機器人技術(shù)在鐵路貨車制造中的應用及發(fā)展趨勢

陳 望

（中車眉山車輛有限公司，四川眉山 620032）

1 背景

機器人作為20 世紀人類最偉大的發(fā)明之一，從誕生之日起就在各個領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展。1965 年，隨著美國麻省理工學院的Roborts 研發(fā)了帶視覺系統(tǒng)、具有簡單識別和定位功能的機器人，機器人開始進入工業(yè)領(lǐng)域。進入21 世紀后，工業(yè)制造開始向自動化生產(chǎn)、智能化制造方面進行轉(zhuǎn)型升級，導致機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上升到國家戰(zhàn)略層面，美國、德國、日本等制造業(yè)強國先后制訂了機器人發(fā)展方面的國家戰(zhàn)略，并推動機器人技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域中的應用，先后出現(xiàn)了如豐田公司全自動化汽車生產(chǎn)線、富士康公司“黑燈工廠”、發(fā)那科公司的機器人制造機器人等機器人應用的成功案例。

我國從20 世紀80 年代開始進行機器人方面的研究，并在1987 年將機器人技術(shù)的研究列入國家“863”高技術(shù)發(fā)展計劃。進入21 世紀，我國面臨著從工業(yè)制造大國向工業(yè)制造強國轉(zhuǎn)變的歷史機遇，2014 年，兩院院士大會指出“機器人革命”有望成為“第三次工業(yè)革命”的一個切入點和重要增長點，將影響全球制造業(yè)格局；機器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。這表明我國已意識到機器人技術(shù)在科技革命和產(chǎn)業(yè)升級中所扮演的重要角色，也在政策層面上推動了機器人技術(shù)在我國的研發(fā)和應用。

2 機器人技術(shù)在鐵路貨車制造過程中的應用歷程

盡管機器人技術(shù)已經(jīng)在汽車、電子電器、金屬加工、橡膠塑料和食品飲料等行業(yè)實現(xiàn)了大規(guī)模的應用，并取得了較好的效果，特別是在汽車制造行業(yè)，其擁有機器人的數(shù)量占全部工業(yè)機器人數(shù)量的50%以上，機器人已廣泛應用于汽車制造的下料、壓型、焊接、噴涂、組裝等各個環(huán)節(jié)，個別工廠的自動化率已達到97%以上。但是，作為同樣由下料、壓型、焊接、噴涂、組裝等工序組成的鐵路貨車制造業(yè)，機器人應用的進展卻非常緩慢。

鐵路貨車制造行業(yè)屬于典型的勞動密集型行業(yè)，從業(yè)人員數(shù)量多、勞動強度大、工作中存在大量的簡單重復勞動，這些都是利用機器人替代人工的理想所在，但是機器人并沒有在鐵路貨車制造行業(yè)得到大規(guī)模的應用，只是在局部的工序中進行過一些探索和嘗試。

2000 年左右，德國卡爾克魯斯焊接技術(shù)有限公司率先進軍中國鐵路貨車制造領(lǐng)域，利用CLOOS 焊接機器人實現(xiàn)了側(cè)架支撐座的自動焊接，隨后該項技術(shù)被推廣到整個鐵路貨車制造企業(yè)。

在2003 年左右，國內(nèi)鐵路貨車制造企業(yè)先后利用CLOOS 焊接機器人進行棚車車頂?shù)暮附雍屠肁BB 機器人進行整車油漆噴涂，但由于鐵路貨車零部件的制造精度差、組裝定位夾具柔性不足、機器人定位和跟蹤技術(shù)不成熟、編程困難等原因，致使這些項目設(shè)備在短暫使用后都閑置了，這也導致以后的10 多年，國內(nèi)鐵路貨車制造企業(yè)在機器人應用方面的嘗試和探索都顯得小心翼翼，謹小慎微，這也是機器人技術(shù)目前依然沒有在鐵路貨車制造行業(yè)得到大規(guī)模應用的主要原因之一。

3 機器人技術(shù)在鐵路貨車制造過程中應用的未來

3.1 機器人技術(shù)在鐵路貨車制造中大規(guī)模的應用成為可能

（1）機器人的精度得到了提升。以發(fā)那科公司的FANUC Robot M-710ic/70 機器人為例，其控制軸數(shù)為6 軸，腕部可搬運重量為70 kg，回轉(zhuǎn)半徑達2050 mm，其重復定位精度達到了±0.04 mm，這樣的精度等級完全能夠滿足鐵路貨車車體和零部件制造的需要。

（2）機器人的負重能力得到了提升。以發(fā)那科公司的M-2000iA/1200 機器人為例，其回轉(zhuǎn)半徑達3730 mm，最大負重能力達1200 kg，也就是說這樣的機器人負重能力可以滿足90%以上的鐵路貨車制造零部件的搬運需要，如果采用雙機聯(lián)動方式，可以滿足98%以上的鐵路貨車零部件的搬運需要。

（3）機器人的定位和跟蹤技術(shù)得到了提升。機器人應用的關(guān)鍵技術(shù)除了定位精度和負重能力外，還包括定位和跟蹤技術(shù)，因為在制造過程中工件不可避免的存在加工精度和定位組裝精度偏差，特別是在鐵路貨車制造領(lǐng)域，工件同一焊縫的位置誤差一般在1～20 mm，如果沒有可靠的定位和跟蹤技術(shù)，基本不可能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。目前機器人焊接領(lǐng)域常用的起始點尋位功能，以及電弧跟蹤和激光跟蹤技術(shù)都非常成熟，在實驗室條件下，電弧跟蹤功能在焊接長度為350 mm，焊接起點位置不變，終點沿水平面向外偏移60 mm 的情況下能夠跟蹤焊縫，并且焊接效果和無偏移時相比沒有明顯區(qū)別，完全能夠滿足工件焊接糾偏的需要，而激光跟蹤技術(shù)在跟蹤精度和速度方面更優(yōu)于電弧跟蹤。

（4）機器人的編程技術(shù)得到了提升。以前的機器人編程技術(shù)為示教編程，工人用示教器或者直接握住機器人手臂，讓機器人按所需軌跡走一遍，這樣機器人就能夠記錄該運動軌跡并重復執(zhí)行，但這種示教的編程方式對于復雜零部件的加工和自動化生產(chǎn)來說就不適用了。目前絕大多數(shù)廠家的機器人都具有離線編程功能，技術(shù)人員可以利用離線編程軟件進行三維仿真編程，編程的難度大大降低。

（5）機器人的集成技術(shù)得到了提升。隨著機器人應用范圍的擴大，機器人按功能分類越來越細化，如Fanuc 機器人就按功能細分為點焊機器人，弧焊機器人、裝配機器人、碼垛機器人、材料加工機器人、機床上下料機器人、噴涂和涂裝機器人、物流搬運機器人、拾取及包裝機器人等。通過個性化定制和功能集成，如機器人技術(shù)與焊接設(shè)備的集成、機器人技術(shù)與噴涂設(shè)備的集成等，再配上各種特定功能的軟件包，讓機器人的功能越來越強大，使用越來越方便。

（6）機器人輔助設(shè)備的制造技術(shù)得到了提升。如目前機器人滑臺等移動機構(gòu)的重復定位精度達到了±0.1 mm，變位機重復定位精度達到了±0.1 mm。另外夾具、伺服轉(zhuǎn)臺、伺服柔性定位裝置、端拾器等輔助設(shè)備的制造精度也得到了大幅提升，幾乎達到了機床級的精度范圍。

3.2 機器人技術(shù)在鐵路貨車制造領(lǐng)域具有廣闊的應用空間

鐵路貨車制造企業(yè)是典型的勞動密集型企業(yè)，人員需求多、勞動強度大、作業(yè)環(huán)境中存在焊接煙塵、鑄造粉塵、噪聲、漆霧和有機廢氣污染等，亟需實現(xiàn)“以機代人”把工人從繁重的勞動和惡劣的工作環(huán)境中解放出來。同時在鐵路貨車各制造環(huán)節(jié)中存在大量如焊接、噴涂、切割、搬運等可用機器人實現(xiàn)的工序，以80 t 級通用鐵路貨運敞車為例，每臺敞車包含了約2114 條焊縫，焊縫總長度達1027 m；有165 種，共562 件剪切件；有114種，共325 件折壓件，數(shù)控切割長度為180 m，油漆使用量達289.9 kg，這些工序為機器人的應用提供了廣闊的空間。

3.3 鐵路貨車制造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級使機器人技術(shù)的應用成為必然

近年來，鐵路貨車制造企業(yè)由于產(chǎn)能嚴重過剩，市場競爭異常激烈，絕大多數(shù)企業(yè)長期處于虧損或微利狀態(tài)。同時，機械制造企業(yè)“用工荒”的出現(xiàn)和勞動力成本的大幅上升又使企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營雪上加霜。在這樣的環(huán)境下進行產(chǎn)業(yè)升級，提高生產(chǎn)效率，降低用工成本是鐵路貨車制造企業(yè)面臨的首要任務(wù)，而在制造環(huán)節(jié)使用機器人，實現(xiàn)“以機代人”就成為絕大多數(shù)企業(yè)的必然選擇。

3.4 機器人技術(shù)在鐵路貨車制造行業(yè)應用的強大動力

隨著機器人產(chǎn)能的擴大，機器人的價格出現(xiàn)了較大的下滑，以世界機器人領(lǐng)域的日本安川電機、發(fā)那科、德國庫卡、瑞士ABB 為例，在近10 年工業(yè)機器人價格由平均50 萬元左右下降到目前的15～20 萬元，而新松、埃夫特、埃斯頓等國產(chǎn)機器人的價格已到8 萬元以下，對于經(jīng)濟效益普遍不好的鐵路貨車制造企業(yè)來說，機器人價格的大幅度下降無疑在推動機器人應用的決策中起到了關(guān)鍵作用。

另外，國內(nèi)汽車行業(yè)已經(jīng)處于飽和期，汽車需求的下滑和汽車行業(yè)的全面調(diào)整已經(jīng)到來，這使得原服務(wù)于汽車行業(yè)的大量機器人集成供應商不得不另謀出路，導致資金和技術(shù)流向鐵路貨車制造這樣的機器人應用洼地，無形之中推動了鐵路貨車制造行業(yè)機器人的應用。

4 實施建議

盡管無論從機器人應用技術(shù)的發(fā)展還是鐵路貨車制造企業(yè)自身的需求看，機器人進入鐵路貨車制造行業(yè)的機遇已經(jīng)到來，但是由于鐵路貨車制造企業(yè)在機器人應用方面的技術(shù)積累較少，鐵路貨車制造企業(yè)的經(jīng)濟效益較差，因此鐵路貨車制造企業(yè)在機器人應用方面應采取先試點后推廣的謹慎態(tài)度。在焊接、噴涂、搬運等作業(yè)中選擇作業(yè)人員多、勞動強度大、工作環(huán)境惡劣的工序進行試點。通過試點，積累經(jīng)驗，培養(yǎng)人才，從而實現(xiàn)機器人應用從點到線、從線到面的突破。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著機器人技術(shù)的發(fā)展和鐵路貨車制造企業(yè)自身發(fā)展的需要，機器人技術(shù)在鐵路貨車制造過程中應用的時機已經(jīng)成熟，鐵路貨車制造行業(yè)將成為繼汽車、家電、物流之后又一個機器人應用的重要領(lǐng)域，也將隨著機器人技術(shù)的應用和普及實現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升、產(chǎn)品質(zhì)量的提高和制造成本的降低，從而實現(xiàn)鐵路貨車制造企業(yè)核心競爭力的提升和產(chǎn)業(yè)升級。