铁路货车板柱式侧墙智能化生产线研究

铁路货车板柱式侧墙智能化生产线研究

刘军祥  邹剑锋

中车长江集团科技开发分公司，湖北 武汉 430000

摘要：针对货车生产过程中存在的用工多、环境恶劣、质量不稳定、排放不达标等问题，开展“人机协同”科技项目的专项研究，通过采用机器人等自动化装备的应用并按精益生产的理念，实现可靠、高效、绿色、少人化生产，并为智能化、数字化转型奠定基础。

1、形势与需求

立足于铁路货车大部件生产企业对自动化生产线的迫切需求，研究以工业机器人为核心的智能组装生产线的关键技术，推进工业机器人在自动化生产装备中的集成应用并实现产业化和规模化发展。侧墙组成物料包含长直型材及大型板材，如上侧梁长达13米（170kg）、侧板（长5.5米宽1.2米，90kg）等，传统的龙门上料或天车配合人工上料都已不再适合目前快节奏的生产形势。因此，引进成熟的可协同搬运机械手成为必然选择。同时原有的焊接专机仅适合板柱结构焊缝，自动焊适应场合局限大，焊接盲区大,每台焊枪需要一人实时跟踪调整，且多年来侧柱与侧板、侧柱补强板间焊接气孔惯性质量问题一直没有得到解决，同样需要引进可靠的焊接机械手和新的焊接工艺进行升级。

2、关键技术研究内容

2.1 机器人选型

市面上的机器人形式多样，种类繁多，适用场景广泛，可以用在搬运、焊接、打磨、喷涂、装配、切割等工作中，要做到正确选用机器人，必须清楚的了解自身的需求及机器人的性能阐述、应用场景。机器人选型时需要考虑的因素包括负载、工作范围、自由度、定位精度、防护等级、电源功率等方面。

机器人负载包括工装夹具、目标工件、外部载荷力、扭矩等。

负载只有在机器人负载范围内才能保证机器人在工作范围内达到各轴的最大额定转速，才能保证机器人在运行过程中不会出现超载报警等。

应根据方案布局确定机器人的运动轨迹是否在工作范围内，一般在使用机器人时尽量不要太靠近机器人的极限工作位置，以防在实际工程安装调试过程中与理论方案出现差距，导致超行程报警。如果后期有规划需要，可以选择自由度高一点的机器人，以适应后期的应用拓展。

机器人的精度需求一般由应用决定，常用的是重复定位精度，重复定位精度指机器人循环过程中到达同一示教位置的误差范围，一般在0.5mm以内，广家会在机器人出厂前通过一系列的标定跟测试使其达到出厂标准的精度范围内。某些应用对机器人的轨迹精度也有要求，比如激光焊。可以通过辅助仪器来修正机器人的轨迹以提高精度，比如在弧焊应用中可以通过激光跟踪器进行跟踪，以修正离线编程轨迹及机器人自身误差造成的实际轨迹与焊缝之间的误差。在使用机器人做装配应用时，可以通过增加力传感器来修正机器人的工作路径及姿态。

机器人的防护等级在不同的应用场合有不同的标准, 比如在粉尘比较大的情况下就要对机器人以及机器人电柜进行防护处理 ，以免粉尘进入机器人，影响机器人的机械结构,如果粉尘进入机器人电柜，就会影响机器人电柜散热 ，导致电柜过热故障，损坏电气元件。 有暖水或水汽比较大的情况下，要考虑机器人的防护等级，一般机器人厂家会给出机器人的防护等级，在工作环境充满易燃易爆物时，机器人需要考虑带有防爆功能。还有热辐射电磁辐射干扰，机器人的抗干扰稳定性也需要考量。

电源功率须满足机器人自动化焊接所要求的高输出、高稳定性。在选择电源功率时应注意实际应用工况下电流持续密度。负载持续率过高不经济，过低影响工作站的稳定性。

2.2 焊枪选择

机器人焊枪须满足机器人自动化焊接所要求的高承载能力。对于焊枪而言，与焊接电源类似，也有其使用的负载持续率衡量其工作能力。在选择焊接电流时一定要结合连续工作的具体情况考虑焊枪的负载能力。由于通常机器人焊接的速度比较高，焊枪的优劣决定着焊接时电弧的稳定性，从而对焊接质量产生相应的影响。

2.3 夹具选择

因侧板长宽接近5.5米*1.5米，板材偏软，C80B不锈钢侧板更薄更软，经过论证，我们选择了用于表面平整的薄板结构波纹真空吸盘作为夹具末端。真空吸盘的优点是安全性较高、吸力强劲，能通过压力传感实现最低压力抱紧；真空吸盘不对对工件表面造成污染和伤害；缺点是受物料表面状态影响较大，不能有过多的灰尘、杂质等；自身也属于耗材，使用寿命短。

2.4 上侧梁自动传输方式

    上侧梁（13米长）要实现自动传输必须解决定位问题。我们将上侧梁存放在组对工位，通过存放架传送机构将上侧梁横向移动，两端设置感应停止传感；两端均到位后风缸顶起，滚轮转动，将上侧梁向前运输，运输轨迹上设置矫正滚轮；传送轨道末端设置停止传感，停止到位后传送滚轮停止，加紧风缸随即卡紧。这样就实现了上侧梁自动分料、自动传输、自动定位。

图1 上侧梁自动传送装置

2.5 激光视觉跟踪传感

激光接缝跟踪是通过激光视觉传感器采集接头坡口区域的图像信息,然后根据专门的图像处理算法识别接缝的中心位置和焊枪高度。激光视觉传感器模拟视觉功能来获取焊缝的特征信息, 获取的信息量大, 与工件不接触, 灵敏度和精度高, 抗电磁干扰能力强, 适合V;K;单边V;X等常见坡口形状。利用激光作为主动光源照射在接缝坡口上, 通过CCD摄像头摄取接缝上的激光, 并将图像信号输入计算机进行分析处理, 以获取接缝位置信息, 并通过此信息识别焊枪与接缝之间的偏差量,运用控制算法得出控制信号, 并将控制信号传达给执行机构, 调节焊枪的位置以实现焊缝跟踪的目的。生产线选用具有采用抗干扰和反光技术的激光视觉跟踪系统，可稳定的提取母材的图像轮廓，实现高反光情况下的稳定测量。英莱激光视觉焊缝跟踪系统主要由激光传感器和控制主机组成，激光传感器用于焊缝信息的主动采集，控制主机负责焊缝信息的实时处理，并与工业机器人或焊接专机保持实时通信，同时具有寻位和跟踪功能，满足智能化焊接的需求。

3 经济、社会效益

3.1 提高劳动生产率和焊接质量

板柱式侧墙智能组焊生产线，实现了劳动力减员,双班减员12人，每年节约人工成本180万元。投产至今累计完成700余件侧墙的焊接，焊接质量稳定、成型美观，深受客户好评。生产效率由人工吊运组对焊接的单班11台提升至单班14台，效率提升27%。

3.2 推广价值

本方案研究并应用激光跟踪传感技术、双协同机械手相互柔性补偿技术、大型物料自动传输定位技术均是针对铁路货车自身组焊特点，可形成标准化指南直接用于集团兄弟企业。这将加速铁路货车制造业向机械自动化、智能化、数字化转型进度。

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