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

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,對不銹鋼管及工裝夾具的精度要求更高。工業(yè)機器人在軌道交通行業(yè)中的應用還屬于剛剛起步階段,技術還不完全成熟。在國內也僅有長春,青島等車輛廠具有相對完善工業(yè)機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組成,焊點上萬個,其中95%均為電阻點焊。點焊所產(chǎn)生的有毒氣體,金屬飛濺致使工作環(huán)境惡劣。特殊部位喉深達到1650mm大型焊鉗的應用。如果手動操作的話,給工人帶來不便增加了勞動強度。焊接機器人的應用不僅使工人遠離有毒煙塵和飛濺,而且不需搬運笨重的C型焊鉗,把工人從繁重的體力勞動中解放出來,充分做到以人為本,深刻理解科學發(fā)展觀,把科學發(fā)展踐行到實際的經(jīng)濟生產(chǎn)中。

1天津公司焊接機器人生產(chǎn)線介紹

中國北車天津工業(yè)園內的車體車間規(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,側墻,車頂,底架及車體總組成臺位,是一條現(xiàn)代化程度高的流水線式生產(chǎn)線,各大部件在不同臺位間有序流轉,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焊接機器人系統(tǒng)構成及工作原理

焊接機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.機器人本體。2.機器人控制柜。3.焊鉗。4.焊接逆變器。5.焊接監(jiān)控單元。6.空壓機。7.水冷機等。

車體車間所采用的焊接機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,操作者牽引裝有力-力矩傳感器的機械手末端,根據(jù)任務要求使末端按一定位姿運動,實現(xiàn)示教過程。使用示教盒示教時,通過示教盒控制機器人的運動,如圖2,使之末端執(zhí)行器移動到需要的位姿上,把每一位姿信息存儲起來,經(jīng)過編輯,并再現(xiàn)示教過的動作。雖然示教的每個位姿是離散的,但經(jīng)過機器人控制柜內的控制模塊對示教點進行曲線擬合,從而連續(xù)再現(xiàn)工作過程。

3機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→點焊車頂彎梁與車頂下邊梁→樣裝機組平臺,組對點焊補強縱梁及小彎梁→吊出機組平臺→裝配點焊側頂板→裝配點固機組平臺→裝配點焊補強頂板及波紋頂板→吊入車頂組成胎位→波紋板點焊→吊入車頂正面焊接胎位→吊入車頂補點胎位進行補點→吊入車頂反面焊接胎位→完成剩余補點。車頂骨架及組成點焊采用HYUNDAI龍門式六軸雙面單點焊接機器人焊接完成。此焊接機器人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、焊接預壓時間、焊接壓緊時間、焊接電流、電極修磨次數(shù)等�？刂乒裆霞�成了BOSCH焊接控制器,具有實時顯示焊接規(guī)范參數(shù)顯示功能,焊接結果數(shù)據(jù)存儲及管理功能,操作人員、設備種類、零部件。

為了實現(xiàn)高質量焊接就必須要求對焊接機器人實行實時控制,一方面要求焊接機器人對末端焊鉗姿態(tài)進行精確控制,對運動軌跡進行規(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)生意外干涉提高機器人程序一致性。

3.2側墻骨架

組對下邊梁、立柱、立柱組成、窗上橫梁、窗下橫梁、雙馬腿帽形→點焊窗口立柱與窗上、下橫梁和下邊梁及連接板→點焊立柱與雙馬腿帽形梁、下邊梁及連接板側墻骨架點焊同樣采用HYUNDAI龍門式六軸雙面單點焊接機器人焊接完成。最多為四層板搭接點焊,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→點焊主橫梁與連接角鐵→點焊邊梁與主橫梁→端部底架與底架邊梁焊接→鋪裝波紋地板→拉緊→點焊波紋地板與底架骨架→完成全部點焊。

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

機器人控制器為日本MIYACHI社,可設定60種焊接條件。具有示教編程功能和手動的操作方式,配備有彩色操作顯示屏幕,可顯示焊機的開/關、異常停機等信息,具有自診斷功能。示教器可實現(xiàn)手動、自動焊接作業(yè),手動作業(yè)迅速靈敏。機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、水、電以及控制系統(tǒng)等的通用性能。

4焊接機器人安全措施

焊接機器人具有出色安全設計,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,在長時間重復性工作中還能克服人類長時間疲勞性工作的問題,做到比熟練的高級焊工更穩(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)上各設有緊急停止按鈕。在機器人安全連撞電路上,必要時可連接額外的緊急停止開關。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和各部件伺服電機運行,同事通過電源阻斷來限制機器人的危險功能。

4.2安全停止功能

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

4.3速度限制功能

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

4.4限制動作域

各軸動作領域受軟限位(soft limit)和硬限位(hardware limit)的控制。1-3軸動作域還受機械停止器(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,廠房需要擴能增效,在不銹鋼車體裝配焊接生產(chǎn)線上焊接機器人數(shù)量會越來越大。隨著焊接機器人在鐵路行業(yè)的不斷發(fā)展,會出現(xiàn)在同一個臺位上,多臺機器人同時作業(yè)的情況。在多機器人同時并行協(xié)作的條件下,要避免因信號交換錯誤導致的機器人間的碰撞干涉。目前協(xié)作機器人間的通信都采用I/O來交換狀態(tài),以確定等待時間(waiting),信號是否偏置到設定時間還是等待取消(waitingcancel)。目前信號檢測還是以“點”的方式檢測,即在某一運動程序中,確認某一握手信號(Handshake signals)來決定是否繼續(xù)工作,而不是在運動程序中持續(xù)檢測障礙物或協(xié)作機器人。因此,檢測過后若機器人軌跡發(fā)生錯誤或協(xié)作信號異常,便會發(fā)生碰撞。