高 加

(中鐵華鐵工程設(shè)計集團有限公司 北京 100000)

0 前言

中國軌道交通裝備制造業(yè)是創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型、強化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展的典型代表，是我國高端裝備制造領(lǐng)域自主創(chuàng)新程度最高、國際競爭力最強、產(chǎn)業(yè)帶動效應(yīng)最明顯的行業(yè)之一。未來我國軌道交通裝備制造業(yè)要形成完善的、具有持續(xù)創(chuàng)新能力的創(chuàng)新體系，仍需要在主要領(lǐng)域全面推行智能制造模式，以構(gòu)建具有世界領(lǐng)先的現(xiàn)代軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)體系。代表行業(yè)最高技術(shù)水平的高速列車制造企業(yè)正結(jié)合自身特點，不斷摸索智能化生產(chǎn)工藝技術(shù)，提出高速列車產(chǎn)品智能化制造方案，但目前距離實現(xiàn)高水平的智能化工廠還有較大的技術(shù)差距。

1 高速列車制造企業(yè)生產(chǎn)特點及其智能化生產(chǎn)

高速列車每節(jié)車輛由車體及車端連接、轉(zhuǎn)向架、牽引傳動系統(tǒng)、輔助電器系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)、內(nèi)裝結(jié)構(gòu)及車內(nèi)設(shè)施等組成[1]。高速列車的生產(chǎn)制造相較于一般的制造行業(yè)，具有生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜、生產(chǎn)系統(tǒng)龐雜、工藝流程長、生產(chǎn)周期長、質(zhì)量要求高等諸多特點,因此其生產(chǎn)智能化不能照搬一般制造企業(yè)的現(xiàn)成經(jīng)驗，需結(jié)合軌道交通制造行業(yè)的特殊性，從制造工藝的優(yōu)化入手，將信息化技術(shù)、智能制造設(shè)備、智能物流與軌道車輛制造工藝相融合，在各個制造模塊打造智能生產(chǎn)車間的基礎(chǔ)上，逐步建立一套覆蓋整個生產(chǎn)系統(tǒng)的、具有軌道車輛制造鮮明特點的智能制造系統(tǒng)。

2 高速列車智能化生產(chǎn)工藝研究

國內(nèi)整車制造企業(yè)主要完成車體及轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的制造和整車組裝調(diào)試生產(chǎn)，其他如牽引傳動、電器、制動、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等配套子系統(tǒng)則通過專業(yè)供貨商提供。高速列車制造工廠一般包括車體焊接加工系統(tǒng)、車體表面處理系統(tǒng)、總裝調(diào)試系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向架制造系統(tǒng)四大制造模塊。

高速列車整車制造主要工藝內(nèi)容包括：車體部分的焊接加工、噴砂處理、油漆噴涂等，轉(zhuǎn)向架部分的輪軸加工、驅(qū)動部件組裝、輪對壓裝、軸箱組裝、構(gòu)架焊接加工、構(gòu)架表面處理、轉(zhuǎn)向架組裝，車體的總組裝，整車落成調(diào)試。

2.1 車體自動化焊接、加工工藝技術(shù)

2.1.1鋁合金車體智能制造工藝流程

鋁合金車體制造主要包括側(cè)墻焊接、車頂焊接、底架焊接、端墻焊接等大部件的焊接和這些大部件組焊形成車體。其主要工藝流程如圖1所示。

圖1 鋁合金車體智能制造工藝流程

2.1.2鋁合金車體自動焊接工藝

鋁合金車體自動焊包括簡易自動焊、專機自動焊和機械手自動焊，其中簡易自動焊包括中心導(dǎo)向自動焊、靠模自動焊和軌道自動焊，專機自動焊持槍穩(wěn)定性較差，走行過程振動會帶來焊縫表面紋理不均，質(zhì)量相對較差，因此機械手自動焊專機成為鋁合金車體自動焊的主要焊接方法[2]。

鋁合金車體的側(cè)墻、車頂?shù)却蟛考膳c車身等長的大幅面(寬約500～600 mm)中空擠壓鋁合金型材插接組焊或板材組焊而成，焊縫均為縱向長直平行焊縫。鋁合金車體大部件采用龍門或懸臂式自動焊機，雙槍同時焊接，采用雙絲焊接，并配以工裝夾具對側(cè)墻和車頂?shù)却蟛考┖?。采用此種焊接工藝，提高生產(chǎn)效率的同時可控制焊接變形；在焊縫跟蹤上采用激光跟蹤的方法，持槍結(jié)構(gòu)牢固，焊接過程穩(wěn)定，焊接狀態(tài)一致性容易保證，焊接質(zhì)量好。

大部件焊接機器人具有3個或更多可編程的軸，主要包括機器人本體、控制柜、焊接電源(包括其控制系統(tǒng))、送絲機、焊槍、傳感系統(tǒng)等(見圖2)。

圖2 車體焊接機器人

2.1.3鋁合金車體自動加工

高速列車鋁合金車體的大部件如側(cè)墻窗口、門口，車頂空調(diào)機座開口等均需加工以保證總裝精度。目前國內(nèi)外鋁合金車體的長大型材及大部件加工普遍采用大型數(shù)控龍門加工中心來完成(見圖3)?？紤]到加工部件尺寸較長、易變形以及溫差等影響，加工系統(tǒng)應(yīng)配置自動測量系統(tǒng)以確保產(chǎn)品加工質(zhì)量。

圖3 車體龍門加工中心

鋁合金車體大部件宜采用雙工位鋁合金龍門加工中心，同時需要配套加工中心隔音房和加工中心配套裝置。鋁合金龍門加工中心在一次裝夾下能夠完成工件的銑、鏜、鉆、攻絲和鋸切等工作，且可保證同時加工兩個同樣或?qū)ΨQ工件。

2.2 車體表面處理工藝技術(shù)方案

2.2.1車體自動噴砂

工件表面的前期處理工作很大程度上決定了最終的噴漆效果。始終如一的表面粗糙度和清潔度可以保證油漆涂層達到最理想的附著效果。車體完成焊接后，需進行表面噴砂處理，保證后續(xù)車體的油漆質(zhì)量。

自動噴砂系統(tǒng)主要包括貯料斗、自動噴砂壓力罐、噴砂機器人、自動加料裝置等。噴砂機器人為該系統(tǒng)的核心。噴砂機器人可沿墻壁上的運行軌道在噴砂房內(nèi)移動，在機器人軌架上需設(shè)置獨立活動架，用來支持垂直伸縮機械臂在噴砂房內(nèi)的移動。機器人裝配的垂直臂和水平臂可指引噴嘴進行噴砂。機器人裝備8個軸，無人自動工作，動作靈活，可以伸到工件內(nèi)部對覆蓋難以清理的區(qū)域進行有效清理。系統(tǒng)丸料根據(jù)具體工件的噴砂要求而定。通過調(diào)整噴砂機器人的噴砂角度和距離以及噴砂壓力，保證噴砂后的表面可以達到理想的清潔度和粗糙度。

2.2.2車體噴漆系統(tǒng)

每個噴漆室共配備2個三維操作臺，室內(nèi)的兩側(cè)各1個，供車輛表面人工噴漆時操作者使用。平臺能沿車輛兩側(cè)軌道移動、升降及橫向伸縮。操作臺橫向伸出時操作者不需移步即可隨著橫移。對于不同型號尺寸的車輛，操作臺各個方向的運動范圍應(yīng)受控，以免人為誤操作碰壞車輛。要有垂直下落控制失靈時的應(yīng)急控制措施，手動自動兩用。

2.3 總組裝工藝技術(shù)方案

2.3.1車體總裝工藝流程

車體總組裝主要包括車頂、車底、車內(nèi)件安裝；車頂空調(diào)、配線與受電弓設(shè)備安裝；車下管線支架、制動系統(tǒng)、軸溫系統(tǒng)、車門、車窗、風(fēng)擋、地板、頂板、墻板、扶手、座椅、設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)等零部件的安裝，待組裝部件數(shù)量多，種類龐雜。其工藝流程如圖4所示。

圖4 車體總裝工藝流程

2.3.2智能化組裝工藝技術(shù)

(1)車體總組裝：總組裝車間采用流水臺位作業(yè)方式組織生產(chǎn)，在工藝上將整車裝配劃分為若干個工序，分配至各組裝臺位，根據(jù)工序配備專業(yè)技術(shù)人員，并使其按照規(guī)定的工序依次連續(xù)地投入到各項工作內(nèi)容，完成裝配工作。此種作業(yè)方法具有人員固定、工序固定、節(jié)拍化生產(chǎn)、流水化作業(yè)的優(yōu)點，可保證生產(chǎn)的連續(xù)性和均衡性，提高生產(chǎn)效率、保證裝配質(zhì)量。同時有利于企業(yè)與MES、ERP系統(tǒng)結(jié)合，通過每個作業(yè)臺位的智能終端系統(tǒng)，實現(xiàn)裝配現(xiàn)場與中控中心實時雙向溝通，及時調(diào)配物料，節(jié)省現(xiàn)場工作空間。

(2)車體預(yù)組裝線纜加工：采用全自動線纜加工生產(chǎn)系統(tǒng)(見圖5)，該系統(tǒng)配置中央控制系統(tǒng)軟件，能夠智能進行排產(chǎn)和排料，合理統(tǒng)一安排，由操作者確認執(zhí)行，機器人出料，出料后進行倒線，并將斷線分離后放置于輸送線上，輸送到機器人抓取位后由機器人對線盤進行自動上料。標(biāo)準盤帶有固定的電子標(biāo)簽，用于存儲倒線后的線纜線徑和長度，并且在系統(tǒng)中有相應(yīng)的信息流轉(zhuǎn)。倒線配置放線，長度計量，火花檢測，收線，通過火花檢測出原料斷點并提醒斷點分離，同時記錄線纜長度。將線束經(jīng)過匯線模，經(jīng)過切刀、自動膠帶纏繞機，直至成圈機，進入成品智能倉儲。

圖5 線纜自動加工生產(chǎn)線

2.4 轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)智能生產(chǎn)工藝

2.4.1轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接柔性生產(chǎn)線技術(shù)方案

構(gòu)架的焊接生產(chǎn)包括側(cè)梁、橫梁的組裝與焊接，構(gòu)架總成的組裝與焊接。構(gòu)架及側(cè)橫梁主要焊縫目前已普遍實現(xiàn)機器人自動焊接，要實現(xiàn)智能生產(chǎn)、建立構(gòu)架焊接智能生產(chǎn)系統(tǒng)，需重點解決側(cè)梁自動組裝、自動打磨等關(guān)鍵瓶頸工序的智能化生產(chǎn)問題。

(1)側(cè)梁自動組裝系統(tǒng)：側(cè)梁的組裝生產(chǎn)包括蓋板、立板、彈簧帽筒及內(nèi)筋板的組裝[2]。側(cè)梁自動組裝系統(tǒng)采用自動搬運機器人、懸掛式焊接多功能機器人及組裝胎組合完成裝配的方案(見圖6)。自動搬運機器人采用 6軸懸臂機器人，左右移動通過滑軌實現(xiàn)，其夾持單元根據(jù)板材規(guī)格尺寸的不同自動更換夾取頭。自動焊接多功能機器人選用 8 軸結(jié)構(gòu)，通過高自由度的鉸接軸和反應(yīng)快速的短手臂設(shè)計和空心軸中的腕關(guān)節(jié)連接軸的集成化焊槍連接器設(shè)計，在保證相對較大的工作范圍的同時，即使對于側(cè)梁內(nèi)腔某些難以接近的焊縫，也能以最佳焊槍角度完成焊接工作。

圖6 側(cè)梁自動組裝系統(tǒng)

(2)橫梁自動打磨系統(tǒng)：構(gòu)架橫梁焊接后需對焊縫進行打磨，打磨部位主要為縱向梁與橫梁鋼管及齒輪箱、電機、制動夾鉗等吊座與橫梁之間的焊縫，焊縫端頭的堆角焊需形成圓滑過渡形狀?？蛇x用直立安裝的6軸機械臂，配合1 臺單回轉(zhuǎn)一軸變位機，以最佳角度完成打磨工作。設(shè)定接觸力，然后在設(shè)定時間里，逐漸過渡到設(shè)定打磨力[3]。

(3)自動物流：焊接生產(chǎn)線板材供應(yīng)由AGV智能運輸從立體料庫運送至生產(chǎn)線組裝工位，生產(chǎn)線內(nèi)焊接工裝及工件的自動運輸由RGV智能運輸車、線邊料架及智能立體庫完成。

2.4.2構(gòu)架FMS智能加工系統(tǒng)

構(gòu)架FMS柔性智能加工系統(tǒng)由加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和控制管理系統(tǒng)組成。加工系統(tǒng)由若干臺數(shù)控龍門加工中心組成，采用全封閉的三軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)構(gòu)架上各種面及孔的鉆、銑加工。物流系統(tǒng)由物料傳輸及存儲裝置構(gòu)成，傳輸裝置具備上料工位、緩存工位及下料工位。采用RGV自動運輸車完成構(gòu)架的傳輸，在加工機床和托盤緩沖站之間進行物料搬運作業(yè)。控制與管理系統(tǒng)負責(zé)整條線的協(xié)調(diào)工作，具備產(chǎn)品分析、生產(chǎn)調(diào)度、系統(tǒng)管理、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)通訊的能力，將構(gòu)架的加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和控制管理系統(tǒng)有機結(jié)合組成FMS柔性智能加工系統(tǒng)，實現(xiàn)構(gòu)架的自動輸送、快速裝卡及自動加工。

2.4.3輪對智能化生產(chǎn)線

輪對智能化生產(chǎn)線采用全自動物流系統(tǒng)(見圖7)，車軸和車輪的加工、檢測、噴涂、輪對壓裝、軸承壓裝均全自動完成，齒輪箱組裝、軸箱組裝生產(chǎn)線采用半自動化方式，利用智能擰緊工具，配合智能化流水線，實現(xiàn)按節(jié)拍流水作業(yè)。除智能加工設(shè)備，加工組裝自動化的一個重要特點就是實現(xiàn)智能物流，利用桁架式抓取機械手、AGV智能運輸車、帶式輸送機構(gòu)等自動化物流和智能柔性輸送設(shè)備，實現(xiàn)部件在加工、檢測、噴涂、存放、安裝、組裝等物流環(huán)節(jié)的自動化。

圖7 輪對智能化生產(chǎn)線

3 智能工廠建設(shè)

智能生產(chǎn)是智能工廠建設(shè)的主體部分，在基本解決各生產(chǎn)子系統(tǒng)智能化生產(chǎn)問題的基礎(chǔ)上建設(shè)智能工廠。打造智能工廠需要實現(xiàn)如下幾個方面的內(nèi)容：制造MES、數(shù)字工藝平臺、物流倉儲配送系統(tǒng)、質(zhì)量QMIS系統(tǒng)、計劃排產(chǎn)系統(tǒng)、設(shè)備管理。

智能工廠的總體架構(gòu)解決方案，主要涵蓋智能設(shè)計、智能經(jīng)營、智能生產(chǎn)，大數(shù)據(jù)平臺，通過對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)集成，使得設(shè)計、經(jīng)營、生產(chǎn)制造各個環(huán)節(jié)互聯(lián)互通。

智能工廠能夠?qū)崿F(xiàn)客戶需求、產(chǎn)品設(shè)計、工藝、采購、制造、物流、售后整個價值鏈的高度集成，打破產(chǎn)品設(shè)計和制造之間的“鴻溝”，實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期中的設(shè)計、制造、裝配、物流等各個環(huán)節(jié)的協(xié)同，縮短產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計周期，降低設(shè)計到生產(chǎn)制造之間的不確定性，提高制造過程的效率，降低產(chǎn)品成本，實現(xiàn)對產(chǎn)品整個生命周期系統(tǒng)高效的管理。

4 結(jié)束語

通過對高速列車制造系統(tǒng)車體、表面處理、總組裝、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)構(gòu)架焊接制造、輪對加工組裝等主要生產(chǎn)車間智能化生產(chǎn)工藝技術(shù)研究，打造智能工廠，進一步建立智能生態(tài)系統(tǒng)，可有效解決高速列車整車制造企業(yè)資產(chǎn)效率、質(zhì)量、成本等問題，最終將加快市場響應(yīng)速度，擴大市場份額，提高利潤率與產(chǎn)品質(zhì)量。同時高速列車處于行業(yè)技術(shù)的最前沿，其智能化生產(chǎn)技術(shù)的實現(xiàn)對其他軌道車輛的智能制造也有一定的借鑒意義。