柔性化智能制造系统在轨道车辆转向架构架焊接生产中的应用

摘   要： 轨道车辆部件的焊接生产模式正由过去的单一型号生产向多品种共线、订单化生产转变，柔性化、智能化焊接生产成为发展趋势。为轨道车辆转向架构架焊接生产提出一种柔性化智能制造系统。提出侧梁、横梁、构架总成等关键部件的生产工艺流程，改进生产工艺布局;通过优化瓶颈工序生产工艺，提高智能化生产水平;通过优化夹具接口，实现工件快速装夹及产品混线生产;通过智能物流系统构建，将组装、打磨、焊接、运输、检测等工序进行有机串联，形成具有高度柔性的、以中央智能控制系统为核心的柔性化智能制造系统。系统智能化水平较高，可兼容五种产品的共线焊接生产，且能够有效提高产品质量和稳定性，大幅提高生产效率。

关键词： 转向架构架;焊接;工艺优化;柔性化;智能制造

中图分类号：U213.2+1    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 06-075-07

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.013

引言

转向架构架是轨道车辆的核心部件之一，对轨道车辆起到重要承载作用，其可靠性直接影响轨道车辆的行驶安全。转向架构架结构复杂，导致焊缝位置的可达性较差，这一特点决定了其较难实现智能化生产。

当前，智能焊接技术已被各行业广泛应用在生产当中，焊接技术的发展方向是自动化、柔性化、智能化[1]。国内各主机生产企业对转向架构架的智能化生产进行了大量研究，但研究重点主要在于对局部生产工艺的智能化改进，缺乏对转向架构架智能化、柔性化生产系统的整体把控。目前的主流生产模式仍是为每种产品建设单独的生产线，生产线通用性较差，一旦需要生产新产品，必须进行布局调整，大规模更换生产装备及工装，造成大量浪费。近年来，有轨电车、磁悬浮列车、空轨列车等新制式轨道车辆不断涌现，导致产品的生产模式必须由过去的单一型号生产向多品种共线、订单化生产转变，以适应轨道交通产品市场需求的多样化和快速变化[2]。在这种形势下，将具有高度柔性化的智能制造技术应用于转向架构架焊接生产，成为一种解决问题的有效途径。

本文首先对转向架构架焊接结构特点进行分析;其次提出柔性化智能制造系统的总体技术方案;最后结合各子系统的功能，介绍系统应用情况。

1  转向架构架焊接结构特点分析

动车、拖车的转向架构架结构分别如图1a、1b所示，两种构架都主要由侧梁、横梁、纵向牵引梁、定位臂座、制动安装座等组成，主要区别是动车转向架横梁上有齿轮箱和电机吊座，拖车转向架制动安装座安装在横梁上。转向架构架为焊接结构，侧梁为箱型断面，横梁采用箱型结构或无缝钢管型材[3]。与车体结构长直焊缝多、对接焊缝多、母材壁薄相比，转向架构架的焊接结构呈现出截然不同的特征：

（1）构架内部多为加强筋板结构，受加强筋板阻隔以及构架内部空间小等因素影响，短焊缝数量多。焊接过程中需要频繁地熄弧和引弧焊接，不利于发挥智能化焊接方法中连续长时间、大批量焊接的优势[4]。

（2）构架定位臂座、牵引梁等部件的板厚可达50 mm，需提前进行预热处理，不利于流水线焊接作业智能化。

（3）构架焊接工序多，工艺流程复杂，特别是侧梁、横梁的生产需往复流转，工件运输线路繁杂，不利于实现物流智能化。

2  总体技术方案

2.1  基于柔性化智能焊接的生产工艺流程设计

（1）侧梁：侧梁自动组对→侧梁自动焊接→侧梁二次组对→侧梁自动焊接→部件组焊→打磨修补→侧梁调直→侧梁探伤→侧梁加工;

（2）横梁：横梁一步组对→自动焊接→横梁二步组对→自动焊接→打磨修补→横梁探伤→调修;

（3）构架总成：构架组装→构架自动焊接→部件组焊→构架探伤→构架气密性试验。

2.2  系统总体方案

根据转向架构架焊接生产特点，应用人工智能技术、自动识别技术、智能定位技术等先进技术手段，建立柔性化智能焊接生产系统。首先，通过工艺优化，按照工艺流程进行车间布局，解决生产物流系统紊乱、节拍不一致问题;其次，优化构架焊接生产中组装、焊接、打磨、存储等瓶颈工序，减少生产占地面积，提升智能化生产水平;再次，设计通用随行工装夹具平台，平台与工件存放系统、作业台位等夹具接口一致，实现工件快速装夹及不同产品的混线生产;最后，采用自动物流系统将构架侧梁、横梁及构架总成的焊接、加工、检测、试验等工序进行有机的串联，通过智能设备规模化、排布集中化、生产节拍化、产品多样化、管理信息化组成高度柔性的构架智能焊接生产系统。

根据生产工艺划分，构架智能焊接生产系统分为侧梁自动组装区、侧梁自动焊接区、侧横梁人工作业区、横梁自动打磨区、横梁自动焊接区、构架自动焊接区、立体存放区、构架人工作业区等区块，主要生产设备包括侧梁、横梁、构架焊接机器人系统，自动组装拼焊机器人系统，打磨机器人系统，板材AGV运输车，半成品RGV运输车，立体料库，人工工作站，线边料架，生产线配套安全装置，控制中心等。生产系统总体布置如图2所示。

3  应用

3.1  柔性化侧梁自动组装技术

柔性化侧梁自动组装技术用来完成盖板、立板、弹簧帽筒及内劲板的组装。柔性化侧梁自动组装系统由自动搬运组对机器人、悬挂式点固机器人、组装胎及板料存放台等组成。

自动组装搬运机器人采用6旋转轴机器人系统。该系统直立安装于可左右移动的滑轨上，使用专用的末端夹持单元从物料托盘抓取板材并将其自动放到组对工装上，如图3a所示。机器人所有旋转轴配备免维护交流伺服电机，无齿轮间隙和每个轴上都带制动的数字编码器。自动组装搬运机器人设计为在地面轨道上移动的形式，保证有足够的工作范围。6旋转轴机器人系统具有高度柔性，配备多个专用夹持头，根据板料条形码信息，设计为可自动更换对应夹持头，夹持单元根据多种板材规格尺寸的不同，适应不同型号的产品生产。通過扩展新编程序、更换工装，可满足多种侧梁自动组装需求。

自动点固机器人采用8轴点固机器人倒挂安装，设计为可沿桁架轨道轴直线运动，在桁架下方可平行布置多台组装工位。8轴点固机器人可以依靠轨道轴在各组装工位上方空间运动，保证焊缝可达。

侧梁的组装工作由自动搬运组实现机器人与焊接机器人协同作业，如图3b所示。在中央计算机的控制下，机器人、抓取机构、轨道移动轴、焊接电源和焊枪清理机构等协调动作。

3.2  柔性化横梁自动打磨系统

构架横梁焊接后需进行焊缝打磨处理，打磨部位主要为纵梁与横梁钢管及齿轮箱吊座、电机吊座、制动夹钳座、牵引拉杆座等与横梁之间的焊缝，以及需形成圆滑过渡形状的端头。

柔性化横梁自动打磨系统由一台直立安装的6轴机械臂和一台单回转轴变位机组成。机械臂采用6个高自由度的铰接轴和反应快速的短手臂设计，配合变位机同步作业，保证以最佳角度完成打磨工作。打磨机器人系统终端采用碟片式打磨工具完成长直焊缝及圆弧燕尾角位置的打磨，如图4所示。可以使用力控装置实现接触寻找功能，来进行焊缝的初定位。遇到编程位置角度不合适时，打磨机器人系统调节机器人的位置，但打磨力可以控制不变，在正常工作状态下，可以实时在线检测且可实时修改打磨力和显示补偿位置。力控装置精度达1 N，调节范围24～800 N。调整机构打磨位置具有自适应功能，可以将精度控制在0.1 mm，调节范围0～35.5 mm。

3.3  柔性化自动焊接系统

柔性化自动焊接系统包含多台侧梁、横梁焊接专用机器人和构架焊接专用机器人，完成构架所有主要焊缝的多层焊接。

转向架构架部件形状复杂，为保证焊枪可达性，机器人倒挂安装，可沿桁架轨道轴直接在工件上方的三维空间内左右、上下直线移动;同时，在纵向滑轨横梁下方布置可回转、可摆动的C型框架2轴双工位变位机。机器人采用高自由度的7轴铝合金铸造结构，高自由度的铰接轴和反应快速的短手臂设计，除了保证相对较广的工作范围，还可以在最佳焊枪角度下处理某些难以接近的焊缝。柔性化自动焊接系统如图5所示。

焊接软件系统专门为电弧焊设计，对焊接过程进行专业化的控制。任何工件程序可从焊接数据信息库中调出对焊缝操作的定义。构架焊接短焊缝多，需频繁起弧，在焊接起始点上的工件污染或熔渣堆积可导致电弧引燃失败，可选择反复引燃、移动并引燃、爬行启动三种方法的任意结合，以确保在焊接开始状态下的引燃可靠性。该系统为高度柔性化系统，通过扩展新编程序、调整工装可实现各种轨道车辆多种产品车型的自动焊接需求。同时，系统集成有自动预热、自动装夹、自动校准、焊缝跟踪、自动换枪等多项功能。

3.4  智能物流系統

采用AGV自动运输车（图6a）、RGV生产线物流运输车（图6b）、线边料架、立体料库、扫码系统联合应用方案，通过管理控制系统的集成、物料信息的记录和跟踪，保证物料转运，实现整个生产流程运行有序、自动无缝对接。

板材自动运输物流系统：通过中央智能控制系统进行统一管理，接收MES指令，调度多辆AGV自动运输车，自动完成车间板材从存放区至生产线侧横梁组装区的运输。利用扫码装置（或RFID 自动识别技术），准确读取物料信息及生产物流过程中的各项信息数据。根据产能，结合用户每班的物料送料班次，与生产线侧梁、横梁生产工艺相匹配，实现物料取放有序。

生产线RGV运输系统：主要实现侧横梁及构架焊接工位半成品在相应工区的提取运输及存放，并与中央智能控制系统进行数据对接和信息通信。物流系统线边物料存放架与RGV生产线物流运输车具有传感器互锁功能，RGV生产线物流运输车沿轨道轴往复运动。

立体料库：以精益生产为目的，采用最小的占地面积达到产品生产的最大化，主要存放侧梁、横梁焊接成品及进行随行工装的入库缓存。立体缓冲站由大型立体库、竖直升降输送机、出料系统组成，入料前和出料后的执行动作由RGV生产线物流运输车执行。

3.5  自动化随行夹具系统

随行夹具也是实现生产柔性化的关键组成部分，其基础框架采用焊接式结构，允许最大变形量1 mm。如图7所示以横梁为例，自动加持机构包括主动侧组件、从动侧组件、连接模块等部件。每种类型的构架工件采用两组连接模块：连接模块上部连接并夹紧工件，通过调整定位块与压板的位置兼容各型构架工件的装夹;连接模块下部与夹具定位组件及台位料架相连。连接模块与各结构形式相同，接口统一，便于定位。产品转产时，工件尺寸发生变化，通过调整定位块与压板的位置，使得连接模块系统实现对不同尺寸工件的定位和装夹。自动化随行夹具系统具有自锁功能，只有在工件处于上料位置时才能实现锁紧与释放动作，主动侧组件与从动侧组件分别与头尾架构架变位机相连，其动作由焊接机器人控制系统控制，并与RGV生产线物流运输车、物料存储系统配合，实现构架工位自动上下工件。

3.6  中央智能控制系统

数据采集接口介于企业上游的信息系统（MES/MOM）与下游的自动化设备之间，具有承上启下的重要功能：一方面，需要将上游信息系统的生产控制指令及时地下达到现场设备;另一方面，需要规范现场数据的采集，为上游信息系统提供实时的生产数据。生产线末端配置中央智能控制系统，可以通过主控显示器轻易监控FMS生产线状态。中央智能控制系统的解决方案是以工单为驱动，以生产作业过程为主线，以制造现场管理、过程质量管理、生产物流管理、设备运行维护管理、安全管理为抓手，以在线采集数据为依托，形成全面的生产过程管理。中央智能控制系统通过与企业上游的PDM、ERP、MES、MRO等信息系统集成，实现产品制造全过程的可追溯。

通过总体工艺技术方案优化，有效缩短物流运输距离，为实现智能化物流创造前提条件;通过在组装、打磨、焊接等关键工序应用高度灵活的柔性化智能生产技术，可有效提高产品生产效率和生产质量;通过扩展新编程序，可实现多种产品共线生产。在进行产品转换时，无需大规模更换工装夹具，仅需调整夹具上的定位块与压板位置，即可实现快速转产。总之，整个生产系统可实现无人化生产，新的生产模式具有高度的柔性化与智能化水平。

4  结束语

本文为轨道车辆转向架构架的焊接工艺提出了一种柔性化智能制造新模式，不仅可以提高产品质量和稳定性，还可大幅缩短产品供应时间。高度柔性化的转向架构架焊接生产系统能够最大程度地重复利用现有生产资源，实现更好的经济效益。

因转向架构架结构较为复杂，目前智能焊接生产线的自动化生产率能达到约80%，部分边角修补工作还要依靠人工完成。生产线一般最多可兼容五种产品的共线生产，距离完全实现可订单化生产的柔性化智能制造尚有一定差距，仍需继续不断地改进创新。

参考文献

[1] 沈燕青， 朱林军， 杨波. 智能化机器人焊接技术应用[J]. 科学与财富， 2017（1）： 343.

[2] 冀相朝， 么天元， 胡文浩， 等. 轨道客车转向架自动焊接技术应用现状及发展趋势[J]. 焊接技术， 2015， 44（12）： 1-4.

[3] 韦皓， 单巍， 刘志明. 高速动车组技术[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2016.

[4] 王文静. 动车组转向架[M]. 北京： 北京交通大学出版社， 2012.

作者简介：

高加（1980—），通信作者，男，硕士，高级工程师。研究方向：轨道车辆工艺设计。

E-mail： gaojia200507@163.com

（收稿日期：2020-10-30）