基于工位制的快速裝配自動化焊接站

方孝鐘，倪寶成，莫彥青

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031) (2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168)

近年來，軌道交通裝備制造業(yè)引入了精益制造理念，經(jīng)過對工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式的探索、總結(jié)、提煉，形成了一套有章可循、具有一定指導(dǎo)意義的生產(chǎn)組織方法。通過建立工位制節(jié)拍化生產(chǎn)線，進而推進數(shù)字化工廠建設(shè)，提升企業(yè)的核心競爭力，從根本上解決了原來生產(chǎn)組織粗放、人員無效走動頻繁、質(zhì)量風(fēng)險點不易識別、安全管控針對性不強等弊端[1]。

隨著智能焊接機器人技術(shù)的發(fā)展，并在企業(yè)生產(chǎn)線上投入使用，工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益得到了明顯的提高，極大地促進了工業(yè)企業(yè)的發(fā)展和進步[2]。同時，針對生產(chǎn)線上工業(yè)機器人的柔性和智能水平不高的問題，將日益發(fā)展的計算機視覺技術(shù)引入原有的搬運工業(yè)機器人領(lǐng)域，利用機器人視覺技術(shù)獲取工件及其周圍環(huán)境的信息，識別出所要操作的目標工件，并能引導(dǎo)工業(yè)機器人完成對工件的抓取和放置等操作[3]。本文通過對基于工位制快速裝配技術(shù)的研究，結(jié)合轉(zhuǎn)向架構(gòu)架產(chǎn)品的特點，開發(fā)了一款基于工位制的快速裝配自動化焊接站，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接裝配工序的快速、穩(wěn)定與可靠，達到提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本的目的。

1 研究對象裝配流程

以某型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接部件作為研究對象，基于其成熟的箱型梁結(jié)構(gòu)(側(cè)梁、橫梁)以及管型梁結(jié)構(gòu)(制動橫梁)研究部件的快速裝配技術(shù)、信息化技術(shù)和節(jié)拍化生產(chǎn)在快速裝配過程中的應(yīng)用。

側(cè)梁裝配物料清單見表1。

表1 側(cè)梁裝配物料清單

側(cè)梁裝配流程如圖1所示。

圖1 側(cè)梁裝配流程圖

橫梁裝配物料清單見表2。

表2 橫梁裝配物料清單

橫梁裝配流程如圖2所示。

圖2 橫梁裝配流程

制動橫梁裝配物料清單見表3。

表3 制動橫梁裝配物料清單

制動橫梁裝配流程如圖3所示。

圖3 制動橫梁裝配流程

2 自動化焊接工作站

2.1 自動化焊接工作站介紹

基于工位制的快速裝配自動化焊接工作站能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)梁內(nèi)腔零件的快速焊接裝配，橫梁內(nèi)腔焊接裝配、內(nèi)腔焊縫焊接、上蓋板裝配，制動橫梁零件的快速焊接裝配。其具備以下幾個生產(chǎn)功能：轉(zhuǎn)向架焊接部件自動裝配、點固焊、局部滿焊焊接、焊點及焊縫打磨、在線檢測裝配質(zhì)量、實時反饋現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)。 自動化焊接工作站整體布局如圖4所示。

圖4 工作站布局圖

2.2 自動化焊接工作站組成

自動化焊接工作站由自動上下料系統(tǒng)、搬運機器人、對中機構(gòu)、 打磨/可視/焊接機器人、焊接件變位機、電器控制柜組成。

1)自動上下料系統(tǒng)：采用輥道將AGV(automated guided vehicle)運來的模塊化料框運送至系統(tǒng)指定位置，同時將搬運機器人放在上面的成品運輸?shù)匠隽衔恢茫葾GV運走，采用楔形機構(gòu)實現(xiàn)料框在輥道上的定位。

2)搬運機器人：搬運機器人通過滑臺在焊接區(qū)、放料區(qū)域、對中區(qū)和出料區(qū)之間搬運工件。機器人安裝有抓具，抓具的不同位置上安裝不同磁力的氣磁鐵，可通過壓縮空氣控制磁鐵來完成零件的抓取和放下。切換不同的磁鐵，可實現(xiàn)大小形狀不同的工件的抓取。

滑臺屬于機器人的外部軸，其采用的是高精密齒輪齒條和減速機，同時采用與搬運機器人相同的伺服電機，便于與機器人更好地協(xié)調(diào)工作，重復(fù)定位精度也可以得到更好的保障?；_動態(tài)參數(shù)：滑臺的移動速度v=600mm/s，重復(fù)定位精度為±0.2mm 。

3)對中機構(gòu)：對工件進行精確定位，實現(xiàn)機器人準確自動抓取工件、自動裝配、定位工件。

4)打磨/可視/焊接機器人：打磨與可視機器人、弧焊焊接機器人吊裝在同一龍門滑臺上，自動對工件進行焊接，對裝配質(zhì)量進行視覺檢測，對焊點和焊縫進行打磨。打磨頭和視覺相機可通過快換接頭靈活切換。

工業(yè)機器人視覺定位系統(tǒng)通過采集電視背光板的特征圖像，利用計算機視覺原理計算出電視背光板上料的位姿偏差，引導(dǎo)機器人完成PCBI卡合工作。工作原理如圖5所示。

圖5 可視系統(tǒng)工作原理

焊槍上裝有META激光跟蹤系統(tǒng)，可對焊縫進行在線跟蹤尋位，對示教軌跡進行修正，實現(xiàn)對工件的精準點固、滿焊，同時為打磨機器提供打磨軌跡。

5)焊接件變位機：由于機器人本身自由度的限制，必須有焊接變位機與之配合才能更好地完成焊接工作[4]。

6)電器控制柜對整個工作站進行控制。

2.3 工作站工作過程

需要焊接的工件被裝在模塊化料框中進行初定位，由AGV運送至工作站放在輥道上，輥道將模塊化料框運送至系統(tǒng)指定位置，搬運機器人將工件從料框上拿起放在對中機構(gòu)上精確定位，然后再從對中機構(gòu)上將工件抓起移動至焊接工位，完成工件裝配?？梢曄到y(tǒng)對工件裝配質(zhì)量進行檢測，并指導(dǎo)搬運機器人修正偏差，裝配完成后焊接機器人對工件進行點固。焊接完成后打磨與可視機器人切換到打磨狀態(tài)，對焊點和焊縫進行修磨，打磨完成后搬運機器人將工件從夾具上取下并送至出料輥道上，由輥道運送至出料口讓AGV運走。如要更換另一種型號的工件，只需人工更換模塊化夾具即可。工件焊縫探傷由人工干預(yù)完成。

2.4 裝配精度

工業(yè)機器人因其具有良好的定位精度而被廣泛應(yīng)用于堆垛、搬運、焊接等工業(yè)領(lǐng)域，但其絕對定位精度低，限制了其在高精度制造領(lǐng)域的應(yīng)用。通過構(gòu)建工業(yè)機器人誤差測量與在線補償閉環(huán)控制系統(tǒng)，對工業(yè)機器人的誤差進行在線補償[5]。搬運機器人的重復(fù)定位精度為±0.2mm，滑臺的重復(fù)定位精度為±0.2mm，對中機構(gòu)的重復(fù)定位精度為±0.1mm，搬運機器人的裝配累計誤差為±0.5mm，在可視系統(tǒng)的補償下，機器人的定位精度將高于±0.5mm。

3 節(jié)拍計算

自動化焊接工作站的工作時間主要由上下料物流時間、裝配時間、激光尋位時間、點固時間、焊接時間、打磨時間和探傷時間組成。一個生產(chǎn)節(jié)拍的時間計算結(jié)果見表4～表6。

表4 側(cè)梁一個生產(chǎn)節(jié)拍的時間

表5 橫梁一個生產(chǎn)節(jié)拍的時間

表6 制動橫梁一個生產(chǎn)節(jié)拍的時間

經(jīng)過計算，自動化焊接工作站方案能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)梁部件30min 一個節(jié)拍、橫梁部件60min 一個節(jié)拍、制動橫梁部件10min 一個節(jié)拍的生產(chǎn)節(jié)奏。

4 結(jié)束語

本文基于對工位制快速裝配技術(shù)的深入研究，以某型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接部件為研究對象，開發(fā)了適于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部件的自動化焊接站。機器人與視覺傳感器和激光跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，輔助以自動化夾具、滑臺等，完成轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部件的快速裝配及自動化焊接，并滿足裝配定位精度和生產(chǎn)節(jié)拍要求，實現(xiàn)構(gòu)架的自動化、信息化、節(jié)拍化生產(chǎn)。