程洪建

(中車眉山車輛有限公司 四川 眉山 620010)

0 引言

2015年以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型升級，制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展成為國家戰(zhàn)略，對于貨車行業(yè)而言，如何進(jìn)一步提升產(chǎn)品品質(zhì)，減少勞動用工，實現(xiàn)高效率生產(chǎn)成為企業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。焊接是貨車制造中最為重要的作業(yè)之一，目前貨車行業(yè)的焊接主要采用人工焊接或?qū)C(jī)焊接，自動化程度低，大量的焊接作業(yè)需要依靠人力來完成，存在用工量大、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。貨車制造行業(yè)零部件加工精度要求不高，舊翻轉(zhuǎn)設(shè)備、夾具機(jī)構(gòu)等工裝設(shè)備定位精度低，這些情況都使得鐵路貨車制造企業(yè)不能直接購買機(jī)械手實現(xiàn)自動化焊接，而是需要結(jié)合自身工藝特點進(jìn)行針對性的研究應(yīng)用。綜上所述，針對鐵路貨車制造領(lǐng)域焊接專機(jī)適應(yīng)性變差、人力資源短缺、工裝設(shè)備及物料精度差的問題，需要研究能實現(xiàn)在低重復(fù)精度條件下的自動化焊接傳感技術(shù)并應(yīng)用于制造產(chǎn)線上。

1 焊接機(jī)器人應(yīng)用難點分析

1.1 相對苛刻的零部件下料尺寸

下料尺寸精度是保證機(jī)器人組焊生產(chǎn)線連續(xù)穩(wěn)定工作的基本條件。但是部分企業(yè)受限于投資力度及產(chǎn)能重組階段性發(fā)展需求，無法立即進(jìn)行系統(tǒng)的改造，只能進(jìn)行試探性的局部試點，這就限制了工業(yè)機(jī)器人向各行業(yè)滲透的深度和廣度。

1.2 工件組裝的一致性

目前汽車制造工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線依靠的是夾具、定位銷孔聯(lián)合實現(xiàn)生產(chǎn)線工件的一致性。這些實現(xiàn)的前提是物料下料的精度以及夾具設(shè)備的可靠性。目前的機(jī)械手自動焊接應(yīng)用經(jīng)驗還不足以迅速應(yīng)對物料精度引起的超過2 mm的一致性偏差；且對于傳統(tǒng)老牌制造業(yè)來說，舊型號的焊接輔助變位翻轉(zhuǎn)裝置定位精度較差，這使得工件的一致性幾乎為零。

1.3 缺乏有經(jīng)驗的編程工程(技)師

由于信息技術(shù)的飛速發(fā)展，目前焊接技術(shù)已融入了計算機(jī)、機(jī)器人、微電子、激光等眾多前沿工業(yè)技術(shù)，它正朝著任務(wù)規(guī)劃、過程控制、質(zhì)量監(jiān)測智能化、自動化等方向發(fā)展。特別是近年來，機(jī)器人焊接技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。但就我國老舊傳統(tǒng)制造行業(yè)來說，相應(yīng)的焊接機(jī)械手操作技工嚴(yán)重缺乏，對于如何系統(tǒng)地、正確地、規(guī)范地運營機(jī)械手也沒有專業(yè)人才深入研究，在進(jìn)行相對復(fù)雜的程序編制時，不可避免地會產(chǎn)生奇異點(機(jī)器人手臂某兩個自由度重疊，造成自由度缺失)。奇異點會引起機(jī)器人在某個位置或區(qū)域失控，優(yōu)秀的編程工程(技)師經(jīng)過長期應(yīng)用能夠發(fā)現(xiàn)并消除奇異點。

2 傳感技術(shù)研究

根據(jù)調(diào)研，目前焊接機(jī)械手彌補位置偏差的唯一方法是采用傳感技術(shù)感知偏移量，從而實現(xiàn)變軌跡自動焊接。目前常用的跟蹤方式是電弧傳感、接觸傳感等。

2.1 電弧傳感

電弧傳感是以大電流、脈沖焊接為對象的計算方法，并與擺動動作同步的焊接電流取樣及作積分處理，指定數(shù)值參數(shù)進(jìn)行擺動。主要適用于中厚板對接坡口焊縫，通常伴隨接觸傳感一并使用。

2.2 接觸傳感

接觸傳感器的功能是在焊絲與母材(工件)之間加高壓，通過檢測通電來檢測母材(工件)位置。主要適用于中厚板角焊縫。

2.3 激光跟蹤傳感

激光接縫跟蹤是通過激光視覺傳感器采集接頭坡口區(qū)域的圖像信息,然后根據(jù)專門的圖像處理算法識別接縫的中心位置和焊槍高度。激光視覺跟蹤方式適應(yīng)各種規(guī)格板厚的對接、角接焊縫，但需要注意跟蹤器與工件干涉。

各種焊接傳感方式特征的對比如表1所示。

表1 各焊接傳感方式特征對比表

根據(jù)表1中的傳感器特性對比，結(jié)合公司生產(chǎn)部件的結(jié)構(gòu)特點分析，總結(jié)各傳感方式的最佳應(yīng)用場合如表2所示。圖1所示為中車眉山車輛有限公司生產(chǎn)的典型零部件，左側(cè)部件適合接觸傳感，右側(cè)部件適合激光跟蹤。

表2 鐵路貨車焊接傳感適應(yīng)場合對比表

圖1 鐵路貨車典型零部件

3 機(jī)械手與變位工裝配合研究

不同位置焊縫對車體運行安全的影響也不同，根據(jù)焊縫質(zhì)量等級的高低需要設(shè)計相應(yīng)的變位工裝配合焊接。例如：焊縫等級質(zhì)量特性較高的CPA級焊縫，通常需要內(nèi)部超聲波探傷或射線探傷，表面還要輔助磁粉探傷或著色滲透探傷。這類焊縫對內(nèi)部焊接質(zhì)量和表面成型連續(xù)性、一致性要求都很高，需要焊接過程中電弧跟蹤糾偏，且變位機(jī)需作為機(jī)械手直接外部軸實時變位以保證焊縫處于PA位置(平位置或船型焊位置)。表3所示為焊縫質(zhì)量等級與變位設(shè)備推薦匹配。

表3 焊縫質(zhì)量等級與變位設(shè)備推薦匹配表

圖2所示為枕梁焊接L型變位機(jī)，該變位機(jī)能與機(jī)械手配合，焊接過程實時變位翻轉(zhuǎn)。

圖2 枕梁變位機(jī)

4 上位控制系統(tǒng)應(yīng)用

上位監(jiān)控系統(tǒng)(Labview)使用G語言，可圖形化實時監(jiān)控工作間內(nèi)焊接參數(shù)變化情況。針對枕梁線載體自動化焊接的控制要點，分別從人、機(jī)、料、法四方面進(jìn)行了定制研究。定制的上位系統(tǒng)包含當(dāng)日當(dāng)班操作人員代碼(或公司職工號代碼)。焊接設(shè)備工作和焊機(jī)故障時均有漢字顯示；氣流量大小采用漢字顯示；焊接電流電壓圖表化顯示；焊接速度直接采用數(shù)字顯示。物料自動計數(shù)，即將缺料時報警。各焊接控制參數(shù)數(shù)字化存檔，參數(shù)每秒計數(shù)。

5 結(jié)論

根據(jù)對焊接傳感技術(shù)、輔助變位機(jī)特性以及除塵等方面研究，中車眉山車輛有限公司建設(shè)了鐵路行業(yè)內(nèi)首條柔性多品種枕梁全自動化組焊生產(chǎn)線，適應(yīng)各種車型枕梁部件的生產(chǎn)；將焊接機(jī)械手用于鐵路貨車中小型部件全自動量產(chǎn)焊接，實現(xiàn)了小部件內(nèi)腔拐角焊縫、不規(guī)則曲線焊縫、短小焊縫的自動化焊接。在保證產(chǎn)能的前提上，焊接質(zhì)量大幅提升，加入傳感技術(shù)后焊縫成型優(yōu)良，無焊偏現(xiàn)象，實現(xiàn)了工件信息編碼與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的互聯(lián)。