以發(fā)那科公司的FANUC Robot M-710ic/70 機(jī)器人為例，其控制軸數(shù)為6 軸，腕部可搬運(yùn)重量為70 kg，回轉(zhuǎn)半徑達(dá)2050 mm，其重復(fù)定位精度達(dá)到了±0.04 mm，這樣的精度等級(jí)完全能夠滿足鐵路貨車車體和零部件制造的需要。

（2）機(jī)器人的負(fù)重能力得到了提升。以發(fā)那科公司的M-2000iA/1200 機(jī)器人為例，其回轉(zhuǎn)半徑達(dá)3730 mm，最大負(fù)重能力達(dá)1200 kg，也就是說(shuō)這樣的機(jī)器人負(fù)重能力可以滿足90%以上的鐵路貨車制造零部件的搬運(yùn)需要，如果采用雙機(jī)聯(lián)動(dòng)方式，可以滿足98%以上的鐵路貨車零部件的搬運(yùn)需要。

（3）機(jī)器人的定位和跟蹤技術(shù)得到了提升。機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)除了定位精度和負(fù)重能力外，還包括定位和跟蹤技術(shù)，因?yàn)樵谥圃爝^(guò)程中工件不可避免的存在加工精度和定位組裝精度偏差，特別是在鐵路貨車制造領(lǐng)域，工件同一焊縫的位置誤差一般在1～20 mm，如果沒(méi)有可靠的定位和跟蹤技術(shù)，基本不可能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。目前機(jī)器人焊接領(lǐng)域常用的起始點(diǎn)尋位功能，以及電弧跟蹤和激光跟蹤技術(shù)都非常成熟，在實(shí)驗(yàn)室條件下，電弧跟蹤功能在焊接長(zhǎng)度為350 mm，焊接起點(diǎn)位置不變，終點(diǎn)沿水平面向外偏移60 mm 的情況下能夠跟蹤焊縫，并且焊接效果和無(wú)偏移時(shí)相比沒(méi)有明顯區(qū)別，完全能夠滿足工件焊接糾偏的需要，而激光跟蹤技術(shù)在跟蹤精度和速度方面更優(yōu)于電弧跟蹤。

（4）機(jī)器人的編程技術(shù)得到了提升。以前的機(jī)器人編程技術(shù)為示教編程，工人用示教器或者直接握住機(jī)器人手臂，讓機(jī)器人按所需軌跡走一遍，這樣機(jī)器人就能夠記錄該運(yùn)動(dòng)軌跡并重復(fù)執(zhí)行，但這種示教的編程方式對(duì)于復(fù)雜零部件的加工和自動(dòng)化生產(chǎn)來(lái)說(shuō)就不適用了。目前絕大多數(shù)廠家的機(jī)器人都具有離線編程功能，技術(shù)人員可以利用離線編程軟件進(jìn)行三維仿真編程，編程的難度大大降低。

（5）機(jī)器人的集成技術(shù)得到了提升。隨著機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，機(jī)器人按功能分類越來(lái)越細(xì)化，如Fanuc 機(jī)器人就按功能細(xì)分為點(diǎn)焊機(jī)器人，弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、材料加工機(jī)器人、機(jī)床上下料機(jī)器人、噴涂和涂裝機(jī)器人、物流搬運(yùn)機(jī)器人、拾取及包裝機(jī)器人等。通過(guò)個(gè)性化定制和功能集成，如機(jī)器人技術(shù)與焊接設(shè)備的集成、機(jī)器人技術(shù)與噴涂設(shè)備的集成等，再配上各種特定功能的軟件包，讓機(jī)器人的功能越來(lái)越強(qiáng)大，使用越來(lái)越方便。

（6）機(jī)器人輔助設(shè)備的制造技術(shù)得到了提升。如目前機(jī)器人滑臺(tái)等移動(dòng)機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位精度達(dá)到了±0.1 mm，變位機(jī)重復(fù)定位精度達(dá)到了±0.1 mm。另外夾具、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服柔性定位裝置、端拾器等輔助設(shè)備的制造精度也得到了大幅提升，幾乎達(dá)到了機(jī)床級(jí)的精度范圍。

3.2 機(jī)器人技術(shù)在鐵路貨車制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間

鐵路貨車制造企業(yè)是典型的勞動(dòng)密集型企業(yè)，人員需求多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境中存在焊接煙塵、鑄造粉塵、噪聲、漆霧和有機(jī)廢氣污染等，亟需實(shí)現(xiàn)“以機(jī)代人”把工人從繁重的勞動(dòng)和惡劣的工作環(huán)境中解放出來(lái)。同時(shí)在鐵路貨車各制造環(huán)節(jié)中存在大量如焊接、噴涂、切割、搬運(yùn)等可用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的工序，以80 t 級(jí)通用鐵路貨運(yùn)敞車為例，每臺(tái)敞車包含了約2114 條焊縫，焊縫總長(zhǎng)度達(dá)1027 m；有165 種，共562 件剪切件；有114種，共325 件折壓件，數(shù)控切割長(zhǎng)度為180 m，油漆使用量達(dá)289.9 kg，這些工序?yàn)闄C(jī)器人的應(yīng)用提供了廣闊的空間。

3.3 鐵路貨車制造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)使機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用成為必然

近年來(lái)，鐵路貨車制造企業(yè)由于產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，絕大多數(shù)企業(yè)長(zhǎng)期處于虧損或微利狀態(tài)。同時(shí)，機(jī)械制造企業(yè)“用工荒”的出現(xiàn)和勞動(dòng)力成本的大幅上升又使企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)雪上加霜。在這樣的環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提高生產(chǎn)效率，降低用工成本是鐵路貨車制造企業(yè)面臨的首要任務(wù)，而在制造環(huán)節(jié)使用機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)“以機(jī)代人”就成為絕大多數(shù)企業(yè)的必然選擇。

3.4 機(jī)器人技術(shù)在鐵路貨車制造行業(yè)應(yīng)用的強(qiáng)大動(dòng)力

隨著機(jī)器人產(chǎn)能的擴(kuò)大，機(jī)器人的價(jià)格出現(xiàn)了較大的下滑，以世界機(jī)器人領(lǐng)域的日本安川電機(jī)、發(fā)那科、德國(guó)庫(kù)卡、瑞士ABB 為例，在近10 年工業(yè)機(jī)器人價(jià)格由平均50 萬(wàn)元左右下降到目前的15～20 萬(wàn)元，而新松、埃夫特、埃斯頓等國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的價(jià)格已到8 萬(wàn)元以下，對(duì)于經(jīng)濟(jì)效益普遍不好的鐵路貨車制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，機(jī)器人價(jià)格的大幅度下降無(wú)疑在推動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的決策中起到了關(guān)鍵作用。

另外，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)已經(jīng)處于飽和期，汽車需求的下滑和汽車行業(yè)的全面調(diào)整已經(jīng)到來(lái)，這使得原服務(wù)于汽車行業(yè)的大量機(jī)器人集成供應(yīng)商不得不另謀出路，導(dǎo)致資金和技術(shù)流向鐵路貨車制造這樣的機(jī)器人應(yīng)用洼地，無(wú)形之中推動(dòng)了鐵路貨車制造行業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用。

4 實(shí)施建議

盡管無(wú)論從機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展還是鐵路貨車制造企業(yè)自身的需求看，機(jī)器人進(jìn)入鐵路貨車制造行業(yè)的機(jī)遇已經(jīng)到來(lái)，但是由于鐵路貨車制造企業(yè)在機(jī)器人應(yīng)用方面的技術(shù)積累較少，鐵路貨車制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益較差，因此鐵路貨車制造企業(yè)在機(jī)器人應(yīng)用方面應(yīng)采取先試點(diǎn)后推廣的謹(jǐn)慎態(tài)度。在焊接、噴涂、搬運(yùn)等作業(yè)中選擇作業(yè)人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣的工序進(jìn)行試點(diǎn)。通過(guò)試點(diǎn)，積累經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)人才，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人應(yīng)用從點(diǎn)到線、從線到面的突破。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和鐵路貨車制造企業(yè)自身發(fā)展的需要，機(jī)器人技術(shù)在鐵路貨車制造過(guò)程中應(yīng)用的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，鐵路貨車制造行業(yè)將成為繼汽車、家電、物流之后又一個(gè)機(jī)器人應(yīng)用的重要領(lǐng)域，也將隨著機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用和普及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升、產(chǎn)品質(zhì)量的提高和制造成本的降低，從而實(shí)現(xiàn)鐵路貨車制造企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的提升和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。