敞车端墙自动化柔性焊接生产线的研制

来源:用户上传      作者:李远

　　摘要：  主要介绍所研制的敞车端墙自动化柔性焊接生产线组成及结构特点，并对端墙生产线的关键问题及柔性化设计、敞车端墙焊接生产线控制系统进行了概括说明。结果表明，采用焊接机器人和龙门专机为核心的焊接单元，形成了预制角柱组成、上料、组装、机器人焊接、龙门专机焊接、翻转及反面自动焊接，实现端墙生产线的自动定位、传输及柔性化焊接，有效提高生产效率和质量。
　　关键词：  端墙; 焊接机器人;自动化生产线
　　中图分类号： TG 432
　　 Development of automatic flexible welding production line for gondola end wall
　　 Li Yuan
　　（CRRC Guiyang Co. ， Ltd. ， Guiyang 550017，China）
　　Abstract：   This paper mainly introduces the composition and structural features of the automatic flexible welding  production line for the end wall of gondola， and summarizes the key problems of the production line， the flexible design and the control system of the welding production line for the end wall of gondola cars. The results show that the welding unit with welding robot and gantry special machine as the core forms the positions of prefabricated corner column composition， loading， assembly， robot welding， gantry special machine welding， turning and reverse automatic welding， realizes the automatic positioning， transmission and flexible welding process of the end  wall production line， and effectively improves the production efficiency and quality.
　　Key words：  end wall; welding robot; automatic production line
　　0 前言
　　端墙是敞车制造中重要的焊接结构件之一，在端墙生产过程中接近70%成本与工作量是焊接，因此焊接水平高低不仅直接影响产品质量，同时也是影响企业经济效益的重要因素。目前，中国敞车的焊接水平不高，大多数厂家处于手工操作，部分使用自动焊设备的阶段，整体表现为工件组对尺寸误差大、生产效率低、劳动强度高，焊接质量一致性难以保证 [1]。伴随着铁路货运的高速發展，如何提高敞车端墙自动化生产水平并使生产线具有包容更多类型工件的柔性，已经成为了一个必须要解决的问题。
　　以铁路货车典型部件-端墙生产为目标，对柔性焊接生产线流程、创新性设计等方面进行重点论述，以此阐明焊接生产线的柔性化设计理念，为类似的柔性生产线的设计与应用提供一定的参考与借鉴。
　　1 端墙生产的主要特点
　　端墙是典型的板与型钢拼焊结构，其部件主要有：2块端板、3条横带、1个上端缘、2根角柱组成以及其 它附件等;端板等其它部件主要为耐候钢或不锈钢等材料的冷轧或热轧型钢。端墙的外部形状随着车型不同、其外观尺寸和形状也不尽相同，一般为梯形、矩形或其它形状。端墙的主要特点：
　　（1）长、宽尺寸差异比较大，长度从2 267～3 642 mm不等，工件整体面积大;焊缝为绝大多数为直线，焊缝主要有对接、搭接、角接等形式。
　　（2）端墙角柱、横带、上端缘形成纵向、横向、交叉等多种焊缝分布方式，设备需要频繁变换焊接方向，而且角柱和横带高度超过100 mm，焊接时易出现较长的焊接盲区。
　　（3）端墙零部制备精度较低且组装完成后焊接件一致性较差，单件效率要求较高。
　　端墙需要正面焊缝和背面焊缝的焊接，由于其平板型的特点，因此在自动化生产线上是可以实现自动化传输与焊接工作。
　　2 端墙自动化柔性焊接生产线概述
　　2.1 端墙自动化柔性焊接生产线组成
　　该柔性焊接生产线需要适应C70，C70B，C70E以及C80B，C80E等不同型号运煤车和敞车端墙组成正面、反面的自动化焊接 [2]。整条生产线以实现柔性化组对、提高自动化焊接水平与操作安全性等为核心内容，确定机器人+龙门专机为主要焊接单元，配合柔性对装、自动传输以适应多种型号端墙生产。
　　柔性端墙生产线全长56 m、宽8 m，一端向另一端呈流水布置，其工位依次为：角柱焊接工位（角柱预制）、备料存储区、组焊工位、机器人正面焊接、正面双枪焊接工位（横带焊接）、端墙正面附件焊接共6个工位 [3]。之后，衔接工件翻转、机器人反面焊接、补焊与卸料这3个工位，工件在各位之间进行自动传输。总布置图，如图1所示。
　　2.2 端墙自动化柔性焊接生产线流程
　　生产线流程为：正面组对正面焊接翻转反面焊接下料;其中端墙正面生产线的工作流程为：备料工位吊车上料在组装工位进行点固（C80B时正面机器人要焊接角柱与端板形成的长直角焊缝）机器人焊接端墙正面部分焊缝双枪龙门焊接机焊接横带焊缝手工焊接端墙捆绑座等附件工件自动传输至翻转工位。反面流程为：工件在翻转工位由传输车送至反面机器人工位进入反面补焊工位下料。 　　为了适应不同规格端墙的组装与焊接，生产线所有工位的工装夹具均使用模块组合式夹具，夹具可以通过T形槽进行纵横向两维调整，满足不同型号端墙整体定位，以及横带、角柱等部件的夹紧要求。
　　生产线正、反面采用两种不同的工件传输方式。工 件正面采用辊轮方式进行，辊轮将工件由组焊工位开始传送并最终送到翻转工位。工件在此工位进行180°翻转后，反面升降传输车将工件接至反面机器人工位，机器人自动寻位并进行焊接工作，完成后端墙传输至下料工位由天车吊运到存放台。
　　3 端墙生产线的关键问题及柔性化设计
　　3.1 采用机器人+龙门专机的生产形式
　　机器人+龙门专机作为整条生产线核心焊接单元，包括两台焊接机器人，布置在生产线前后两端负责 端墙正面及反面焊缝的焊接工作;一台双枪龙门专机负责焊接正面的长直横带焊缝。
　　正、反面机器人均采用倒装方式，有效增大其作业范围，同时机器人可以沿着滑轨与工件传输相同方向进行运动，该轴可以与机器人进行协调运动，进一步扩展机器人的工作空间，提高了生产线的工作柔性。图2为端墙焊接生产线机器人工位。
　　采用机器人+龙门专机的生产线形式，可以最大程度发挥机器人与龙门专机的优势，机器人具有可编程、柔性好的特点，适应焊接多种不同类型及位置的焊缝;用于横带焊接的双枪龙门焊接机，一次完成两条焊缝的焊接，可以有效地提高生产效率，机器人和龙门专机高效地组合方式使该生产线在保证工作效率的前提下同时具有更大的柔性。
　　 3.2 钳夹式翻转机的适应性设计
　　端墙焊缝分布在工件的正、反两面，当正面焊缝焊接完成后，需要借助翻转机进行180°翻转。对于翻转机构生产线采用钳夹式翻转机（图3），该设备是使用固定开口距离的两套钳夹，来适应不同型号的端墙;当 钳夹与正面传输方向一致后，工件由辊轮送入钳夹中， 然后钳夹由电机驱动绕钳夹座的旋转轴进行旋转，将工件翻转180°后停止，升降传输车将工件从钳夹中取走，传输至下一工位。该翻转方式的优点是翻转装置占用空间位置小，翻转灵活，翻转装置的制作成本低 [4]。
　　3.3 工件传输的多样性设计
　　生产线正面机器人、龙门专机、附件等焊接工位均采用辊轮方式传输工件，辊轮结构分为左、中、右3个独立部分，辊轮中间部分为固定设计，该处也是辊轮动力位置。通过辊轮转动将端墙向下一工位传输，而左、右两部分可以通过T形槽进行位置调节，保证不同规格的端墙可以进行顺利的传输。
　　生产线反面采用升降式传输车，以适应多种规格端墙的传输同时也可以避免端墙与夹具之间发生干涉现象，升降式传输车由上、下两部分组成。下部固定支撑底架由钢板拼焊而成，其底部安装有4个滚轮，通过链条可以带动传输车在轨道上运动。电机及减速机安装在支撑底架上，支撑底架的4个角上安装有4个螺旋减速机，在电机的带动下可以使上框架进行升降，实现端墙在不同工位进行移动的目的。
　　3.4 生产线机器人的焊接工艺设计
　　机器人的工艺包括机器人焊接工艺与机器人程序的编制这两部分的内容，这两部分既有各自独立的内容又有相互关联的部分，必须作为统一的整体进行考虑 [5]。正面采用六轴机器人与后续的龙门专机进行配合，主要的长直焊缝由龙门专机完成，其余由机器人完成。其工作特点是，焊缝短而多，下枪、收枪及寻位等动作频繁。编制机器人焊接程序的主要目标是确保在机器人运行过程中，焊接质量的稳定以及自身的安全性。在程序编制过程中，要根据端墙焊缝的自身特点将程序参照焊缝类型分解为若干子程序，每个子程序自成一体负责一条或几条焊缝，将子程序的起始与结束点设计为同一位置，有助于其它操作者对于此程序的理解，程序运行一段时间后，在实际工作效果基础上对各子程序进行优化，缩小机器人空行程时间，提高工作效率。
　　4 敞车端墙焊接生产线控制系统
　　該焊接生产线控制系统将各机器人、龙门专机等焊接工位与工件传输系统进行了适当的结合，提升了生产线自动化及柔性化技术水平。生产线系统控制工件传输、翻转机、龙门专机及机器人的工作状态及监控检测开关的状态，操作人员通过操作台或人机界面来控制生产线，如图4所示。
　　4.1 焊接工件在生产线中的传输
　　工件传输由PLC（可编程序控制器）控制，工件经过机器人与龙门焊接机完成正面焊缝焊接后，通过辊道传输进入钳夹式翻转机，工件翻转180°后，由升降传输小车自动完成工件的传输工作。生产线中工件传输过程由中心控制系统根据各工位的当前状态，自动判定工件传输的进程，当生产线上出现一些特殊的状况时，系统可以根据实际工作情况，以及前、后工位的具体状态，选择合理的流程传输工件。
　　4.2 生产线系统中心控制，功能互锁，确保工作安全
　　生产线中心控制系统，实时与焊接机器人、龙门专机、翻转机等工位进行通讯联系，控制其工位的工作开始与完成，确保工作期间内各工位自锁以及与工件传输线之间的互锁，以保证机器人等工位安全工作。
　　图5为端墙焊接生产线人机界面。在中心控制界面上，具有自动运行、手动运行、示教操作、焊接测试、预留外接总线等功能模式与能力，可以对焊接生产线工作过程进行控制。
　　4.3 对生产线工作过程进行实时监控
　　该生产线可以在人机界面中显示生产线上各类检测元器件、伺服电机及气动部件的实时状态，同时也可以对一些故障进行提示，有助于维修人员对故障的快速排除。图6为端墙焊接生产线监控界面。
　　5 结论
　　（1）生产线结构紧凑，焊接机器人与龙门专机的布置巧妙，工序流程设计合理，系统运行及参数控制准确，工作过程稳定连续，在实际生产中应用效果良好。
　　（2）生产线故障率低，工装可调范围较大，能够适应多种车型的端墙焊接工作，换型周期较短。焊接机器人+龙门专机的使用可以有效提高生产线柔性，可适应多种焊接位置的焊接。  [HT5H]参考文献
　　[1]  杨永波，白鹰，郝路平，等. 敞车端墙机器人焊接生产线[J].焊接，2011（8）：48-50.
　　[2] 杨永波，王金奎，秦伟涛，等. 敞车端墙龙门专机自动焊生产线的研制[J].机械制造文摘—焊接分册，2012（5）：21-24.
　　[3] 赵文.柔性敞车端墙自动化生产线技术改造[J].焊接，2014（6）：59-62.
　　[4] 许永辉，于维，苏广宇，等.铁路货车端墙焊接生产线的柔性化设计及应用[J].焊接，2014（2）：67-69.
　　[5] 杨永波，崔彤，秦伟涛，等.焊接机器人工作站系统中焊接工艺的设计[J].焊接，2015（8）：43-45.
　　收稿日期：  2019-09-28
　　 李远简介：  1970年出生，工程师;主要从事设备工装技术研究;ly519800@aliyun.com。
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