李 偉,許 晗,程洪建

(中車眉山車輛有限公司,四川 眉山 620032)

0 引言

目前鐵路貨車長大部件組焊多采用人工組裝、焊接的生產(chǎn)方式,自動化程度低,存在用工量大、生產(chǎn)效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。受制于貨車制造零部件加工精度不高,工件一致性差的現(xiàn)狀,不能直接實施機器人自動搬運、焊接等“人機協(xié)同”項目,需要針對物料重復(fù)精度差、制造裝備定位不精準(zhǔn)等技術(shù)難點開展焊接尋位傳感、長大部件聯(lián)運、協(xié)同搬運軌跡補償?shù)茸詣踊P(guān)鍵技術(shù)研究,才能實現(xiàn)長大部件自動化生產(chǎn)[1-3]。隨著國民經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型升級,制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展成為國家戰(zhàn)略,鐵路貨車行業(yè)應(yīng)立足生產(chǎn)企業(yè)對大部件自動化生產(chǎn)線的迫切需求,依靠云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展,結(jié)合自動化搬運組焊、模塊化組裝、在線自動檢測等技術(shù)[4-6],將傳統(tǒng)制造工藝與現(xiàn)代工業(yè)智能機器人深度融合,創(chuàng)新鐵路貨車智能組裝生產(chǎn)線的核心技術(shù),加快企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型步伐。

1 典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

鐵路貨運已朝著高速重載方向發(fā)展,為實現(xiàn)更大的載重量,車體鋼結(jié)構(gòu)容積不斷加大[7],其零部件長度也在不斷增加,某些部件長達16 m。圖1為典型的板柱式側(cè)墻結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由1根長型材和數(shù)張板材拼裝而成。目前國內(nèi)新造企業(yè)均是依靠天車吊裝長大部件進行人工配合組裝、人工焊接,生產(chǎn)效率低,安全度低,勞動強度極高。

圖1 產(chǎn)品圖樣

2 制程工藝難點分析

將原有的生產(chǎn)制造工藝與預(yù)備融入的工業(yè)智能機器人應(yīng)用技術(shù)結(jié)合后,重新規(guī)劃了該典型長大部件生產(chǎn)工藝流程,如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)工藝流程簡圖

根據(jù)產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)特點,在整個產(chǎn)品制造流程規(guī)劃中,要實現(xiàn)此類長大部件的自動化生產(chǎn),其難點在于長大物料的聯(lián)運、自動分料傳輸、板(型)材協(xié)同搬運以及不規(guī)則曲線焊縫的自動化焊接。

2.1 物料聯(lián)運及傳輸難點

在多移動機器人系統(tǒng)中,搬運是其主要任務(wù)之一,在工業(yè)自動化過程、重物搬運中應(yīng)用廣泛[8]。但機器人完成自動搬運的前提是機械手拾取器(夾具)末端能準(zhǔn)確找到工位搬運位置,因此,待抓取的物料擺放必須整齊有序。如果在生產(chǎn)線額外安排人工擺放物料,不僅增加了成本,還占用了寶貴的制造工藝平面。對于某些長大的物料,根本無法實現(xiàn)抓取工位旁擺料。

2.2 雙機器人協(xié)同搬運難點

由于鐵路貨車制造企業(yè)特點,板柱式側(cè)墻工藝平面都很緊湊,上側(cè)梁型材、側(cè)板等板材型材搬運均不能采用單個大噸位機械手搬運,故考慮2套搬運機械手協(xié)作搬運。2臺搬運機械手分為主機、從機,采用同一個示教控制器編程,從機的運行軌跡坐標(biāo)依據(jù)主機末端運行坐標(biāo)生成;從機運行軌跡自動運算得出。多機器人搬運系統(tǒng)中,由于本身制造精度原因,不可避免重復(fù)精度偏差,相應(yīng)位置關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動同步速度也存在誤差,如2臺搬運機器人協(xié)同工作時,機器人1和機器人2的第4軸旋轉(zhuǎn)開始時間和旋轉(zhuǎn)速度不會完全相同,這就造成運動軌跡同步偏差。搬運過程中兩機械手同步偏差必然造成板材中途突然掉落。

2.3 不規(guī)則曲線焊縫自動焊

對于板柱式側(cè)墻M或N型不規(guī)則曲線焊縫,目前鐵路行業(yè)內(nèi)多采用人工焊接,且由于工件較大不利于翻轉(zhuǎn),焊縫位置都采用立向上(PF)和立向下(PG)焊接。這樣產(chǎn)生的問題就是立向上焊接焊縫成型很難良好,對焊工操作水平要求極高;立向下焊接后焊縫焊道偏窄,熔深偏淺。傳統(tǒng)的人工活性氣體保護焊已經(jīng)不能再適應(yīng)今后的質(zhì)量要求高、焊縫位置不規(guī)則、重復(fù)度較高的精細焊縫焊接。

3 關(guān)鍵技術(shù)點

根據(jù)大量試驗結(jié)果以及現(xiàn)場驗證,通過運用真空吸盤、接觸傳感器、光學(xué)傳感器、感應(yīng)式傳輸輥道、柔性協(xié)同搬運治具、PLC聯(lián)控等關(guān)鍵技術(shù)手段,可實現(xiàn)大部件的自動化搬運和組焊。

3.1 自定位聯(lián)運料架

為解決物料定位精度,實現(xiàn)在上工序高效填料(填料過程自定位)、聯(lián)運過程中定位精度不丟失、有足夠開闊的空間配合搬運機械手抓取物料等問題,設(shè)計制作了自定位聯(lián)運料架(見圖3)。

圖3 自定位聯(lián)運料架

料架由底架、固定端門、活動端門和仿形定位擋鐵共4個部分構(gòu)成。料架填料快捷、定位精確,在車輛運輸過程中不會丟失物料定位精度;且能與自動化生產(chǎn)線物料臺精確對接,提高了填料效率。

3.2 長直物料自動分料傳輸技術(shù)

由于組對工位型材板材數(shù)量較多,且為聯(lián)運料箱(架)存放,為充分壓縮、合理安排搬運組對工位的空間,將13 m長的型材上側(cè)梁存放在后工位,通過存放架傳送機構(gòu)將上側(cè)梁橫向移動,傳送機構(gòu)橫向軌道尾部兩端設(shè)置感應(yīng)停止傳感;上側(cè)梁型材兩端均感應(yīng)到位后,傳送機構(gòu)風(fēng)缸頂起,滾輪轉(zhuǎn)動,將上側(cè)梁沿縱向向前運輸,運輸軌跡上設(shè)置矯正滾輪;傳送軌道末端設(shè)置停止傳感,停止到位后傳送滾輪停止,傳輸線上的夾緊風(fēng)缸隨即卡緊。這樣就實現(xiàn)了密排上側(cè)梁自動分料、自動傳輸、自動定位型材自動分料傳輸裝置如圖4所示。

圖4 型材自動分料傳輸裝置

3.3 協(xié)同搬運柔性夾具補償技術(shù)

機械手本身的精度存在誤差,相應(yīng)位置關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動同步速度存在誤差,搬運過程中兩機械手同步誤差必然造成板材中途突然掉落。軟件層面不能解決同步誤差,為解決板材搬運不同步,進行了夾具柔性補償裝置研究,并制作了雙機協(xié)同搬運柔性夾具(見圖5)。

圖5 雙機協(xié)同搬運柔性夾具

設(shè)定所有軌跡以左側(cè)主機的夾具為基準(zhǔn),搬運過程中主機夾具處于鎖死固定狀態(tài),即主機夾具在三維空間不具備任何可位移量。從機夾具與機械手末端連接位置增設(shè)柔性彈簧裝置,在初始抓取板材時處于鎖緊狀態(tài),但當(dāng)識別到開始作搬運動作時,從機夾具鎖緊機構(gòu)放開,從機夾具在運動過程中處于平面內(nèi)游動狀態(tài)(3個自由度:X/Y/Z),在識別到搬運動作結(jié)束時,鎖緊機構(gòu)生效。實現(xiàn)了搬運終點位置的準(zhǔn)確性(見圖6)。

圖6 雙機協(xié)同搬運現(xiàn)場

3.4 焊縫激光視覺跟蹤技術(shù)

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。激光視覺傳感器模擬視覺功能來獲取焊縫的特征信息,獲取的信息量大,與工件不接觸,靈敏度和精度高,抗電磁干擾能力強,適合V、K、X形等常見坡口形狀。圖7為一種傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,利用激光作為主動光源照射在接縫坡口上,通過CCD攝像頭攝取接縫上的激光,并將圖像信號輸入計算機進行分析處理,以獲取接縫位置信息,并通過此信息識別焊槍與接縫之間的偏差量,運用控制算法得出控制信號,并將控制信號傳達給執(zhí)行機構(gòu),調(diào)節(jié)焊槍位置以實現(xiàn)焊縫跟蹤的目的。生產(chǎn)線選用具有抗干擾和反光技術(shù)的激光視覺跟蹤系統(tǒng),可穩(wěn)定提取母材的圖像輪廓,實現(xiàn)高反光情況下的穩(wěn)定測量。激光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)主要由激光傳感器和控制主機組成,激光傳感器用于焊縫信息的主動采集,控制主機負責(zé)焊縫信息的實時處理,并與工業(yè)機器人或焊接專機保持實時通信,同時具有尋位和跟蹤功能,滿足智能化焊接的需求。

圖7 激光跟蹤器結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 曲線焊縫自動焊接工藝研究應(yīng)用

型材側(cè)柱與型材上側(cè)梁是平面結(jié)構(gòu)的焊接型材A與具有異形結(jié)構(gòu)的型材進行角焊和對接焊焊接,焊縫F為具有M形異性焊縫焊接結(jié)構(gòu),包括:頭部M形焊縫、兩側(cè)豎直直線焊縫、曲線過渡水平直線焊縫(見圖8);分別標(biāo)記為:對稱的兩側(cè)曲線過渡水平直線焊縫,焊段1和焊段5;對稱的兩側(cè)豎直直線焊縫,焊段2和焊段4;頭部M形焊縫焊段3,如圖9所示。

圖8 典型焊縫位置示意

焊接采用多關(guān)節(jié)焊接機器人,重復(fù)定位誤差不大于0.1 mm,重復(fù)循環(huán)誤差不大于0.2 mm;具體關(guān)節(jié)數(shù)量視焊接工況而定,可以四關(guān)節(jié)或六關(guān)節(jié);焊接機器人能與焊接電源實時互聯(lián)通訊,當(dāng)末端關(guān)節(jié)焊槍通過激光視覺跟蹤器到達每一段焊縫起始位置時,能向焊接電源發(fā)出焊接規(guī)范調(diào)整指令,調(diào)用相應(yīng)的焊接參數(shù)進行焊接作業(yè)。

該焊接工藝在不規(guī)則焊縫焊接過程中,多種焊接模式、焊接參數(shù)自由切換,保證整段焊縫均勻一致。焊接過程中不需要人工干預(yù)便可實現(xiàn)產(chǎn)線的自動化。相較焊接專機,這種配合焊接機械手的連接工藝更適合多變化、變截面、多焊接位置復(fù)合的焊縫。焊縫無死區(qū)、無接頭,成型美觀,立向上與立向下焊接外觀成型基本一致。利用高頻擺弧立向下(PG)焊接的焊縫熔深達到平角焊(PB)位置熔深水平(見圖10)。

圖10 PG(立向下)位置熔深示例

4 效果驗證

本研究應(yīng)用載體為側(cè)墻生產(chǎn)線,通過技術(shù)升級改造后,該生產(chǎn)線在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、自動化程度、減員增效等方面都有了巨大的提升,具體指標(biāo)見表1。該長大部件生產(chǎn)流水線工序經(jīng)重排、作業(yè)內(nèi)容重切分、自動化改造后,滿足了板柱式側(cè)墻自動化組焊生產(chǎn)需求;實現(xiàn)了大部件有序傳輸、自動上料、自動焊接,人與機械裝備有效協(xié)同,如圖11、圖12所示。

表1 改造前后指標(biāo)提升對比表

圖11 生產(chǎn)線全貌

5 結(jié)論

在人工智能技術(shù)應(yīng)用的許多領(lǐng)域,面向人機協(xié)同的研究已呈增長態(tài)勢[9]。人機協(xié)同未來將是國家重點發(fā)展戰(zhàn)略,鐵路貨車制造領(lǐng)域未來將面臨人口紅利減少、技術(shù)工人不足的問題,運用人機協(xié)同的自動化技術(shù),對沖壓、組焊生產(chǎn)線進行優(yōu)化改善是最直接有效的降本途徑[10]。本文研究的大部件柔性補償協(xié)同搬運、激光實時跟蹤焊接、物料自動傳輸?shù)燃夹g(shù),能顯著降低勞動強度、提高制造效率和工位安全度,為鐵路貨車大部件流水線的自動化改造提供了技術(shù)參考。