動車組開閉罩智能化組裝工藝可行性分析研究

趙峻松， 陽云帆， 杜立俠， 黃榮素， 張艷秋

（1.中車廣東軌道交通車輛有限公司，廣東新會529100；2.廣州鐵路（集團(tuán)）公司，廣州510088）

0 引言

動車組開閉罩又稱為動車組頭部導(dǎo)流罩，其流線形外部造型符合空氣動力學(xué)原理，左右開閉罩開啟后便于車鉤連接其它動車車輛，是動車組頭部的關(guān)鍵部件[1]。CRH6型動車組開閉罩體積大，物料重，而目前動車組開閉罩組裝主要依靠人力搬抬。現(xiàn)行的開閉罩組裝工藝，需要3人協(xié)同作業(yè)：兩人搬抬開閉罩并對準(zhǔn)動車組車體安裝位置，一人負(fù)責(zé)安裝緊固件；生產(chǎn)效率低，純?nèi)肆Π崽е匚锏膭趧訌?qiáng)度大，長時間的搬抬重物造成人力疲勞，同時易造成安全事故。

為了實(shí)現(xiàn)提高組裝工藝的穩(wěn)定性、作業(yè)安全性、生產(chǎn)效率和降低操作工勞動強(qiáng)度，有必要改進(jìn)現(xiàn)行開閉罩的組裝工藝，本文設(shè)想利用真空吸盤智能機(jī)器人代替人力來組裝開閉罩，實(shí)現(xiàn)開閉罩智能化組裝，提高組裝效率，節(jié)約人力，避免安全隱患。

1 工業(yè)機(jī)器人概述

機(jī)器人是一種通過編程，可以自動完成一定操作或移動作業(yè)的機(jī)器裝置。或者更確切地說，像人的上肢那樣高度靈活，能做復(fù)雜動作的機(jī)械[2]；它能接受人的指令而進(jìn)行作業(yè)，也能按預(yù)先編排的程序工作；它的任務(wù)就是協(xié)助或取代人類的工作，機(jī)器人的應(yīng)用范圍涵蓋制造業(yè)、建筑業(yè)、航天航空、物流業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、文體教育等多個領(lǐng)域；特別是在一些高危環(huán)境、污染環(huán)境中，機(jī)器人取代人類工作，彰顯意義非凡。

機(jī)器人英文名稱Robot，原意為“工人”，由于在工業(yè)領(lǐng)域中機(jī)器人廣泛地取代了工人，所以被稱為工業(yè)機(jī)器人。

機(jī)器人技術(shù)涉及機(jī)械、電子、計算機(jī)、材料、傳感器、控制技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門學(xué)科，機(jī)器人的發(fā)展是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。發(fā)展應(yīng)用機(jī)器人的目的在于：1）提高生產(chǎn)效率，降低人的勞動強(qiáng)度；2）機(jī)器人做人不愿意做或做不好的事；3）機(jī)器人做人做不了的事情[3]。

隨著工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展，傳感器技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人上廣泛使用，使機(jī)器人能夠利用傳感器感知外部世界，然后依靠自身的智能對外部環(huán)境的變化作出反應(yīng)，這種機(jī)器人被叫做智能機(jī)器人；智能機(jī)器人的四大組成部分為主控制器、傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行器[4]，一些機(jī)器人的執(zhí)行器類似人類的手臂，現(xiàn)代工廠中的焊接機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人一般都裝有一只靈活、強(qiáng)壯的“手臂”，稱為機(jī)械手，本文所述的真空吸盤機(jī)械手屬于智能機(jī)器人的一種帶有真空吸盤的機(jī)械手。

2 吸盤機(jī)器人在動車組裝行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

真空吸盤機(jī)器人在很多領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛，比如汽車制造行業(yè)的玻璃組裝機(jī)器人、車門組裝機(jī)器人，船舶制造行業(yè)的搬運(yùn)機(jī)器人等。真空吸盤機(jī)器人能模仿人手和臂的某些動作，可以按照固定的程序抓取、搬運(yùn)物件、操作工具，完成特定的工作。特別是在一些高溫、重負(fù)荷等惡劣的環(huán)境中，人力操作勞動強(qiáng)度大，易發(fā)生安全事故，真空吸盤機(jī)器人取代人力搬運(yùn)物料和產(chǎn)品，能夠降低人力成本、勞動強(qiáng)度，避免安全事故，提高生產(chǎn)效率。

雖然真空吸盤機(jī)器人在國內(nèi)外很多行業(yè)與領(lǐng)域里應(yīng)用廣泛，但是目前在國內(nèi)動車組裝行業(yè)的大設(shè)備組裝中使用較少。目前我司的CRH6型動車組開閉罩、車門、裙板等大部件組裝工藝自動化程度不高，組裝時主要靠人工抬著裝上車體。所以利用吸盤機(jī)器人技術(shù)改進(jìn)動車組大設(shè)備組裝工藝、實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)勢在必行。

3 開閉罩智能化組裝的技術(shù)方案

開閉罩智能化組裝的技術(shù)方案是利用吸盤機(jī)器人來搬運(yùn)和組裝動車組開閉罩。吸盤機(jī)器人系統(tǒng)分為吸盤機(jī)械爪、工業(yè)機(jī)器人、移動平臺等三部分。吸盤機(jī)器人系統(tǒng)工作原理如圖1所示，采用1臺工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人裝置上帶多個真空吸盤的機(jī)械爪，利用可萬向移動的電動小車裝載機(jī)器人；操作人員可利用遙控器指揮小車任意移動，可指揮吸盤機(jī)械爪抓取開閉罩實(shí)施短途搬運(yùn)和裝配作業(yè)。

由于開閉罩外形輪廓面為不規(guī)則曲面，所以必須設(shè)計專用的吸盤機(jī)械爪裝置，圖2為設(shè)計好的專用的開閉罩吸盤機(jī)械爪裝置，機(jī)械爪裝置上裝有多個真空吸盤，真空吸盤機(jī)械爪工作原理如圖3所示。

真空吸盤的工作原理是在吸盤和工件之間產(chǎn)生一個真空負(fù)壓，由于壓力差，工件被反壓在吸盤上；多個真空吸盤通過氣管連接真空壓力開關(guān)、單向閥、2位3通常通電磁閥、真空過濾器、真空泵，真空泵使吸盤和工件之間區(qū)域產(chǎn)生負(fù)壓；真空壓力開關(guān)打開后，吸盤松開工件；單向閥保證氣路單向流動，防止空氣進(jìn)入吸盤工作區(qū)；單向閥、2位3通常通電磁閥用于轉(zhuǎn)換氣流方向；真空過濾器過濾掉氣流中的灰塵和雜質(zhì)，保護(hù)真空泵。

圖1 吸盤機(jī)器人的工作原理圖

采用6軸工業(yè)機(jī)器人，工作范圍能到達(dá)空間任意位置；開閉罩理論質(zhì)量為54 kg，只要選擇一臺承載能力為100 kg左右、運(yùn)動半徑2 m左右的機(jī)器人即可滿足使用要求。

圖2 機(jī)械爪裝置

移動平臺安裝有4個麥克納姆輪和驅(qū)動電動機(jī)，能支撐吸盤機(jī)器人和搬運(yùn)的重物的總質(zhì)量。每個麥克納姆輪帶有一個驅(qū)動電動機(jī)，工作時4個電動機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的指令，能各自以各種不同的速度正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，促使麥克納姆輪滾動和滑動，可使移動平臺在地面上向任意方向行走，還能原地360°旋轉(zhuǎn)。這種移動平臺移動靈活方便，能在地面上任意位置作業(yè)。

整個系統(tǒng)的工作原理：由1名操作員利用遙控器指揮移動平臺行走到開閉罩存放區(qū)域；接著利用遙控器指揮吸盤機(jī)器人抓取一個開閉罩；然后再指揮移動平臺移動到動車組頭車位置，利用遙控器指揮機(jī)器人將開閉罩安裝孔與動車組車體上的安裝孔一一對齊；操作員指揮機(jī)器人鎖定開閉罩不動作，裝配好緊固件；最后指揮吸盤機(jī)器人松開開閉罩，并指揮移動平臺撤離工作現(xiàn)場，進(jìn)行下一項(xiàng)工作任務(wù)。

圖3 真空吸盤工作原理圖

利用吸盤機(jī)器人進(jìn)行開閉罩組裝僅僅是智能機(jī)器人在動車組行業(yè)應(yīng)用場景之一，我們同樣可以采用以上技術(shù)方案進(jìn)行動車組塞拉門、裙板、車下小設(shè)備等部件的組裝，即在動車組組裝的多個工序中利用智能機(jī)器人取代工人而實(shí)施智能化生產(chǎn)。

4 智能化生產(chǎn)的預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益

智能化生產(chǎn)的主要特點(diǎn)是“機(jī)器換人”。機(jī)器換人是以現(xiàn)代化、自動化的裝備升級傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，利用機(jī)械手、自動化控制設(shè)備或流水線自動化對企業(yè)進(jìn)行智能技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)減員、增效、提質(zhì)、保安全的目的。通俗地說，機(jī)器換人就是在用工緊張和資源有限的情況下，通過提升機(jī)器的辦事效率，來提高企業(yè)的產(chǎn)出效益[5]。同理，在動車組組裝工序中，實(shí)施“機(jī)器換人”的智能化組裝也能給企業(yè)帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益。采用本文所述的技術(shù)方案對動車組幾個工序?qū)嵤┲悄芑M裝，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期綜合經(jīng)濟(jì)效果。

動車組現(xiàn)行組裝工藝中：開閉罩需要3人，其中2人搬抬，另外1人安裝緊固件；塞拉門需要4人搬抬，另需1人安裝緊固件；裙板需要2人搬抬，另需1人安裝緊固件。

而使用智能化機(jī)器人可供開閉罩工序、塞拉門工序、裙板工序等3道工序使用。減少工人8名：開閉罩工序減掉2名工人，塞拉門減掉4名工人，裙板減掉2名工人。

在使用智能機(jī)器人過程中：1）只需1名工人指揮吸盤機(jī)器人完成組裝工序，工人的勞動強(qiáng)度降低80%；2）機(jī)器人取代人力搬抬重物進(jìn)行組裝，工傷事故發(fā)生概率趨近于0；3）3道工序原11名工人能省去8名工人，只需3人，節(jié)約人力成本73%。

5 智能化生產(chǎn)的預(yù)期社會效益

智能機(jī)器人的使用推動動車制造業(yè)創(chuàng)新與轉(zhuǎn)型，提升整個行業(yè)的生產(chǎn)效率，減少人工成本的投入。促進(jìn)產(chǎn)業(yè)從低端加工制造邁向高端加工制造。有助于增強(qiáng)我國動車組制造業(yè)的綜合競爭力。智能化生產(chǎn)能促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心能力仍然在制造上。科技的進(jìn)步使得制造的方式產(chǎn)生了巨大的改變，這種改變在很大程度上體現(xiàn)在制造方式上，智能成為了制造方式創(chuàng)新最大的主戰(zhàn)場。工業(yè)機(jī)器人、3D打印、智能終端、智能成套裝備成為這種智能化的重要特征[6]。顯然，動車組裝工藝的創(chuàng)新會對整個動車組制造領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，而動車組裝技術(shù)的智能化水平提升無疑會帶來不可估量的社會效益。

6 結(jié)論

利用吸盤智能機(jī)器人實(shí)施動車組開閉罩智能化組裝技術(shù)方案具有可行性，在動車組大設(shè)備組裝領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和使用價值。智能化生產(chǎn)必將引發(fā)動車組制造領(lǐng)域的工業(yè)革命。