铁路货车枕梁自动化焊装生产线

2021-09-10汤哲李铜程洪建贾罗云曾亮唐磊

电焊机 2021年4期

汤哲李铜程洪建贾罗云曾亮唐磊

摘要：针对铁路货车枕梁设计了一条自动化焊装生产线，依据焊接制造工艺设置不同的工位和物流措施，达到流水线作业模式。通过自动化、数字化控制系统，管理和控制上料、组对、焊接、下料等一系列工艺过程，通过控制系统收集现场设备的工作状态和焊接过程实时数据，并通过总线方式上传到中控系统，以数字化信息显示过程状态;通过与MES系统接口，实现了对生产线及生产过程的集中监控。

关键词：枕梁;数字化;焊接生产线

中图分类号：TG409 文献标志码：A 文章编号：1001-2003（2021）04-0048-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.09

0 前言

自动化流水线作业方式普遍适用于焊装生产过程，特别是在汽车领域和高铁动车组领域。目前机车车体的许多部件，如枕梁、边梁、箱型梁、弦梁等，均已实现了自动焊[1-4]，然而铁路货车的自动化应用还略显落后。随着数字化经济的逐渐深入发展，为顺应产品制造过程自动化、产品质量控制数字化和产品质量可追溯等一系列要求，铁路货车领域也逐渐走上自动化生产、数字化管理應用发展的道路。

1 产品

枕梁是铁路货车车厢底架上的受力结构件，枕梁组成是影响车体与转向架落成质量的最关键因素之一，其制造质量直接影响产品的制造质量[5]。C70车型枕梁产品如图1所示。

该产品均由异形钢板拼装焊接而成，焊缝接头连接形式主要是角焊缝，实现其自动化生产、数字化管理方式是现阶段产品生产主要考虑的发展方向。自动化生产包含自动上料、自动物流、自动焊接、自动下料等一系列过程;产品型号切换数字化管理，过程数据、状态信息数字化查看并汇总集中显示是生产线的基本要求。

2 工艺路线

枕梁焊装生产的工艺路线如图2所示。

（1）上料：通过半自动方式将物料按要求放置在约定区域，机器人通过程序控制实现对物料的分拣并搬运到指定的工装位置上。

（2）组对：将下盖板、腹板、隔板按图纸要求在定位工装的约束下，通过人工焊接实现点固。

（3）焊接：点固后的产品通过机器人自动搬运到机器人焊接工位，双机器人焊接系统实现对产品焊缝满焊。

（4）补焊检查：焊接完成后的产品通过机器人搬运到补焊工位，此工位主要焊装小附件，同时解决机器人焊接工位遗留的未焊接完成的焊缝和焊接缺陷。产品质量外观检查在焊接完成后进行。

（5）出料：检查合格后的产品利用机器人搬运并自动码垛。

3 生产线布局

根据产品的结构特点、焊接过程控制要求、生产节拍要求及车间面积实际使用情况，整体布局设计为：腹板分料放置架工位、下盖板分料放置架工位、枕梁组对焊接工位、机器人自动焊接工位、头尾座变位机补焊工位、产品成品区，具体如图3所示。

3.1 腹板分料放置架

腹板分料放置架由腹板料框和料框定位装置构成，便于实现腹板的自动初定位及机器人自动抓取上料。

在搬运机器人侧配置腹板二次定位装置，并放置于搬运机器人的移动滑板上，随机器人在地轨上一起运动，以提高机器人的搬运效率。由于腹板料框对腹板只是初定位且有自行分层要求，达不到腹板在组对夹具上的定位要求，故腹板二次定位装置是为了精准定位工件，以便机器人抓取到组对夹具上能够精确定位。

3.2 下盖板分料放置架

下盖板分料放置架由下盖板料框和料框定位装置构成，如图5所示。便于实现下盖板的自动初定位及机器人自动抓取上料。

3.3 双机器人搬运系统

双机器人搬运系统由两套不同规格的搬运机器人和行走地轨组成，一套用于零部件上料，另外一套用于半成品转运，均采用永磁电磁铁抓具，各自独立运行，互不干涉，从而实现零部件的自动上料和成品工件自动卸料码垛。

3.4 组对点固夹具结构

组对点固夹具主要由下盖板定位装置、腹板定位装置、手持用隔板靠模板及夹具底座组成，方案如图6所示。下盖板定位装置采用下盖板底面万向球定位。

腹板定位装置采用两腹板内侧定位结构和腹板外侧分别压紧结构。两腹板内侧定位结构采用液压驱动连杆机构，便于工件点定完后部件搬运机器人能够顺利抓取出工件。液压驱动连杆机构可根据不同型号工件调整前后方向的位置。轨道交通车辆底架组焊工装是为提高底架钢结构焊接质量而设计的一种专用焊接辅助装备[6-7]。

3.5 机器人焊接工作站

机器人焊接工作站设计成双工位形式（见图7），每个工位由两台机器人组成，主从配置方式，搭载一套变位机，实现对主要焊缝的全覆盖，可以获得较好的焊接位置，从而保证焊缝成形的质量。为了得到较好的焊接位置状态，机器人采用一套正装、一套吊装方式，变位机构采用L型变位机构，尽可能将工件完全暴露在机器人的作业范围之内，为了适应产品装配尺寸偏差而防止焊接位置偏差，机器人均配置焊缝寻位传感器和电弧跟踪传感器。

4 数字化控制系统

控制系统作为一条生产线运行的中枢神经系统，上料、组对、焊接、搬运、物流、出料、码垛等功能关系均需要通过相互关联控制并按照产品工艺逻辑要求来实现。

通过对整条线的设计分析，关键工位包含组对工位、搬运机器人系统、机器人焊接工作站、补焊工位4大功能区域。控制系统完成整线的自动控制、参数设置和设备监视等功能，采用模块化设计，各个独立工位控制系统完成各自的信号检测和设备控制，通过总线与中央控制系统通讯连接，某个工位故障时，其他工位仍然可以手动控制，最大限度降低设备停机时间，提高生产效率;简化和缩短控制系统线路敷设，改善设备现场环境条件下的电磁兼容性能。中央控制系统集成与MES系统接口，实现生产线数据与生产管理系统对接。管理人员可以通过接口提取生产线的运行状况和生产状况数据。

控制系统框图如图8所示，每一个模块系统管理本控制系统的执行机构或机器人系统，同时该系统中有设备操作按钮或按键，数据信息均通过PLC系统汇总采集，每套PLC系统均配置一套人机交互界面，便于自动作业和本地查看设备状态和运行数据。具体包含组对工装控制PLC系统、机器人搬运控制PLC系统、机器人焊接控制PLC系统、补焊工装控制PLC系统。

（1）组对工装控制系统。

在该控制系统中，控制系统响应夹具操作按键的操作指令，控制夹具工装执行机构的夹紧与松开动作控制，检测夹紧机构的位置状态，并对工作时间节拍计数;另外与机器人搬运系统信号接口，具体如下：机器人放入一个零件后需要夹紧机构动作夹紧零件，夹紧到位后将信号传递给机器人控制器，搬运机器人得到信号后撤离并搬运下一个零件，如此往复直到上料完成。组对完成后发送信号给搬运机器人，通知搬运机器人可以将组对好的工件搬运到下一个工位。

（2）搬运机器人控制系統。

该系统由一套PLC管理两套搬运机器人系统，由于搬运机器人系统是一套完整并且独立的成套系统，为了更好地结合生产线应用，需要对机器人系统进行有效管理。PLC控制器与机器人控制器通过现场总线方式来建立数据信号通道，PLC通过程序有序地调用、组织和管理机器人的运行程序。搬运机器人控制系统框图如图9所示，PLC同时管理上料机器人、下料机器人等，与组对工装控制系统信号接口、焊接机器人PLC系统接口、补焊工位PLC系统接口和上位总控制计算机通讯接口。

（3）机器人焊接控制系统。

该系统由一套PLC管理两套焊接机器人系统，焊接机器人系统也是一套完整且独立的成套系统，为了和焊接工装、辅助机具等有序开展工作，图10给出了焊接机器人控制系统框图，其中，PLC与机器人系统通过总线方式连接，PLC同时管理焊枪清理装置、工装气动夹具等，与搬运PLC控制系统接口和上位控制计算机通讯接口。系统配置一套人机交互界面，便于本地化操作和查看设备详细状态。

（4）补焊工位控制系统。

该系统由一套PLC管理，主要实现对工装夹具控制、工件变位翻转控制;与其他控制系统接口等。

（5）上位机系统。

上位机系统主要对生产线各控制模块进行监管，收集各控制系统PLC上传的工位信息，主要包含设备状态信息、生产数据信息、焊接过程数据信息等，并通过人机界面显示。过程关键数据通过以太网发送到MES系统中，便于高层管理人员对生产线的宏观管控，同时数据存储后为产品质量追溯备查。

生产线整体数据通过PLC收集后汇总上传到上位控制计算机中，计算机建立数据库并实时存储相关数据，如：焊接电流、焊接电压、产能数据、消耗数据、设备状态等信息。主系统人机交互界面如图11所示，可查看每个工位的设备状态信息、设备通讯状态、运行状态、焊接过程关键实时数据信息等，通过该界面可全面把控生产线的运行状态。生产线实物如图12所示，生产节拍如表1所示。

5 结论

（1）该自动化焊装生产线已经实现铁路货车C70车型的枕梁数字化生产，实际产量达到48件/班。

（2）焊接装配生产过程基本实现自动化运行，过程数据数字化显示，相关信息上传至MES系统。

（3）系统的应用满足产品规格适应性要求，达到了数字化焊装生产线的相关要求。

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