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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。工業機器人在軌道交通行業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機器人不銹鋼車體生產線。

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。點焊所產生的有毒氣體,金屬飛濺致使工作環境惡劣。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,深刻理解科學發展觀,把科學發展踐行到實際的經濟生產中。

1天津公司焊接機器人生產線介紹

中國北車天津工業園內的車體車間規劃成具有完整生產能力的不銹鋼車體生產線,可以滿足各類不銹鋼軌道車輛車體的制造。此生產線包括端墻,側墻,車頂,底架及車體總組成臺位,是一條現代化程度高的流水線式生產線,各大部件在不同臺位間有序流轉,大大提高了生產效率,符合現代精益化生產的要求。

2焊接機器人系統構成及工作原理

焊接機器人是高度柔性化加工系統,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(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,根據任務要求使末端按一定位姿運動,實現示教過程。使用示教盒示教時,通過示教盒控制機器人的運動,如圖2,使之末端執行器移動到需要的位姿上,把每一位姿信息存儲起來,經過編輯,并再現示教過的動作。雖然示教的每個位姿是離散的,但經過機器人控制柜內的控制模塊對示教點進行曲線擬合,從而連續再現工作過程。

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:如焊鉗焊接壓力、焊接預壓時間、焊接壓緊時間、焊接電流、電極修磨次數等。控制柜上集成了BOSCH焊接控制器,具有實時顯示焊接規范參數顯示功能,焊接結果數據存儲及管理功能,操作人員、設備種類、零部件。

為了實現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進行精確控制,對運動軌跡進行規劃以避讓干涉,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。示教器可實現手動、自動焊接作業,手動作業迅速靈敏。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格的焊鉗,且能夠保證風、水、電以及控制系統等的通用性能。

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環境中解放出來,改善工作環境保障工人安全,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定更安全的作業。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。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,天津公司后續發展壯大,廠房需要擴能增效,在不銹鋼車體裝配焊接生產線上焊接機器人數量會越來越大。隨著焊接機器人在鐵路行業的不斷發展,會出現在同一個臺位上,多臺機器人同時作業的情況。在多機器人同時并行協作的條件下,要避免因信號交換錯誤導致的機器人間的碰撞干涉。目前協作機器人間的通信都采用I/O來交換狀態,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)來決定是否繼續工作,而不是在運動程序中持續檢測障礙物或協作機器人。因此,檢測過后若機器人軌跡發生錯誤或協作信號異常,便會發生碰撞。