柔性化智能制造系統(tǒng)在軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)中的應用

摘? ?要： 軌道車輛部件的焊接生產(chǎn)模式正由過去的單一型號生產(chǎn)向多品種共線、訂單化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，柔性化、智能化焊接生產(chǎn)成為發(fā)展趨勢。為軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)提出一種柔性化智能制造系統(tǒng)。提出側(cè)梁、橫梁、構(gòu)架總成等關(guān)鍵部件的生產(chǎn)工藝流程，改進生產(chǎn)工藝布局;通過優(yōu)化瓶頸工序生產(chǎn)工藝，提高智能化生產(chǎn)水平;通過優(yōu)化夾具接口，實現(xiàn)工件快速裝夾及產(chǎn)品混線生產(chǎn);通過智能物流系統(tǒng)構(gòu)建，將組裝、打磨、焊接、運輸、檢測等工序進行有機串聯(lián)，形成具有高度柔性的、以中央智能控制系統(tǒng)為核心的柔性化智能制造系統(tǒng)。系統(tǒng)智能化水平較高，可兼容五種產(chǎn)品的共線焊接生產(chǎn)，且能夠有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性，大幅提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架;焊接;工藝優(yōu)化;柔性化;智能制造

中圖分類號：U213.2+1? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-075-07

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.013

引言

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是軌道車輛的核心部件之一，對軌道車輛起到重要承載作用，其可靠性直接影響軌道車輛的行駛安全。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)復雜，導致焊縫位置的可達性較差，這一特點決定了其較難實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

當前，智能焊接技術(shù)已被各行業(yè)廣泛應用在生產(chǎn)當中，焊接技術(shù)的發(fā)展方向是自動化、柔性化、智能化[1]。國內(nèi)各主機生產(chǎn)企業(yè)對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的智能化生產(chǎn)進行了大量研究，但研究重點主要在于對局部生產(chǎn)工藝的智能化改進，缺乏對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架智能化、柔性化生產(chǎn)系統(tǒng)的整體把控。目前的主流生產(chǎn)模式仍是為每種產(chǎn)品建設(shè)單獨的生產(chǎn)線，生產(chǎn)線通用性較差，一旦需要生產(chǎn)新產(chǎn)品，必須進行布局調(diào)整，大規(guī)模更換生產(chǎn)裝備及工裝，造成大量浪費。近年來，有軌電車、磁懸浮列車、空軌列車等新制式軌道車輛不斷涌現(xiàn)，導致產(chǎn)品的生產(chǎn)模式必須由過去的單一型號生產(chǎn)向多品種共線、訂單化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，以適應軌道交通產(chǎn)品市場需求的多樣化和快速變化[2]。在這種形勢下，將具有高度柔性化的智能制造技術(shù)應用于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)，成為一種解決問題的有效途徑。

本文首先對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接結(jié)構(gòu)特點進行分析;其次提出柔性化智能制造系統(tǒng)的總體技術(shù)方案;最后結(jié)合各子系統(tǒng)的功能，介紹系統(tǒng)應用情況。

1? 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接結(jié)構(gòu)特點分析

動車、拖車的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)分別如圖1a、1b所示，兩種構(gòu)架都主要由側(cè)梁、橫梁、縱向牽引梁、定位臂座、制動安裝座等組成，主要區(qū)別是動車轉(zhuǎn)向架橫梁上有齒輪箱和電機吊座，拖車轉(zhuǎn)向架制動安裝座安裝在橫梁上。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為焊接結(jié)構(gòu)，側(cè)梁為箱型斷面，橫梁采用箱型結(jié)構(gòu)或無縫鋼管型材[3]。與車體結(jié)構(gòu)長直焊縫多、對接焊縫多、母材壁薄相比，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出截然不同的特征：

（1）構(gòu)架內(nèi)部多為加強筋板結(jié)構(gòu)，受加強筋板阻隔以及構(gòu)架內(nèi)部空間小等因素影響，短焊縫數(shù)量多。焊接過程中需要頻繁地熄弧和引弧焊接，不利于發(fā)揮智能化焊接方法中連續(xù)長時間、大批量焊接的優(yōu)勢[4]。

（2）構(gòu)架定位臂座、牽引梁等部件的板厚可達50 mm，需提前進行預熱處理，不利于流水線焊接作業(yè)智能化。

（3）構(gòu)架焊接工序多，工藝流程復雜，特別是側(cè)梁、橫梁的生產(chǎn)需往復流轉(zhuǎn)，工件運輸線路繁雜，不利于實現(xiàn)物流智能化。

2? 總體技術(shù)方案

2.1? 基于柔性化智能焊接的生產(chǎn)工藝流程設(shè)計

（1）側(cè)梁：側(cè)梁自動組對→側(cè)梁自動焊接→側(cè)梁二次組對→側(cè)梁自動焊接→部件組焊→打磨修補→側(cè)梁調(diào)直→側(cè)梁探傷→側(cè)梁加工;

（2）橫梁：橫梁一步組對→自動焊接→橫梁二步組對→自動焊接→打磨修補→橫梁探傷→調(diào)修;

（3）構(gòu)架總成：構(gòu)架組裝→構(gòu)架自動焊接→部件組焊→構(gòu)架探傷→構(gòu)架氣密性試驗。

2.2? 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)特點，應用人工智能技術(shù)、自動識別技術(shù)、智能定位技術(shù)等先進技術(shù)手段，建立柔性化智能焊接生產(chǎn)系統(tǒng)。首先，通過工藝優(yōu)化，按照工藝流程進行車間布局，解決生產(chǎn)物流系統(tǒng)紊亂、節(jié)拍不一致問題;其次，優(yōu)化構(gòu)架焊接生產(chǎn)中組裝、焊接、打磨、存儲等瓶頸工序，減少生產(chǎn)占地面積，提升智能化生產(chǎn)水平;再次，設(shè)計通用隨行工裝夾具平臺，平臺與工件存放系統(tǒng)、作業(yè)臺位等夾具接口一致，實現(xiàn)工件快速裝夾及不同產(chǎn)品的混線生產(chǎn);最后，采用自動物流系統(tǒng)將構(gòu)架側(cè)梁、橫梁及構(gòu)架總成的焊接、加工、檢測、試驗等工序進行有機的串聯(lián)，通過智能設(shè)備規(guī)?；?、排布集中化、生產(chǎn)節(jié)拍化、產(chǎn)品多樣化、管理信息化組成高度柔性的構(gòu)架智能焊接生產(chǎn)系統(tǒng)。

根據(jù)生產(chǎn)工藝劃分，構(gòu)架智能焊接生產(chǎn)系統(tǒng)分為側(cè)梁自動組裝區(qū)、側(cè)梁自動焊接區(qū)、側(cè)橫梁人工作業(yè)區(qū)、橫梁自動打磨區(qū)、橫梁自動焊接區(qū)、構(gòu)架自動焊接區(qū)、立體存放區(qū)、構(gòu)架人工作業(yè)區(qū)等區(qū)塊，主要生產(chǎn)設(shè)備包括側(cè)梁、橫梁、構(gòu)架焊接機器人系統(tǒng)，自動組裝拼焊機器人系統(tǒng)，打磨機器人系統(tǒng)，板材AGV運輸車，半成品RGV運輸車，立體料庫，人工工作站，線邊料架，生產(chǎn)線配套安全裝置，控制中心等。生產(chǎn)系統(tǒng)總體布置如圖2所示。

3? 應用

3.1? 柔性化側(cè)梁自動組裝技術(shù)

柔性化側(cè)梁自動組裝技術(shù)用來完成蓋板、立板、彈簧帽筒及內(nèi)勁板的組裝。柔性化側(cè)梁自動組裝系統(tǒng)由自動搬運組對機器人、懸掛式點固機器人、組裝胎及板料存放臺等組成。

自動組裝搬運機器人采用6旋轉(zhuǎn)軸機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)直立安裝于可左右移動的滑軌上，使用專用的末端夾持單元從物料托盤抓取板材并將其自動放到組對工裝上，如圖3a所示。機器人所有旋轉(zhuǎn)軸配備免維護交流伺服電機，無齒輪間隙和每個軸上都帶制動的數(shù)字編碼器。自動組裝搬運機器人設(shè)計為在地面軌道上移動的形式，保證有足夠的工作范圍。6旋轉(zhuǎn)軸機器人系統(tǒng)具有高度柔性，配備多個專用夾持頭，根據(jù)板料條形碼信息，設(shè)計為可自動更換對應夾持頭，夾持單元根據(jù)多種板材規(guī)格尺寸的不同，適應不同型號的產(chǎn)品生產(chǎn)。通過擴展新編程序、更換工裝，可滿足多種側(cè)梁自動組裝需求。

自動點固機器人采用8軸點固機器人倒掛安裝，設(shè)計為可沿桁架軌道軸直線運動，在桁架下方可平行布置多臺組裝工位。8軸點固機器人可以依靠軌道軸在各組裝工位上方空間運動，保證焊縫可達。

側(cè)梁的組裝工作由自動搬運組實現(xiàn)機器人與焊接機器人協(xié)同作業(yè)，如圖3b所示。在中央計算機的控制下，機器人、抓取機構(gòu)、軌道移動軸、焊接電源和焊槍清理機構(gòu)等協(xié)調(diào)動作。

3.2? 柔性化橫梁自動打磨系統(tǒng)

構(gòu)架橫梁焊接后需進行焊縫打磨處理，打磨部位主要為縱梁與橫梁鋼管及齒輪箱吊座、電機吊座、制動夾鉗座、牽引拉桿座等與橫梁之間的焊縫，以及需形成圓滑過渡形狀的端頭。

柔性化橫梁自動打磨系統(tǒng)由一臺直立安裝的6軸機械臂和一臺單回轉(zhuǎn)軸變位機組成。機械臂采用6個高自由度的鉸接軸和反應快速的短手臂設(shè)計，配合變位機同步作業(yè)，保證以最佳角度完成打磨工作。打磨機器人系統(tǒng)終端采用碟片式打磨工具完成長直焊縫及圓弧燕尾角位置的打磨，如圖4所示?？梢允褂昧匮b置實現(xiàn)接觸尋找功能，來進行焊縫的初定位。遇到編程位置角度不合適時，打磨機器人系統(tǒng)調(diào)節(jié)機器人的位置，但打磨力可以控制不變，在正常工作狀態(tài)下，可以實時在線檢測且可實時修改打磨力和顯示補償位置。力控裝置精度達1 N，調(diào)節(jié)范圍24～800 N。調(diào)整機構(gòu)打磨位置具有自適應功能，可以將精度控制在0.1 mm，調(diào)節(jié)范圍0～35.5 mm。

3.3? 柔性化自動焊接系統(tǒng)

柔性化自動焊接系統(tǒng)包含多臺側(cè)梁、橫梁焊接專用機器人和構(gòu)架焊接專用機器人，完成構(gòu)架所有主要焊縫的多層焊接。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部件形狀復雜，為保證焊槍可達性，機器人倒掛安裝，可沿桁架軌道軸直接在工件上方的三維空間內(nèi)左右、上下直線移動;同時，在縱向滑軌橫梁下方布置可回轉(zhuǎn)、可擺動的C型框架2軸雙工位變位機。機器人采用高自由度的7軸鋁合金鑄造結(jié)構(gòu)，高自由度的鉸接軸和反應快速的短手臂設(shè)計，除了保證相對較廣的工作范圍，還可以在最佳焊槍角度下處理某些難以接近的焊縫。柔性化自動焊接系統(tǒng)如圖5所示。

焊接軟件系統(tǒng)專門為電弧焊設(shè)計，對焊接過程進行專業(yè)化的控制。任何工件程序可從焊接數(shù)據(jù)信息庫中調(diào)出對焊縫操作的定義。構(gòu)架焊接短焊縫多，需頻繁起弧，在焊接起始點上的工件污染或熔渣堆積可導致電弧引燃失敗，可選擇反復引燃、移動并引燃、爬行啟動三種方法的任意結(jié)合，以確保在焊接開始狀態(tài)下的引燃可靠性。該系統(tǒng)為高度柔性化系統(tǒng)，通過擴展新編程序、調(diào)整工裝可實現(xiàn)各種軌道車輛多種產(chǎn)品車型的自動焊接需求。同時，系統(tǒng)集成有自動預熱、自動裝夾、自動校準、焊縫跟蹤、自動換槍等多項功能。

3.4? 智能物流系統(tǒng)

采用AGV自動運輸車（圖6a）、RGV生產(chǎn)線物流運輸車（圖6b）、線邊料架、立體料庫、掃碼系統(tǒng)聯(lián)合應用方案，通過管理控制系統(tǒng)的集成、物料信息的記錄和跟蹤，保證物料轉(zhuǎn)運，實現(xiàn)整個生產(chǎn)流程運行有序、自動無縫對接。

板材自動運輸物流系統(tǒng)：通過中央智能控制系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，接收MES指令，調(diào)度多輛AGV自動運輸車，自動完成車間板材從存放區(qū)至生產(chǎn)線側(cè)橫梁組裝區(qū)的運輸。利用掃碼裝置（或RFID 自動識別技術(shù)），準確讀取物料信息及生產(chǎn)物流過程中的各項信息數(shù)據(jù)。根據(jù)產(chǎn)能，結(jié)合用戶每班的物料送料班次，與生產(chǎn)線側(cè)梁、橫梁生產(chǎn)工藝相匹配，實現(xiàn)物料取放有序。

生產(chǎn)線RGV運輸系統(tǒng)：主要實現(xiàn)側(cè)橫梁及構(gòu)架焊接工位半成品在相應工區(qū)的提取運輸及存放，并與中央智能控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接和信息通信。物流系統(tǒng)線邊物料存放架與RGV生產(chǎn)線物流運輸車具有傳感器互鎖功能，RGV生產(chǎn)線物流運輸車沿軌道軸往復運動。

立體料庫：以精益生產(chǎn)為目的，采用最小的占地面積達到產(chǎn)品生產(chǎn)的最大化，主要存放側(cè)梁、橫梁焊接成品及進行隨行工裝的入庫緩存。立體緩沖站由大型立體庫、豎直升降輸送機、出料系統(tǒng)組成，入料前和出料后的執(zhí)行動作由RGV生產(chǎn)線物流運輸車執(zhí)行。

3.5? 自動化隨行夾具系統(tǒng)

隨行夾具也是實現(xiàn)生產(chǎn)柔性化的關(guān)鍵組成部分，其基礎(chǔ)框架采用焊接式結(jié)構(gòu)，允許最大變形量1 mm。如圖7所示以橫梁為例，自動加持機構(gòu)包括主動側(cè)組件、從動側(cè)組件、連接模塊等部件。每種類型的構(gòu)架工件采用兩組連接模塊：連接模塊上部連接并夾緊工件，通過調(diào)整定位塊與壓板的位置兼容各型構(gòu)架工件的裝夾;連接模塊下部與夾具定位組件及臺位料架相連。連接模塊與各結(jié)構(gòu)形式相同，接口統(tǒng)一，便于定位。產(chǎn)品轉(zhuǎn)產(chǎn)時，工件尺寸發(fā)生變化，通過調(diào)整定位塊與壓板的位置，使得連接模塊系統(tǒng)實現(xiàn)對不同尺寸工件的定位和裝夾。自動化隨行夾具系統(tǒng)具有自鎖功能，只有在工件處于上料位置時才能實現(xiàn)鎖緊與釋放動作，主動側(cè)組件與從動側(cè)組件分別與頭尾架構(gòu)架變位機相連，其動作由焊接機器人控制系統(tǒng)控制，并與RGV生產(chǎn)線物流運輸車、物料存儲系統(tǒng)配合，實現(xiàn)構(gòu)架工位自動上下工件。

3.6? 中央智能控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集接口介于企業(yè)上游的信息系統(tǒng)（MES/MOM）與下游的自動化設(shè)備之間，具有承上啟下的重要功能：一方面，需要將上游信息系統(tǒng)的生產(chǎn)控制指令及時地下達到現(xiàn)場設(shè)備;另一方面，需要規(guī)范現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，為上游信息系統(tǒng)提供實時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。生產(chǎn)線末端配置中央智能控制系統(tǒng)，可以通過主控顯示器輕易監(jiān)控FMS生產(chǎn)線狀態(tài)。中央智能控制系統(tǒng)的解決方案是以工單為驅(qū)動，以生產(chǎn)作業(yè)過程為主線，以制造現(xiàn)場管理、過程質(zhì)量管理、生產(chǎn)物流管理、設(shè)備運行維護管理、安全管理為抓手，以在線采集數(shù)據(jù)為依托，形成全面的生產(chǎn)過程管理。中央智能控制系統(tǒng)通過與企業(yè)上游的PDM、ERP、MES、MRO等信息系統(tǒng)集成，實現(xiàn)產(chǎn)品制造全過程的可追溯。

通過總體工藝技術(shù)方案優(yōu)化，有效縮短物流運輸距離，為實現(xiàn)智能化物流創(chuàng)造前提條件;通過在組裝、打磨、焊接等關(guān)鍵工序應用高度靈活的柔性化智能生產(chǎn)技術(shù)，可有效提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量;通過擴展新編程序，可實現(xiàn)多種產(chǎn)品共線生產(chǎn)。在進行產(chǎn)品轉(zhuǎn)換時，無需大規(guī)模更換工裝夾具，僅需調(diào)整夾具上的定位塊與壓板位置，即可實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)產(chǎn)?？傊麄€生產(chǎn)系統(tǒng)可實現(xiàn)無人化生產(chǎn)，新的生產(chǎn)模式具有高度的柔性化與智能化水平。

4? 結(jié)束語

本文為軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接工藝提出了一種柔性化智能制造新模式，不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性，還可大幅縮短產(chǎn)品供應時間。高度柔性化的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)系統(tǒng)能夠最大程度地重復利用現(xiàn)有生產(chǎn)資源，實現(xiàn)更好的經(jīng)濟效益。

因轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)較為復雜，目前智能焊接生產(chǎn)線的自動化生產(chǎn)率能達到約80%，部分邊角修補工作還要依靠人工完成。生產(chǎn)線一般最多可兼容五種產(chǎn)品的共線生產(chǎn)，距離完全實現(xiàn)可訂單化生產(chǎn)的柔性化智能制造尚有一定差距，仍需繼續(xù)不斷地改進創(chuàng)新。

參考文獻

[1] 沈燕青， 朱林軍， 楊波. 智能化機器人焊接技術(shù)應用[J]. 科學與財富， 2017（1）： 343.

[2] 冀相朝， 么天元， 胡文浩， 等. 軌道客車轉(zhuǎn)向架自動焊接技術(shù)應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 焊接技術(shù)， 2015， 44（12）： 1-4.

[3] 韋皓， 單巍， 劉志明. 高速動車組技術(shù)[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2016.

[4] 王文靜. 動車組轉(zhuǎn)向架[M]. 北京： 北京交通大學出版社， 2012.

作者簡介：

高加（1980—），通信作者，男，碩士，高級工程師。研究方向：軌道車輛工藝設(shè)計。

E-mail： gaojia200507@163.com

（收稿日期：2020-10-30）