焊接机器人技术在铁路车辆转向架侧梁枕梁等部件上的应用

2011-08-15张海涛

中国科技信息 2011年5期

关键词：变位转向架工件

张海涛

齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司齐齐哈尔 161002

焊接机器人技术在铁路车辆转向架侧梁枕梁等部件上的应用

张海涛

齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司齐齐哈尔 161002

介绍了机器人技术在铁路机车车辆焊接制造中的应用，并以转向架侧梁、枕梁焊接系统作为应用的实例。

机器人技术；机车车辆部件；焊接制造

前言

为适应我国高速货物运输的发展需要，齐车公司成功开发研制了高速货车转向架，通过了测试鉴定投入生产。

高速货车转向架为焊接构架式转向架，构架由2个箱形结构侧梁和2个横梁组焊而成，枕梁是由钢板焊接成的鱼腹形的箱形结构梁。

为了保证高速转向架在长期运行中动力学性能的稳定性，确保铁路货物高速运输的安全，加强转向架的关键部件摇枕、侧梁、焊接构架等焊接质量及可靠性是非常必要的。

为此，将机器人焊接技术应用于转向架侧梁、摇枕的焊接生产是保证焊接质量，提高可靠性的有效方法。

一、工件信息

产品名称：2E轴构架式转向架侧梁及枕梁

母材材质：Q345E

工件重量：307Kg、339 Kg

工艺要求：焊接腹板与上、下盖板之间的焊缝，坡口形式为全焊透Y型坡口或角焊缝，角焊缝焊脚尺寸为8mm。组装间隙控制在1～3mm，定位焊间距200mm，定位焊每段长度10～20mm。

二、生产流程

侧梁、枕梁：组对→焊接→探伤

三、焊接工艺

所有焊缝均采用MAG焊，焊丝牌号SM-70，直径Φ1.2mm，保护气体Ar80%+CO220%。每条焊缝分两层焊接完成，第一层打底采、第二层填充盖面,单枪单丝焊接。

四、焊接质量要求

要求焊缝外观成型良好，焊缝与母材圆滑过渡，焊缝不应有裂纹、弧坑、夹渣等缺陷。每100mm范围内气孔数不得多于2个，且单个气孔直径不得大于2mm。

五、机器人焊接系统配置

整个系统由德国KUKA KR16工业机器人、龙门式移动滑台装置、L型双轴变位机2台、焊接电源TS5000（奥地利福尼斯）、水冷焊枪系统（德国宾采尔）及清枪剪丝装置等构成,电压稳压器，并预留焊烟排尘接口。

整个系统由机器人控制柜集中统一控制；自动按照设定的程序完成焊缝寻找定位、焊缝跟踪、焊接参数控制、焊接质量控制、焊接顺序、清枪等功能。

CLV03 1-单轴移动龙门式移动滑台,行程为7米，适用于机器人的悬挂安装，由伺服电机驱动减速器，通过独有的齿轮齿条无间隙传动技术，使驱动溜板在两组直线滑轨上滑行。龙门架运动采用的伺服电机和伺服驱动为机器人的外部轴，由KRC2机器人控制器控制实现联动。

六、操作流程

6.1 工件装夹

操作人员使用行车将组对好的工件安装在变位机上的焊接夹具，按“加紧”按钮将工件定位夹紧，退出机器人工作区域，双手按下操作台上的“开始”按钮，向机器人系统发出“工件到位，开始自动焊接”的指令，机器人系统执行程序开始自动焊接。

6.2 机器人焊接

自1962年美国推出世界第一台Unimat型和Versatra型工业机器人以来，2005年底全世界已有大约260万台工业机器人投入生产应用。这其中大约半数是焊接机器人[1]。随着现代高技术产品的发展和对焊接产品质量、数量的需求不断提高，以焊接机器人为核心的焊接自动化技术已有了长足的发展。近25年来，焊接技术的发展比任何时期都快，从过程的控制到焊接工艺和装备都不断有新的突破，为焊接生产向优质、高效、低成本的方向发展提供了前所未有的良好条件。焊接过程的自动化、机械化是机械制造企业焊接生产技术改造的主要方向[2]。因为采用了机械化、自动化的焊接设备会使焊接车间的生产效率提高2～4倍，改善及稳定焊接质量，减少废品或返修量，降低成本，并能形成一个比较清洁文明和安全卫生的劳动环境。同时由于市场竞争加剧，产品趋向个性化，生产批量越来越短，使得常规的生产方式难以适应。出路只有一条，那就是加速技术改造，用生产的柔性化和自动化解决这一矛盾[3]。

目前我国焊接生产的机械化、自动化水平还很低，根据1995和1997年我国焊接材料生产的统计数据，全年焊接材料总产量已达70～80万吨，而各种焊丝的产量才约为8万吨[4]。我国的焊接机械化自动化率，按熔敷金属量来计算，近几年一致徘徊在20%左右。既使再考虑各厂自行进口的那部分气电焊和埋弧焊焊丝的话，自动化率也不会超过25%，仍达不到日本1973的35%的水平，而和世界工业发达国家当前的60%相比，差距是明显的[5]。据国际机器人联合会及联合国欧洲经济委员会统计及预测，1996年到2000年期间，工业机器人的需求量以每年13%的速度增长，到2002年，全世界将有近140万台机器人投入使用。从世界上工业机器人应用的统计结果来看，主要应用领域是焊接。所以说，从现在开始到2010年，将会是我国机械制造行业技术改造的又一个高潮时期，尤其焊接生产技术的改造。因为只有这样，才能在21世纪激烈的国际竞争中，使我国的机械制造业能在世界市场上有立足之地。

焊接机器人的主要优点如下：

1）稳定和提高焊接质量，保证其均匀；

2）提高劳动生产率，一天可24小时连续生产；

3）改善工人的劳动条件，可在有害环境下工作；

4）降低对工人操作技术的要求；

5）缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；

6）可实现小批量产品的焊接自动化；

7）能在空间站建设、核能设备维修、深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业；

8）为焊接柔性生产线提供技术基础。

焊接机器人主要应用于下面几种情况：

1）应用于机械化程度较高的组装焊接流水线上。在组装焊接流水线上生产的产品一般都年产量较高，例如，汽车生产企业。生产企业为了提高年生产量，扩大本企业产品在市场上的销售份额，采用生产效率高的焊接机器人来生产产品。这也是焊接机器人的优点之一[6]。

2）应用于专业化程度高的企业。在许多微电子行业，如电视机、计算机等，大多数都采用了焊接机器人[7]。由于其专业化程度高，每个工序组装焊接不同的零部件，生产工艺参数各不相同，这就要求不同的焊接机器人组焊不同的部件，完成不同的生产任务，以提高生产效率[8]。

3）应用于对人体有毒、有害以及危险的工作环境。大多数企业所采用的焊接方法一般为手工电弧焊及CO2混合气体保护焊[9]。焊接过程中，焊条药皮的反应及保护气体发生的化学反应，会产生气态和颗粒状的物质，即焊接烟尘与气体。当焊接烟尘和保护气体超过允许浓度时，就会影响焊工的身体健康。一般在一些特殊行业，如油漆喷涂、焊接环境恶劣，以及存在潜在危险的工序，一般会采用机器人进行操作。机器人在这种环境下操作，避免了在工作中对人体的危害。

机器人使用接触寻位功能寻找焊缝起始点位置，对需要焊接的每条焊缝进行寻找；启弧后自动打开电弧跟踪功能对焊缝进行跟踪，纠正部件在组对点固时所产生的精度偏差。完成工件的打底焊接后，机器人按事先设置的偏移量自动生成盖面焊接轨迹进行盖面焊（多层多道焊工艺）。

通过变位机的旋转变位保证工件的焊缝始终处于船型位置施焊，以防止熔池下陷、焊缝不对称现象的发生，保证焊缝圆滑对称且焊缝两侧与母材形成平滑过渡。

6.3 工件装卸

当机器人焊接完毕后，将自动移动到另一变位机处进行焊接，这时操作人员可将焊后工件卸下，装上新的待焊工件。由于系统内布置有2台变位机工位，操作人员可分别进行工件装卸的工作，而机器人始终处于工作状态，可最大限度地提高生产效率。