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由于機(jī)器人制造具有柔性化、智能化程度高的特點(diǎn),焊接機(jī)器人是國際上面向21世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)。本文分析了焊接機(jī)器人在B型地鐵不銹鋼車體制造中的應(yīng)用情況,綜述了不銹鋼車體廠房的工藝布局,焊接機(jī)器人的基本原理與構(gòu)成,焊接機(jī)器人的本體技術(shù),機(jī)器人編程技術(shù)。

由于軌道車輛不銹鋼車體與汽車車體存在的差異,軌道車輛車體更長,更寬,更高,對(duì)不銹鋼管及工裝夾具的精度要求更高。工業(yè)機(jī)器人在軌道交通行業(yè)中的應(yīng)用還屬于剛剛起步階段,技術(shù)還不完全成熟。在國內(nèi)也僅有長春,青島等車輛廠具有相對(duì)完善工業(yè)機(jī)器人不銹鋼車體生產(chǎn)線。

城軌車輛不銹鋼車體由梁、柱、板等各種型材上千個(gè)組成,焊點(diǎn)上萬個(gè),其中95%均為電阻點(diǎn)焊。點(diǎn)焊所產(chǎn)生的有毒氣體,金屬飛濺致使工作環(huán)境惡劣。特殊部位喉深達(dá)到1650mm大型焊鉗的應(yīng)用。如果手動(dòng)操作的話,給工人帶來不便增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。焊接機(jī)器人的應(yīng)用不僅使工人遠(yuǎn)離有毒煙塵和飛濺,而且不需搬運(yùn)笨重的C型焊鉗,把工人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來,充分做到以人為本,深刻理解科學(xué)發(fā)展觀,把科學(xué)發(fā)展踐行到實(shí)際的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中。

1天津公司焊接機(jī)器人生產(chǎn)線介紹

中國北車天津工業(yè)園內(nèi)的車體車間規(guī)劃成具有完整生產(chǎn)能力的不銹鋼車體生產(chǎn)線,可以滿足各類不銹鋼軌道車輛車體的制造。此生產(chǎn)線包括端墻,側(cè)墻,車頂,底架及車體總組成臺(tái)位,是一條現(xiàn)代化程度高的流水線式生產(chǎn)線,各大部件在不同臺(tái)位間有序流轉(zhuǎn),大大提高了生產(chǎn)效率,符合現(xiàn)代精益化生產(chǎn)的要求。

2焊接機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

焊接機(jī)器人是高度柔性化加工系統(tǒng),主要由以下幾大部分組成:1.機(jī)器人本體。2.機(jī)器人控制柜。3.焊鉗。4.焊接逆變器。5.焊接監(jiān)控單元。6.空壓機(jī)。7.水冷機(jī)等。

車體車間所采用的焊接機(jī)器人均采用示教再現(xiàn)(Teaching-Playing)的編程控制方法。示教方式有手把手示教(walk-through)和示教盒示教(Lead-through)兩種。手把手示教時(shí),操作者牽引裝有力-力矩傳感器的機(jī)械手末端,根據(jù)任務(wù)要求使末端按一定位姿運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)示教過程。使用示教盒示教時(shí),通過示教盒控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),如圖2,使之末端執(zhí)行器移動(dòng)到需要的位姿上,把每一位姿信息存儲(chǔ)起來,經(jīng)過編輯,并再現(xiàn)示教過的動(dòng)作。雖然示教的每個(gè)位姿是離散的,但經(jīng)過機(jī)器人控制柜內(nèi)的控制模塊對(duì)示教點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合,從而連續(xù)再現(xiàn)工作過程。

3機(jī)器人焊接車體工藝流程

3.1車頂骨架及組成

裝配車頂下邊梁及車頂彎梁→點(diǎn)焊車頂彎梁與車頂下邊梁→樣裝機(jī)組平臺(tái),組對(duì)點(diǎn)焊補(bǔ)強(qiáng)縱梁及小彎梁→吊出機(jī)組平臺(tái)→裝配點(diǎn)焊側(cè)頂板→裝配點(diǎn)固機(jī)組平臺(tái)→裝配點(diǎn)焊補(bǔ)強(qiáng)頂板及波紋頂板→吊入車頂組成胎位→波紋板點(diǎn)焊→吊入車頂正面焊接胎位→吊入車頂補(bǔ)點(diǎn)胎位進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)→吊入車頂反面焊接胎位→完成剩余補(bǔ)點(diǎn)。車頂骨架及組成點(diǎn)焊采用HYUNDAI龍門式六軸雙面單點(diǎn)焊接機(jī)器人焊接完成。此焊接機(jī)器人X軸速度20m/min,Y軸行程3.5m軸速度10m/min,手臂承載重量400Kg,配有3把不同尺寸的C型焊鉗。

該機(jī)器人HI5示教控制器上集成了不銹鋼焊接參數(shù):如焊鉗焊接壓力、焊接預(yù)壓時(shí)間、焊接壓緊時(shí)間、焊接電流、電極修磨次數(shù)等�？刂乒裆霞�成了BOSCH焊接控制器,具有實(shí)時(shí)顯示焊接規(guī)范參數(shù)顯示功能,焊接結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理功能,操作人員、設(shè)備種類、零部件。

為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接就必須要求對(duì)焊接機(jī)器人實(shí)行實(shí)時(shí)控制,一方面要求焊接機(jī)器人對(duì)末端焊鉗姿態(tài)進(jìn)行精確控制,對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃以避讓干涉,另一方面要求提高工裝夾具的定位精度,由于車體點(diǎn)焊需要大量的定位快、快速C型卡鉗、拉桿等等,只有提高定位精度才能避免發(fā)生意外干涉提高機(jī)器人程序一致性。

3.2側(cè)墻骨架

組對(duì)下邊梁、立柱、立柱組成、窗上橫梁、窗下橫梁、雙馬腿帽形→點(diǎn)焊窗口立柱與窗上、下橫梁和下邊梁及連接板→點(diǎn)焊立柱與雙馬腿帽形梁、下邊梁及連接板側(cè)墻骨架點(diǎn)焊同樣采用HYUNDAI龍門式六軸雙面單點(diǎn)焊接機(jī)器人焊接完成。最多為四層板搭接點(diǎn)焊,為門口立柱組成、門扣鐵、連接角鐵,最大不等板厚比為1:3。

3.3底架骨架

將一、二位邊梁吊入底架邊梁組成臺(tái)位→放入連接角鐵→夾緊→焊接→采用正裝工藝,將一、二位底架端部組成吊入底架骨架組成胎位→吊入底架邊梁→吊入主橫梁→夾緊→點(diǎn)焊主橫梁與連接角鐵→點(diǎn)焊邊梁與主橫梁→端部底架與底架邊梁焊接→鋪裝波紋地板→拉緊→點(diǎn)焊波紋地板與底架骨架→完成全部點(diǎn)焊。

底架點(diǎn)焊機(jī)器人為日本NACHI社龍門式六軸雙面單點(diǎn)或單面雙點(diǎn)型機(jī)器人,手臂承載重量400Kg。配有2種C型焊鉗,1種X型焊鉗,具有左右擺動(dòng)功能,工作行程20mm。1種單面雙點(diǎn)焊鉗,電極距離60-250mm。

機(jī)器人控制器為日本MIYACHI社,可設(shè)定60種焊接條件。具有示教編程功能和手動(dòng)的操作方式,配備有彩色操作顯示屏幕,可顯示焊機(jī)的開/關(guān)、異常停機(jī)等信息,具有自診斷功能。示教器可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)焊接作業(yè),手動(dòng)作業(yè)迅速靈敏。機(jī)器人末端法蘭與焊鉗之間的連接采用NITTA可快速互換焊鉗的連接裝置,持重500公斤,該連接裝置可快速安裝不同規(guī)格的焊鉗,且能夠保證風(fēng)、水、電以及控制系統(tǒng)等的通用性能。

4焊接機(jī)器人安全措施

焊接機(jī)器人具有出色安全設(shè)計(jì),不僅可以把工人從有毒作業(yè)環(huán)境中解放出來,改善工作環(huán)境保障工人安全,在長時(shí)間重復(fù)性工作中還能克服人類長時(shí)間疲勞性工作的問題,做到比熟練的高級(jí)焊工更穩(wěn)定更安全的作業(yè)。它的主要安全功能如下:

4.1緊急停止功能

控制器和示教盒(teach pendant)上各設(shè)有緊急停止按鈕。在機(jī)器人安全連撞電路上,必要時(shí)可連接額外的緊急停止開關(guān)。緊急停止功能是優(yōu)先于其他控制功能的功能。緊急停止功能可中斷各軸電源供應(yīng)和各部件伺服電機(jī)運(yùn)行,同事通過電源阻斷來限制機(jī)器人的危險(xiǎn)功能。

4.2安全停止功能

機(jī)器人配有停止電路。機(jī)器人和安全電路必須連接成互鎖狀態(tài)。機(jī)器人必須具有多電路輸入信號(hào),以便于安全通道,PAD,安全燈等安全裝置連接使用。這些信號(hào)將促成機(jī)器人本體和周邊設(shè)施實(shí)現(xiàn)安全功能。

4.3速度限制功能

在手動(dòng)模式下,機(jī)器人的最大限速為250mm/s。限速不僅適用于TCP(工具中心),還適用于手動(dòng)操作的機(jī)器人所有部分。機(jī)器人所有裝備的速度應(yīng)能檢測(cè)到。

4.4限制動(dòng)作域

各軸動(dòng)作領(lǐng)域受軟限位(soft limit)和硬限位(hardware limit)的控制。1-3軸動(dòng)作域還受機(jī)械停止器(stopper)的限制。

5存在問題

隨著城軌地鐵市場的不斷拓展,天津公司后續(xù)發(fā)展壯大,廠房需要擴(kuò)能增效,在不銹鋼車體裝配焊接生產(chǎn)線上焊接機(jī)器人數(shù)量會(huì)越來越大。隨著焊接機(jī)器人在鐵路行業(yè)的不斷發(fā)展,會(huì)出現(xiàn)在同一個(gè)臺(tái)位上,多臺(tái)機(jī)器人同時(shí)作業(yè)的情況。在多機(jī)器人同時(shí)并行協(xié)作的條件下,要避免因信號(hào)交換錯(cuò)誤導(dǎo)致的機(jī)器人間的碰撞干涉。目前協(xié)作機(jī)器人間的通信都采用I/O來交換狀態(tài),以確定等待時(shí)間(waiting),信號(hào)是否偏置到設(shè)定時(shí)間還是等待取消(waitingcancel)。目前信號(hào)檢測(cè)還是以“點(diǎn)”的方式檢測(cè),即在某一運(yùn)動(dòng)程序中,確認(rèn)某一握手信號(hào)(Handshake signals)來決定是否繼續(xù)工作,而不是在運(yùn)動(dòng)程序中持續(xù)檢測(cè)障礙物或協(xié)作機(jī)器人。因此,檢測(cè)過后若機(jī)器人軌跡發(fā)生錯(cuò)誤或協(xié)作信號(hào)異常,便會(huì)發(fā)生碰撞。