軌道車(chē)輛門(mén)框焊接和銑削機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)線的研究與應(yīng)用

史旭東，位云成，薛金森

(1.南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南京　211167；2.康尼機(jī)電股份有限公司 技術(shù)中心，南京　210013)

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軌道車(chē)輛門(mén)框焊接和銑削機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)線的研究與應(yīng)用

史旭東1,2，位云成2，薛金森2

(1.南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南京211167；2.康尼機(jī)電股份有限公司 技術(shù)中心，南京210013)

針對(duì)門(mén)框焊接和銑削加工的特點(diǎn)，研制了一條機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)線，介紹了生產(chǎn)線的平面布局、工藝流程以及關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)生產(chǎn)線的主要工藝設(shè)備進(jìn)行了闡述。該生產(chǎn)線通過(guò)系統(tǒng)集成的方式將多種先進(jìn)功能單元有機(jī)地組合在一起，使門(mén)框生產(chǎn)制造中焊接、銑削以及在線檢測(cè)等關(guān)鍵工序集中在同一生產(chǎn)線上完成，有效地提高了焊縫精度和銑削質(zhì)量，為企業(yè)提供了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

焊接機(jī)器人；銑削機(jī)器人；自動(dòng)化生產(chǎn)線；自動(dòng)裝卸料；在線檢測(cè)

0　引言

在軌道交通飛速發(fā)展的大趨勢(shì)下，軌道車(chē)輛門(mén)框的需求也越來(lái)越大，傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)和制造已不能滿足市場(chǎng)需要。工業(yè)機(jī)器人能夠提高軌道車(chē)輛門(mén)框焊接、銑削的效率和質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，因此得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但是，目前用于門(mén)框焊接和銑削機(jī)器人的生產(chǎn)線仍存在有一些問(wèn)題，主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)焊接機(jī)器人的生產(chǎn)線很難保證焊縫的精度，銑削機(jī)器人的生產(chǎn)線很難保證銑削的精度，導(dǎo)致焊接和銑削質(zhì)量的可靠性較低。

(2)焊接和銑削兩道工序在不同的生產(chǎn)線上進(jìn)行，工件定位的可靠性不高，自動(dòng)化程度較低，人工裝卸，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

要解決上述問(wèn)題，必須要把焊接和銑削的工序集中在同一生產(chǎn)線上完成，并且采用焊縫自動(dòng)跟蹤單元、銑削自動(dòng)補(bǔ)償單元、在線自動(dòng)檢測(cè)單元等先進(jìn)系統(tǒng)集成，來(lái)解決焊接生產(chǎn)線焊縫精度較差、焊接和銑削質(zhì)量不可靠的問(wèn)題，本文所述生產(chǎn)線正是基于這樣的背景下提出的。

1　生產(chǎn)線平面布局及工藝流程

1.1平面布局

整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線主要由1套焊接機(jī)器人系統(tǒng)、1套銑削機(jī)器人系統(tǒng)、1套上下料機(jī)器人系統(tǒng)、1套焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、1套銑削自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、1套銑削自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)、1套在線質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、1套合格品與不合格品自動(dòng)分流系統(tǒng)、2套門(mén)框氣動(dòng)夾具系統(tǒng)、2套數(shù)控變位機(jī)，以及1套集中控制系統(tǒng)和1套安全防護(hù)系統(tǒng)等組成。其平面布局圖如圖1所示。

1.K型變位機(jī) 2.門(mén)框氣動(dòng)夾具系統(tǒng) 3.端拾器、銑削頭緩存臺(tái) 4.人工打磨 5.在線質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) 6.合格品與不合格品自動(dòng)分流系統(tǒng) 7.可移動(dòng)式工件存放臺(tái) 8.大工作臺(tái) 9.上下料機(jī)器人系統(tǒng)、銑削機(jī)器人系統(tǒng)、銑削自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、銑削自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng) 10.可移動(dòng)式拼裝工件存放臺(tái) 11.集中控制系統(tǒng) 12.機(jī)器人電源 13.焊機(jī)(含冷卻水箱) 14.焊接機(jī)器人系統(tǒng)、焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng) 15.安全防護(hù)系統(tǒng)

圖1生產(chǎn)線平面布局圖

1.2工藝流程

生產(chǎn)線工藝流程如圖2所示。

圖2　工藝流程圖

2　生產(chǎn)線技術(shù)要求

2.1加工節(jié)拍

門(mén)框型材以南京4號(hào)線左右門(mén)框?yàn)槌跏荚O(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)收依據(jù)，節(jié)拍≤6min(含裝卸料)，每班需滿足80套的加工能力(左右門(mén)框各40件)，每天為三班制，生產(chǎn)效率≥90%。

生產(chǎn)線加工節(jié)拍如表1所示，考慮到在焊接過(guò)程中可以同步完成上、下料和已焊好門(mén)框的銑削，因此一次循環(huán)周期約為320s，滿足節(jié)拍≤6min的要求。

表1　生產(chǎn)線總體加工節(jié)拍

2.2產(chǎn)品換型要求

該自動(dòng)生產(chǎn)線線滿足南京4號(hào)線左右結(jié)構(gòu)門(mén)框的焊接和銑削要求(左、右門(mén)分別生產(chǎn))，并且通過(guò)快速調(diào)整或更換夾具、程序等，能夠輪番生產(chǎn)類似規(guī)格的其他6種門(mén)框產(chǎn)品，調(diào)整時(shí)間要求在30min以內(nèi)完成。

2.3焊接要求

焊接后的門(mén)框主要技術(shù)要求如表2所示。

表2　門(mén)框焊接要求

除上述表格的要求外，焊接后的門(mén)框還有以下要求：不允許存在焊縫裂紋、角焊縫高度不夠等情況；每扇門(mén)上不允許存在焊縫偏離接縫中心、燒穿、弧坑、咬邊等焊接缺陷；需嚴(yán)格控制自動(dòng)線自動(dòng)焊接的質(zhì)量，無(wú)須人工補(bǔ)焊；焊接后門(mén)框長(zhǎng)度和寬度方向誤差均應(yīng)不大于±0.5mm；前檔與上檔有錯(cuò)位時(shí)，需保證前檔在外部；下檔與前擋、后擋有錯(cuò)位時(shí)，需保證與后檔一致，沒(méi)有錯(cuò)位；所有型材厚度方向錯(cuò)位量不得大于0.1mm。

2.4銑削要求

銑削后門(mén)框的主要要求：銑削后焊縫高度均不高于周邊門(mén)框0～0.3mm，表面粗糙度為6.3μm；門(mén)框表面焊疤修磨平整，不得出現(xiàn)打磨凹坑，不得有未修磨焊疤以及局部凸起。

3　生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)

3.1焊接機(jī)器人系統(tǒng)

采取了高精度的焊接機(jī)器人、MIG焊接系統(tǒng)與焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)一起組成。通過(guò)氣動(dòng)夾具和數(shù)控變位機(jī)，對(duì)門(mén)框型材進(jìn)行自動(dòng)焊接。降低了型材的接縫要求，大幅度提高了焊接的質(zhì)量，降低了人工補(bǔ)焊的次數(shù)，提高了生產(chǎn)線的效率。

3.2銑削機(jī)器人系統(tǒng)

采取了高精度的銑削機(jī)器人、電主軸與銑削自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)一起組成。通過(guò)氣動(dòng)夾具和數(shù)控變位機(jī)，對(duì)門(mén)框型材平焊縫進(jìn)行自動(dòng)銑削。解決了機(jī)器人精度不能滿足銑削高度0.1mm以內(nèi)的要求，提高了銑削的精度和質(zhì)量，減少了物料周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。

3.3在線質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

采取了高精度、高分辨率的影像系統(tǒng)，結(jié)合類似三坐標(biāo)的測(cè)量方法，與專用軟件一起組成，與門(mén)框理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)進(jìn)行掃描、檢測(cè)和分析，對(duì)型材多數(shù)型位公差、主要外形尺寸、部分焊接質(zhì)量和銑削質(zhì)量等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，并自動(dòng)判定合格與否，并自動(dòng)分流和報(bào)警。

4　主要工藝設(shè)備

4.1K型變位機(jī)

與普通的變位機(jī)相比，為了保持大回轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)到位后能夠精確定位，設(shè)計(jì)有自動(dòng)機(jī)械定位機(jī)構(gòu)，采用圓柱銷定位方式，回轉(zhuǎn)精度可以控制在R500mm處小于0.03mm。K型變位機(jī)如圖3所示。

圖3　K型變位機(jī)

4.2通用焊接夾具

夾具主要分為左右門(mén)框的焊接氣動(dòng)夾具和銑削氣動(dòng)夾具。與自動(dòng)翻轉(zhuǎn)裝置連接時(shí)采取子母式結(jié)構(gòu)，并具有防錯(cuò)結(jié)構(gòu)，能夠快速定位夾緊，不需要人工二次校正，但保留了外圍部件用的校正裝置，所有夾具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)保持一致或通用。電器控制線采取航空插頭形式，使夾具能夠快速連接和更換。能夠快速手動(dòng)完成工裝的角度調(diào)整門(mén)框?qū)挾鹊脑O(shè)定。調(diào)整工裝和程序時(shí)間不超過(guò)30min。

設(shè)備外形尺寸大約2500mm×1150mm×230mm。機(jī)架由100mm的方管做為骨架、定位工裝板的基板由16mm厚鋼板制作，完成以后進(jìn)行退火處理保證設(shè)備的穩(wěn)定性。夾具模型圖如圖4所示。

1.門(mén)框 2.旋轉(zhuǎn)臂 3.軸承座 4.連桿 5.推緊裝置 6.定位盤(pán) 7.氣缸8.夾具安裝板

圖4夾具模型圖

4.3門(mén)框檢測(cè)專機(jī)

門(mén)框檢測(cè)專機(jī)由導(dǎo)軌、電缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、測(cè)距傳感器、相機(jī)構(gòu)成。主要檢測(cè)項(xiàng)目為門(mén)框焊接銑削以后的質(zhì)量(表面的氣孔、漏焊)、門(mén)框的尺寸公差等。門(mén)框檢測(cè)相機(jī)安裝在機(jī)械臂上面，由直角坐標(biāo)機(jī)器人對(duì)焊縫、銑削質(zhì)量及焊接缺陷(氣孔、漏焊)進(jìn)行檢測(cè)。工件到位以后，氣缸將工件自動(dòng)定位，檢測(cè)相機(jī)旋轉(zhuǎn)180°依次對(duì)下平面進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方式是人工先進(jìn)行打磨再進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

測(cè)量表面輪廓上的高度、寬度及間隙，還可8點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。具有混合測(cè)量模式及計(jì)算方式，以滿足各種需求。檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的門(mén)框檢測(cè)數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)、輸出，便于需要時(shí)進(jìn)行追述。

圖5　門(mén)框檢測(cè)專機(jī)簡(jiǎn)圖

4.4控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)主要完成門(mén)框的自動(dòng)拼裝、焊接、銑削及檢驗(yàn)的自動(dòng)化生產(chǎn)控制。系統(tǒng)采用進(jìn)口PLC為核心控制單元，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各工位分散的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)采用主從集散式控制方案，主從站間采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接方式，確保數(shù)據(jù)通訊的完整性、實(shí)時(shí)性、可靠性。通過(guò)與主控制系統(tǒng)的通訊，完成系統(tǒng)各部分的時(shí)序控制與邏輯協(xié)調(diào)。實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的精確、高效、穩(wěn)定。

本系統(tǒng)在進(jìn)口軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)線工藝需求進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)，通過(guò)主從控制器的合理規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)將復(fù)雜的控制系統(tǒng)分解。系統(tǒng)在最后一個(gè)工件被取走后，自動(dòng)報(bào)警，提醒相關(guān)人員換送料小車(chē)。本系統(tǒng)人機(jī)界面友好，易于操作。系統(tǒng)如圖6所示。

圖6　控制系統(tǒng)

5　結(jié)束語(yǔ)

本文所述生產(chǎn)線主要用于軌道車(chē)輛門(mén)框的焊接和銑削加工，自動(dòng)化程度較高，具有焊縫自動(dòng)跟蹤單元、銑削自動(dòng)補(bǔ)償單元和在線檢測(cè)單元。圖7為軌道車(chē)輛焊接和銑削機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線焊接和銑削加工現(xiàn)場(chǎng)，目前該生產(chǎn)線已經(jīng)正式投入使用生產(chǎn)使用，加工節(jié)拍控制在6min以內(nèi)，加工精度和效率均達(dá)到了預(yù)期的功能。

該生產(chǎn)線能夠通過(guò)快速更換夾具和處理過(guò)程，解決焊接生產(chǎn)線焊縫精度較差、焊接質(zhì)量不可靠等問(wèn)題，

采用系統(tǒng)集成的方式將焊接和銑削的工序集成在同一生產(chǎn)線上完成，節(jié)省了人力資源，提高了勞動(dòng)效率，更進(jìn)一步的促進(jìn)了生產(chǎn)制造的自動(dòng)化進(jìn)程，符合綠色工業(yè)的要求，具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景。

圖7　焊接和銑削機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)

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(編輯趙蓉)

Research and Application of Automatic Production Line with Robot System for Railway Vehicle Frame Welding and Milling

SHI Xu-dong1,2, WEI Yun-cheng2, XUE Jin-sen2

(1.College of Mechanical Engineering, Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China;2.Kangni Mechanical & Electrical Co.,Ltd., Nanjing 210013,China)

According to the characteristics of the frame welding and milling,this paper develops a robot system of automatic production line introduces the layout, technological process and key technology of the production line,and describes the main process equipment of production line.The production line combines multiple advanced functional units together with the way of system integration,makes welding,milling and on-line detection and other processes completed in the same production line.The production line improves the precision of weld and the milling quality effectively so that the enterprise gets a considerable economic benefits.

welding robot; milling robot; automatic production line; automatic loading and unloading material; on-line detection

1001-2265(2016)07-0143-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.040

2015-08-04；

2015-09-07

史旭東(1968—)，男，江蘇溧陽(yáng)人，南京工程學(xué)院高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械加工工藝與自動(dòng)化設(shè)備，(E-mail)shixudong@live.cn。

TH165;TG659

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