游覽車轉(zhuǎn)向架自動化焊接系統(tǒng)探究

葉瓊 姜益民 魯靜 吳繼波

[摘? ? 要]本文主要是針對游覽車轉(zhuǎn)向架自動化焊接系統(tǒng)進(jìn)行研究，希望通過具體的研究，能夠?qū)τ斡[車轉(zhuǎn)向架自動化焊接系統(tǒng)有一個大致的了解，同時也能夠?qū)罄m(xù)的研究提供相應(yīng)的建議措施。

[關(guān)鍵詞]游覽車;轉(zhuǎn)向架;自動化焊接系統(tǒng)

[中圖分類號]U232 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）11–00–03

[Abstract]This paper mainly studies the automatic welding system of tour bus bogies， hoping that through specific research， we can have a general understanding of the automatic welding system of tour bus bogies， and also provide corresponding suggestions and measures for the follow-up research.

[Keywords]tour bus; bogie; automatic welding system

隨著時代的不斷發(fā)展，針對目前特種設(shè)備作業(yè)之中對于游覽車應(yīng)用需求的不斷增加，為了滿足整體的需求，就需要了解游覽車轉(zhuǎn)向架自動化焊接系統(tǒng)，這對于游覽車本身的安全性能夠起到有效的防護(hù)作用。

1 設(shè)備用途及特點(diǎn)

本游覽車轉(zhuǎn)向架自動化系統(tǒng)主要用于中車特種裝備指定轉(zhuǎn)架的自動焊接。在本次的設(shè)計(jì)中，其基礎(chǔ)條件是基于合理的安排產(chǎn)品工藝流程。基于各個工序之間的供求關(guān)系的合理分析，還需要讓實(shí)際的運(yùn)送變得更加的快捷與順暢。另外，基于操作性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等諸多因素的分析，將高互換性作為基本的準(zhǔn)則，這樣就可以在生產(chǎn)成本降低的同時，獲取對應(yīng)的質(zhì)量。

2 適用工件描述和對工件的要求

2.1 工件描述

工件外型如圖1和圖2所示。

2.2 機(jī)器人焊接系統(tǒng)對工件要求

工件被焊部位不應(yīng)有毛刺、銹蝕、翹曲、油污等影響焊接質(zhì)量的缺陷;各工件應(yīng)采用專用夾具進(jìn)行點(diǎn)定;各散件人工點(diǎn)固的定位誤差不大于3 mm;點(diǎn)定焊腳高度不大于3 mm，點(diǎn)定間隙不大于1 mm，點(diǎn)定間隙大于2 mm時需人工進(jìn)行打底焊接。

2.3 工件節(jié)拍計(jì)算

節(jié)拍計(jì)算基準(zhǔn)：機(jī)器人焊接速度450 mm/min，每條焊縫的起收弧時間1.0 s，每條焊縫的跳轉(zhuǎn)時間2.0 s，機(jī)器人進(jìn)槍及回位時間10 s，循環(huán)清槍時間20 s/次，焊縫進(jìn)行兩道焊接，單件焊接時間為2.8 h，詳細(xì)節(jié)拍計(jì)算請查看節(jié)拍計(jì)算表。此節(jié)拍表僅供參考，以實(shí)際節(jié)拍為準(zhǔn)。

2.4 機(jī)器人仿真

（1）端梁機(jī)器人焊接能夠?qū)崿F(xiàn)完整模擬，焊接可達(dá)率≥95%，因夾緊工裝的影響，少數(shù)幾條焊縫會存在焊接接頭，即不能一次性焊接完成。

（2）構(gòu)架總成對接焊縫及分組件焊接可達(dá)性分析，焊接可達(dá)率≥95%，因夾緊工裝的影響，少數(shù)幾條焊縫會存在焊接接頭，即不能一次性焊接完成。

3 機(jī)器人系統(tǒng)描述、操作流程及焊接工序

3.1 系統(tǒng)描述

系統(tǒng)構(gòu)成：機(jī)器人系統(tǒng)+L型變位機(jī)（兩套）+電氣控制+附件等。本系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、功能完善、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、美觀等特點(diǎn)，可以提升焊接的一致性和對應(yīng)的質(zhì)量，并且操作者的勞動強(qiáng)度得以降低，也可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提高。

3.2 操作流程

人工完成工件點(diǎn)定后，吊裝工件至L型變位機(jī)并將工件夾緊;操作者退出到安全位置并按預(yù)約按鈕，機(jī)器人按程序開始自動焊接;機(jī)器人焊接A工位時，人工裝夾B工位工件，裝夾完畢退出到安全位置并按預(yù)約按鈕;機(jī)器人焊接完畢，人工將工件吊離變位機(jī);如此循環(huán)。焊后進(jìn)行打磨[1]。

3.3 焊接工序

小組件人工組對，組對工裝由客戶自備;小組件進(jìn)入機(jī)器人工作站，進(jìn)行自動焊接;構(gòu)架人工組對，組對工裝由客戶自備;構(gòu)架上機(jī)器人工作站，進(jìn)行自動焊接。因空間狹小或工件本身干涉，焊槍無法對相應(yīng)焊縫進(jìn)行焊接的，由人工進(jìn)行補(bǔ)焊。

4 主要設(shè)備簡介

4.1 標(biāo)準(zhǔn)L型變位機(jī)

變位機(jī)采用湖南天一標(biāo)準(zhǔn)的1 000 kg L型雙軸變位機(jī)。變位機(jī)由機(jī)架由翻轉(zhuǎn)架以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和工裝部分構(gòu)成。其回轉(zhuǎn)部分由西門子伺服電機(jī)驅(qū)動+精密減速機(jī)組成，保證其回轉(zhuǎn)精度，翻轉(zhuǎn)由西門子伺服電機(jī)驅(qū)動+精密減速機(jī)，保證其能夠翻轉(zhuǎn)至焊接工件所需要任意角度位置。變位機(jī)機(jī)架由鋼材焊接退火加工而成，具備足夠的強(qiáng)度與剛性。

4.2 工裝說明

本設(shè)備工裝采用手動柔性工裝，操作簡單方便。工件定位采用底面及靠邊定位，在工件相應(yīng)位置分別布置壓緊點(diǎn)，用于壓緊工件。

5 機(jī)器人、焊接電源的主要技術(shù)參數(shù)

5.1 機(jī)器人介紹及技術(shù)參數(shù)

5.1.1 機(jī)器人系統(tǒng)主要構(gòu)成

FANUCM-10iD/8L機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、機(jī)器人示教器、機(jī)器人控制柜組成。

5.1.2 機(jī)器人本體的特點(diǎn)

①機(jī)器人利用鑄造結(jié)構(gòu)，通過有限元機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的分析，這樣就可以獲取相對優(yōu)異的堅(jiān)固剛性結(jié)構(gòu)，最終讓固定負(fù)載能力更佳。②基于日本FANUC的焊槍電纜與手臂綜合一體化弧焊機(jī)器人的使用，相比同類機(jī)器人，其高速度的運(yùn)動是最有效的，并且因?yàn)槠浜附z導(dǎo)線管之外的電纜都是在機(jī)器人手臂之中，所以這樣就可以減少工件、焊槍以及夾具之間電纜帶來的干擾，就算是狹小的焊槍，都很容易就伸入進(jìn)去。③驅(qū)動能力更優(yōu)秀，其本身擁有較高精度的監(jiān)測系統(tǒng)，也擁有大功率的伺服系統(tǒng)，這樣就可以確保良好的精度以及對應(yīng)的高動態(tài)特性。④在最佳位置安裝送絲結(jié)構(gòu)，直接將焊槍電纜藏于機(jī)器人手臂內(nèi)，焊絲送入焊槍電纜內(nèi)比較平直，可以有效提高送絲的順暢程度，提高焊接質(zhì)量。⑤六軸的伺服馬達(dá)均自帶有防碰撞檢測功能，無需外加任何防碰撞裝置。

5.1.3 機(jī)器人示教器與控制柜特點(diǎn)

機(jī)器人示教器與控制柜見圖3所示。

其主要特點(diǎn)在于：示教器操作方便、簡單易學(xué)，且支持中英文互換;減輕了自重，并巧妙的改變了示教器的重心，改善了整體的平衡性。控制柜具有性能高、響應(yīng)快、安全性強(qiáng)等特點(diǎn);支持多種標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制總線。

5.1.4 機(jī)器人系統(tǒng)介紹及其特點(diǎn)描述

設(shè)備的編程主要是利用菜單提示的方式，實(shí)施人機(jī)對話;操作界面利用中英文交替護(hù)患的模式;控制系統(tǒng)是工業(yè)單片機(jī)結(jié)構(gòu)，其本身運(yùn)行穩(wěn)定，并且功能強(qiáng)大，不容易受到病毒的干擾;模擬與數(shù)字輸入/輸出接口屬于開放式的，這樣可以確保利用網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)對于文件的管理，也可以滿足運(yùn)行監(jiān)視的要求;針對焊接專家系統(tǒng)而言，本機(jī)器人與品牌焊接電源通信保持相互的聯(lián)系，通過機(jī)器人，做好對應(yīng)的焊接速度、電流、電壓等參數(shù)的設(shè)定，這樣就可以獲取最佳的焊縫尺寸、成型以及熔深;機(jī)器人自帶32 MB內(nèi)存，方便用戶儲存數(shù)據(jù)文件，應(yīng)用在設(shè)備中，可至少儲存500套程序;焊接時出現(xiàn)斷弧，機(jī)器人能自動找到重新引弧的具體位置，具有位置記憶功能;具有粘絲自動解除功能[2]。

5.2 弧焊軟件包（ArcTOOL）

5.2.1 智能尋位功能包

在焊接之前，利用智能尋位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對工件定位點(diǎn)的查詢，ArcTOOL使用焊槍作為感應(yīng)裝置，而不需要在焊槍上安裝體積龐大的附加傳感器。在比較實(shí)際工件位置與程序設(shè)定位置之后，系統(tǒng)對路徑進(jìn)行修正。

FANUC具有獨(dú)特的接觸傳感功能，有自動尋找焊縫的跟蹤功能，從而解決工件初始定位偏差和工件本身不一致的問題。

在機(jī)械手電弧焊接過程中，機(jī)械手通常總是在同一軌跡中按被編程的運(yùn)動執(zhí)行，鑒于被焊工件預(yù)制件中經(jīng)常出現(xiàn)某些偏差，如夾緊裝置的定位誤差、焊接變形或者其它偏差，焊接前機(jī)械手必須搜索接頭位置。由于工件預(yù)制件的形狀和位置可能存在偏差或者在焊接期間變形，在焊接工藝過程進(jìn)行中，要求機(jī)械手跟蹤焊接接頭，正好對著焊接坡口。

5.2.2 電弧跟蹤功能

TAST（Through Arc Seam Tracking）電弧焊縫自動跟蹤功能，主要是利用自動補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行偏離的處理，利用縱橫向的機(jī)器人運(yùn)行軌跡進(jìn)行位置補(bǔ)償。由于是在線跟蹤，節(jié)拍時間將不受影響。并且結(jié)合TouchSensor功能包使用，可以達(dá)到最佳的效果。

參照基本的原理要求，就可以確保軌跡中心線一直都處于坡口的位置上，或是說在角焊縫的45°位置線上;同時保證焊槍在高度方向上的一致（如圖4所示）。該功能啟動時，相關(guān)數(shù)據(jù)的反饋和處理頻率是每12μs一次，跟蹤精度為0.1 mm。

5.2.3 多層焊接功能

多層焊接功能應(yīng)用于需要多層多道焊接的場所（如厚板焊接），使用多層焊接功能，可以實(shí)現(xiàn)多層焊接條件的預(yù)先設(shè)定，然后利用自動跟蹤功能，就可以滿足軌跡的跟蹤，并且做好數(shù)據(jù)的修正處理。

FAUNC多層多道焊接功能程序可以滿足大焊角焊縫的簡化，也可以實(shí)現(xiàn)多層多道焊接工序的示教。如果是選擇普通的變成方式，其工作量較大;但是在使用FAUNC多層多道焊功能程序之后，示教只需要針對第一層，其余的都可以按照焊接工藝來進(jìn)行對應(yīng)的產(chǎn)出。另外，其本身還能夠結(jié)合電弧跟蹤來加以使用;在第一層焊接的時候，通過電弧跟蹤功能，就可以實(shí)現(xiàn)偏差的有效糾正;基于其功能分析，也可以將第一層的偏差記錄下來，然后實(shí)現(xiàn)對于后續(xù)的補(bǔ)償，并且也可以將多層多道焊接中的焊縫位置偏差的問題解決掉。針對不同的焊接參數(shù)，還需要單獨(dú)的進(jìn)行設(shè)定，同時也可以基于工藝的實(shí)際需求，做好焊槍的擺動頻率、寬度以及波形等對應(yīng)的設(shè)定處理[3]。

6 結(jié)語

總而言之，通過對游覽車轉(zhuǎn)向架自動化焊接系統(tǒng)的分析，希望能夠滿足游覽車轉(zhuǎn)向架的焊接需求，最終提升工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉洋，莘海萍，郭繼祥.防止轉(zhuǎn)向架構(gòu)架漏氣的焊接工藝創(chuàng)新研究與分析[J].焊接技術(shù)，2020（7）：42-44.

[2] 莘海萍，劉洋，郭繼祥，等.某種轉(zhuǎn)向架側(cè)梁機(jī)械手焊接技術(shù)改進(jìn)[J].焊接技術(shù)，2020（5）：141-142.

[3] 梁昊，米彩盈.轉(zhuǎn)向架構(gòu)架局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化研究[J].機(jī)車電傳動，2020（1）：121-125.

[4] 劉道春.彈性元件在汽車懸架上的應(yīng)用[J].汽車工程師，2009（4）：52-54.

[5] 張旭博.基于混合動力汽車的主要構(gòu)件與形態(tài)關(guān)系研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.