鐵路貨車端墻自動化柔性焊接生產線設計

吳多錦 劉寧寧 韓增頌

（中車山東機車車輛有限公司，濟南 250022）

在國家積極推進制造業升級轉型、建設環境友好型生產企業的大背景下，我國鐵路貨車制造企業為解決焊接生產過程中人力成本高、能耗高、污染高的“三高”問題，在自動化、數字化轉型方面持續發力。端墻作為鐵路貨車的重要部件，主要由上端梁、角柱、橫帶及端板等組焊而成[1]。端墻的焊接成本約占端墻制造成本的70%[2]。傳統的焊接專機生產線因兼容性差、轉型調整周期長，已經難以滿足快速變換的市場需求。因此，對于端墻焊接來說，應用自動化生產線對于提高生產效率和降低成本具有重要意義[3-4]。

1 總體方案設計

端墻部件的結構如圖1 所示。端墻主要由端板、上端梁、橫帶和角柱組成，其組焊工藝流程為部件上料→工件組對→正面焊接→工件1 次翻轉→背面焊接→背面磨修→工件2 次翻轉→正面磨修及小件組焊→交驗。

圖1 端墻部件三維示意圖

產線根據組焊工藝的切分來布置。為滿足線體設計節拍每件15 min 的要求，均衡分配各工位的作業時間，將正面焊接工序拆分為3 個工位，背面焊接工序拆分為2 個工位，將背面磨修、工件2 次翻轉、正面磨修及小件組焊3 個工序集成在2 次翻轉工位，整線布局如圖2 所示。

圖2 端墻自動化柔性焊接生產線總體布局

2 主要工位的結構設計

產線設計具有良好的兼容性，可兼顧9 種常用車型端墻的結構尺寸。

2.1 上料組對的設計

隨著自動化技術的發展，工業機器人逐漸取代人工和專門機械，成為自動化生產線的主要設備。設計采用工業機器人自動抓取上料方案。部件上料及組對點焊的工位布置如圖3 所示。工業機器人配置外部軸軌道及專用組合抓手，將端板、上端梁、橫帶和角柱從料架托盤抓取至組對臺，在組對臺進行端墻各部件的裝夾定位及點焊。

圖3 部件上料及組對點焊的工位布置

上料機器人采用真空吸盤+電永磁鐵形式的抓手。其中：電磁鐵主要用于型材的抓取，真空吸盤主要用于將鋼板上下層分離。鋼板分離后采用真空吸盤與電磁鐵雙重吸附的方式進行抓取，避免了磁力抓取鋼板的連張問題，同時解決了工件斷電墜落問題。

由于采用機械手自動抓取上料的方式，對料架托盤的部件碼垛提出了新需求，考慮到端板、上端緣等直接碼放部件的定位兼容性問題，以及橫帶這種單面開口的鈑金結構，提出了隔層自動翻轉的分層碼垛解決方案。料架結構及翻轉原理如圖4 所示。料架兩端設置有長度限位和上下分層功能的翻轉架，當其上層的工件被機器人抓取后，翻轉架靠重力自動向外翻轉，為下層工件的抓取提供空間。

圖4 自動翻轉料架結構及翻轉原理

組對臺設置多組氣動夾緊或對中機構，分別對端板、上端梁和角柱進行定位，采用柔性化設計，能夠滿足不同高度、長度、寬度的端墻焊接工件的放置和定位[5]。組對臺結構如圖5 所示。定位確認后進行端墻工件的點焊鉚固。

圖5 組對臺結構

2.2 工件的輸送翻轉設計

穩定可靠的傳輸系統與裝夾定位機構，是工作站穩定運行的重要保證。工件在線體內的流轉涉及輸送和翻轉2 種動作。輸送鏈系統主要起到傳輸作用，將端墻從一個工位傳輸到下一個工位。生產線傳輸系統采用可升降雙排鏈傳輸結構，具備可調速功能。在傳輸過程中，系統具備緩沖和自動停止功能，確保端墻準確傳輸到位。輸送鏈結構如圖6 所示。為便于人員穿越線體，輸送鏈端部還設置了可折疊翻轉鏈。傳輸系統與總控系統、各工位作業系統及配套設備之間的信息交互穩定、安全，確保了整個生產線的協調運行。

圖6 輸送鏈結構

翻轉1 工位采用叉式翻轉機結構，如圖7 所示。翻轉叉在水平位置，開啟輸送鏈，工件進入翻轉叉，到位后翻轉叉翻轉180°，同時翻轉座橫移至另一側，完成工件沿線體垂直方向的原位翻轉。

圖7 叉式翻轉機結構

2 次翻轉工位采用液壓翻轉機構。如圖8 所示，翻轉流程如下：第一，工件水平輸送至2 次翻轉工位，背面磨修；第二，右端升起95°；第三，左端升起85°；第四，兩端升起到位后，同時向右旋轉80°；第五，兩端依次回落，工件翻轉180°正面朝上到達右端，完成工件沿線體方向的翻轉。翻轉完成后工件上方無遮擋，便于正面磨修及小件組焊。

圖8 2 次翻轉流程

2.3 自動焊接工位設計

2.3.1 自動焊接工位的結構設計

自動焊接功能的實現是產線設計的關鍵，線體各工位的設計均應圍繞這一核心任務展開。鑒于焊接機器人具有很好的工作柔性，特別適用于焊縫位置多樣的工件的大批量焊接生產。采用龍門結構，配置2 臺6 軸弧焊機器人進行端墻焊縫的自動焊接，如圖9 所示[6]。根據工件尺寸確定軸弧焊機器人的作業空間。為保證更廣泛的覆蓋范圍和更優的焊接姿態，采用焊接龍門的方案，將機器人倒吊安裝，可以有效擴大其作業范圍。焊接龍門上橫梁及下行走梁均采用機器人外部軸驅動。外部軸與機器人進行協調運動，進一步擴展了機器人的工作空間，提高了生產線的工作柔性。

圖9 自動焊接龍門結構

2.3.2 智能弧焊技術的應用

焊接機器人具有起始點尋位、電弧跟蹤、起弧收弧參數控制、單軸動作、連續路徑控制、焊接與非焊接直線插補、焊接圓弧插補、非焊接工步速度自動優化、時間作用程序控制、焊接參數程序控制以及焊接過程參數實時修改和記憶等功能。機器人還可以進行運動仿真和離線編程，能夠大幅提高運動干涉檢查及程序調試的效率。

由于工件存在一定安裝誤差，機器人需要對焊縫進行定位、跟蹤和調節。當工件定位偏差較大時，機器人自帶的起始點尋位和電弧跟蹤功能的糾偏能力有限，需要增加激光傳感器。激光傳感器具備激光尋位和激光跟蹤功能，在焊接前預先掃描工件，以確定焊縫位置信息。工件位置變化后，對實際焊縫路徑進行補償修正。在焊接過程中，激光傳感器能夠實時獲取焊縫信息，根據偏移量進行補償，得到實際焊接路徑。

2.3.3 機器人焊接除塵

隨著環保力度的持續加大和企業環保意識的不斷增強，機器人焊接設備的配套除塵系統越來越受到重視，機器人焊接除塵設備逐漸成為標配設施。除塵收集形式主要分為終端收集、頂吸罩和焊接房3 種，其中除塵房除塵效果最好。本線體的機器人焊接除塵設備由固定中央主機、焊接房、中央管道系統組成，焊接房覆蓋整個機器人工作范圍。

3 控制系統

控制系統起到綜合控制、流程調度以及過程監控的作用?？刂葡到y軟件部分采用模塊化設計思路，提高了程序的可靠性與可讀性。線體控制系統框架如圖10 所示。

圖10 控制系統架構

控制系統具有示教、編程、存儲、數顯、監測等功能。通過示教器可以控制自動焊接的啟動、停止以及急停等，也可以顯示系統運行狀態及報警信息。各模塊間采用數字化控制通信進行協調，并配備遠程監測通信接口。機器人控制采用絕對編碼的方式，所有軸的位置均可以隨機存儲?？刂葡到y穩定可靠，在報警、停止或斷電后，可以隨時正常啟動。當工件發生變化時，通過示教器可以重新編制程序，以滿足生產需求。不同車型配有專屬的焊接程序，通過控制程序可以實現一鍵轉產。

4 結語

綜合運用自動控制、機器人、激光跟蹤、柔性組對以及自動傳輸翻轉定位等技術，對端墻自動焊接產線進行優化設計，實現了柔性托盤碼料、機器人自動抓取上料、柔性化組對定位點焊、升降輸送鏈自動傳輸、焊縫自動識別跟蹤、機器人自動焊接、工件自動翻轉等自動作業流程。產線配置企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）、生產執行系統（Manufacturing Execution System，MES）、數 據采集與監視控制系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）的業務接口，可以實現產線控制系統的數字化、信息化，滿足精益生產的要求。優化后的端墻自動焊接產線實現了不同車型端墻的快速轉產和柔性制造，提高了端墻的產能，實現了降本增效，并且集中解決了端墻生產勞動強度大、生產效率低、作業環境差等難題。