鐵路貨車枕梁自動化焊裝生產線

湯哲 李銅 程洪建 賈羅云 曾亮 唐磊

摘要：針對鐵路貨車枕梁設計了一條自動化焊裝生產線，依據焊接制造工藝設置不同的工位和物流措施，達到流水線作業模式。通過自動化、數字化控制系統，管理和控制上料、組對、焊接、下料等一系列工藝過程，通過控制系統收集現場設備的工作狀態和焊接過程實時數據，并通過總線方式上傳到中控系統，以數字化信息顯示過程狀態;通過與MES系統接口，實現了對生產線及生產過程的集中監控。

關鍵詞：枕梁;數字化;焊接生產線

中圖分類號：TG409 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）04-0048-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.09

0 ? ?前言

自動化流水線作業方式普遍適用于焊裝生產過程，特別是在汽車領域和高鐵動車組領域。目前機車車體的許多部件，如枕梁、邊梁、箱型梁、弦梁等，均已實現了自動焊[1-4]，然而鐵路貨車的自動化應用還略顯落后。隨著數字化經濟的逐漸深入發展，為順應產品制造過程自動化、產品質量控制數字化和產品質量可追溯等一系列要求，鐵路貨車領域也逐漸走上自動化生產、數字化管理應用發展的道路。

1 產品

枕梁是鐵路貨車車廂底架上的受力結構件，枕梁組成是影響車體與轉向架落成質量的最關鍵因素之一，其制造質量直接影響產品的制造質量[5]。C70車型枕梁產品如圖1所示。

該產品均由異形鋼板拼裝焊接而成，焊縫接頭連接形式主要是角焊縫，實現其自動化生產、數字化管理方式是現階段產品生產主要考慮的發展方向。自動化生產包含自動上料、自動物流、自動焊接、自動下料等一系列過程;產品型號切換數字化管理，過程數據、狀態信息數字化查看并匯總集中顯示是生產線的基本要求。

2 工藝路線

枕梁焊裝生產的工藝路線如圖2所示。

（1）上料：通過半自動方式將物料按要求放置在約定區域，機器人通過程序控制實現對物料的分揀并搬運到指定的工裝位置上。

（2）組對：將下蓋板、腹板、隔板按圖紙要求在定位工裝的約束下，通過人工焊接實現點固。

（3）焊接：點固后的產品通過機器人自動搬運到機器人焊接工位，雙機器人焊接系統實現對產品焊縫滿焊。

（4）補焊檢查：焊接完成后的產品通過機器人搬運到補焊工位，此工位主要焊裝小附件，同時解決機器人焊接工位遺留的未焊接完成的焊縫和焊接缺陷。產品質量外觀檢查在焊接完成后進行。

（5）出料：檢查合格后的產品利用機器人搬運并自動碼垛。

3 生產線布局

根據產品的結構特點、焊接過程控制要求、生產節拍要求及車間面積實際使用情況，整體布局設計為：腹板分料放置架工位、下蓋板分料放置架工位、枕梁組對焊接工位、機器人自動焊接工位、頭尾座變位機補焊工位、產品成品區，具體如圖3所示。

3.1 腹板分料放置架

腹板分料放置架由腹板料框和料框定位裝置構成，便于實現腹板的自動初定位及機器人自動抓取上料。

在搬運機器人側配置腹板二次定位裝置，并放置于搬運機器人的移動滑板上，隨機器人在地軌上一起運動，以提高機器人的搬運效率。由于腹板料框對腹板只是初定位且有自行分層要求，達不到腹板在組對夾具上的定位要求，故腹板二次定位裝置是為了精準定位工件，以便機器人抓取到組對夾具上能夠精確定位。

3.2 下蓋板分料放置架

下蓋板分料放置架由下蓋板料框和料框定位裝置構成，如圖5所示。便于實現下蓋板的自動初定位及機器人自動抓取上料。

3.3 雙機器人搬運系統

雙機器人搬運系統由兩套不同規格的搬運機器人和行走地軌組成，一套用于零部件上料，另外一套用于半成品轉運，均采用永磁電磁鐵抓具，各自獨立運行，互不干涉，從而實現零部件的自動上料和成品工件自動卸料碼垛。

3.4 組對點固夾具結構

組對點固夾具主要由下蓋板定位裝置、腹板定位裝置、手持用隔板靠模板及夾具底座組成，方案如圖6所示。下蓋板定位裝置采用下蓋板底面萬向球定位。

腹板定位裝置采用兩腹板內側定位結構和腹板外側分別壓緊結構。兩腹板內側定位結構采用液壓驅動連桿機構，便于工件點定完后部件搬運機器人能夠順利抓取出工件。液壓驅動連桿機構可根據不同型號工件調整前后方向的位置。軌道交通車輛底架組焊工裝是為提高底架鋼結構焊接質量而設計的一種專用焊接輔助裝備[6-7]。

3.5 機器人焊接工作站

機器人焊接工作站設計成雙工位形式（見圖7），每個工位由兩臺機器人組成，主從配置方式，搭載一套變位機，實現對主要焊縫的全覆蓋，可以獲得較好的焊接位置，從而保證焊縫成形的質量。為了得到較好的焊接位置狀態，機器人采用一套正裝、一套吊裝方式，變位機構采用L型變位機構，盡可能將工件完全暴露在機器人的作業范圍之內，為了適應產品裝配尺寸偏差而防止焊接位置偏差，機器人均配置焊縫尋位傳感器和電弧跟蹤傳感器。

4 數字化控制系統

控制系統作為一條生產線運行的中樞神經系統，上料、組對、焊接、搬運、物流、出料、碼垛等功能關系均需要通過相互關聯控制并按照產品工藝邏輯要求來實現。

通過對整條線的設計分析，關鍵工位包含組對工位、搬運機器人系統、機器人焊接工作站、補焊工位4大功能區域?？刂葡到y完成整線的自動控制、參數設置和設備監視等功能，采用模塊化設計，各個獨立工位控制系統完成各自的信號檢測和設備控制，通過總線與中央控制系統通訊連接，某個工位故障時，其他工位仍然可以手動控制，最大限度降低設備停機時間，提高生產效率;簡化和縮短控制系統線路敷設，改善設備現場環境條件下的電磁兼容性能。中央控制系統集成與MES系統接口，實現生產線數據與生產管理系統對接。管理人員可以通過接口提取生產線的運行狀況和生產狀況數據。

控制系統框圖如圖8所示，每一個模塊系統管理本控制系統的執行機構或機器人系統，同時該系統中有設備操作按鈕或按鍵，數據信息均通過PLC系統匯總采集，每套PLC系統均配置一套人機交互界面，便于自動作業和本地查看設備狀態和運行數據。具體包含組對工裝控制PLC系統、機器人搬運控制PLC系統、機器人焊接控制PLC系統、補焊工裝控制PLC系統。

（1）組對工裝控制系統。

在該控制系統中，控制系統響應夾具操作按鍵的操作指令，控制夾具工裝執行機構的夾緊與松開動作控制，檢測夾緊機構的位置狀態，并對工作時間節拍計數;另外與機器人搬運系統信號接口，具體如下：機器人放入一個零件后需要夾緊機構動作夾緊零件，夾緊到位后將信號傳遞給機器人控制器，搬運機器人得到信號后撤離并搬運下一個零件，如此往復直到上料完成。組對完成后發送信號給搬運機器人，通知搬運機器人可以將組對好的工件搬運到下一個工位。

（2）搬運機器人控制系統。

該系統由一套PLC管理兩套搬運機器人系統，由于搬運機器人系統是一套完整并且獨立的成套系統，為了更好地結合生產線應用，需要對機器人系統進行有效管理。PLC控制器與機器人控制器通過現場總線方式來建立數據信號通道，PLC通過程序有序地調用、組織和管理機器人的運行程序。搬運機器人控制系統框圖如圖9所示，PLC同時管理上料機器人、下料機器人等，與組對工裝控制系統信號接口、焊接機器人PLC系統接口、補焊工位PLC系統接口和上位總控制計算機通訊接口。

（3）機器人焊接控制系統。

該系統由一套PLC管理兩套焊接機器人系統，焊接機器人系統也是一套完整且獨立的成套系統，為了和焊接工裝、輔助機具等有序開展工作，圖10給出了焊接機器人控制系統框圖，其中，PLC與機器人系統通過總線方式連接，PLC同時管理焊槍清理裝置、工裝氣動夾具等，與搬運PLC控制系統接口和上位控制計算機通訊接口。系統配置一套人機交互界面，便于本地化操作和查看設備詳細狀態。

（4）補焊工位控制系統。

該系統由一套PLC管理，主要實現對工裝夾具控制、工件變位翻轉控制;與其他控制系統接口等。

（5）上位機系統。

上位機系統主要對生產線各控制模塊進行監管，收集各控制系統PLC上傳的工位信息，主要包含設備狀態信息、生產數據信息、焊接過程數據信息等，并通過人機界面顯示。過程關鍵數據通過以太網發送到MES系統中，便于高層管理人員對生產線的宏觀管控，同時數據存儲后為產品質量追溯備查。

生產線整體數據通過PLC收集后匯總上傳到上位控制計算機中，計算機建立數據庫并實時存儲相關數據，如：焊接電流、焊接電壓、產能數據、消耗數據、設備狀態等信息。主系統人機交互界面如圖11所示，可查看每個工位的設備狀態信息、設備通訊狀態、運行狀態、焊接過程關鍵實時數據信息等，通過該界面可全面把控生產線的運行狀態。生產線實物如圖12所示，生產節拍如表1所示。

5 結論

（1）該自動化焊裝生產線已經實現鐵路貨車C70車型的枕梁數字化生產，實際產量達到48件/班。

（2）焊接裝配生產過程基本實現自動化運行，過程數據數字化顯示，相關信息上傳至MES系統。

（3）系統的應用滿足產品規格適應性要求，達到了數字化焊裝生產線的相關要求。

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收稿日期：2021-01-14

作者簡介：湯 哲（1996—），男，碩士，主要從事鐵路車輛監測與信息化融合的研究。E-mail：tzworknmg@163.com。