高铁白车身腻子自动打磨系统

王浩 ，赵民，何晓龙，孙禹，齐淑林，刘东,*

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580）

随着5G网络的深度覆盖，人工智能、物联网、大数据等技术快速发展，信息化、智能化、便捷化的生产方式逐步成为各制造企业的追求[1]。中车青岛四方股份有限公司(以下简称“四方股份公司”)作为轨道交通车辆生产的龙头企业，为落实“以人为本”的宗旨，迎合绿色、环保、智能制造的理念，于“十三五”期间成功研制出一套高铁白车身腻子自动打磨系统，实现了腻子自动打磨的连续生产，提高了工作效率，节省了人工成本，同时极大降低了打磨粉尘对施工人员的危害。四方股份公司目前已针对腻子自动打磨的相关技术申请了数项专利，在轨道交通领域可谓首屈一指，大大提高了公司品牌的竞争力。

腻子自动打磨系统所采用的自应力控制技术突破了传统的恒力打磨方式，实现对车身的柔性打磨。该系统拥有的平整度测量技术可实现对缺陷部位的自动检测，机械手臂可根据砂纸磨损量自动更换磨片，同时自动吸附打磨后产生的粉尘。自动打磨系统因多机联动而避免了母材的损伤，提高了打磨后腻子的平整度及产品的合格率，降低了返修次数。车体自动打磨过程中通过自动除尘系统令粉尘飘散量大大减少，改善了厂房作业环境及清扫难度。

1 系统构成

高铁白车身腻子自动打磨系统的主要设备包括六轴工业机器人、平整度测量系统、恒力打磨系统、磨片自动更换装置、车体位置标定系统、中央除尘系统、电控系统，以及离线编程软件、总控软件等，系统布置如图1所示。

图1 腻子自动打磨系统布置图Figure 1 Layout of automatic putty sanding system

高铁白车身腻子自动打磨系统占地长31.5 m、宽6.5 m，高4.5 m。每个台位含4个机器人，每个机器人装配1个打磨头，机器人可根据操纵室中设定的程序在2条平行导轨间滑动，车体两侧各安装一套平整度测量系统。在打磨过程中，系统可检测出腻子高点部位，同时打磨头可自动规避门区及窗区，集尘系统、平整度测量系统、磨片更换系统等在打磨过程中实现多级联动，共同完成腻子打磨作业。

1.1 平整度检测系统

平整度检测系统基于3D激光测量技术，可实现车体表面平整度的精确测量，以判断打磨后车体平整度是否满足≤0.5 mm/m的精度要求，其主要构成包括结构光视觉测量设备、设备安装支架、高性能计算机、平整度分析软件等。

如图2所示，平整度检测系统首先扫描车体，收集腻子表面平整度数据，对腻子高点、麻点等缺陷部位进行记录，然后通过核心算法对采集的数据进行拼接融合、去噪、计算分析等处理，获得车体表面的缺陷和平整度数据，并实现可视化。

图2 平整度检测系统的构成Figure 2 Composition of flatness detection system

1.2 恒力打磨系统

恒力打磨系统采取柔顺接触法兰，关键位置增加检测传感器，并结合机器人运动轨迹，实现打磨过程的力位混合控制，达到恒力打磨的要求。验证表明，接触力波动在±1 N以内[2]。

如图3所示，在打磨过程中机器人可控制进给速率和打磨轨迹，恒力控制装置控制打磨时的接触压力，打磨工具控制打磨盘转速。恒力打磨系统可实现对关键打磨工艺参数的实时量化控制，保证了打磨过程的可控性和打磨质量的一致性。

图3 恒力打磨系统的构成Figure 3 Composition of constant force sanding system

1.3 砂纸自动更换装置

如图4所示，砂纸自动更换装置包括撕砂纸机构、砂纸供料机构、砂纸有无检测机构等。更换流程为：撕砂纸→检测砂纸是否已撕掉→粘砂纸→检测砂纸是否已粘上。如果砂纸未被成功撕下或粘上，机器人将自动重做，直至换砂纸成功。

磨片自动装置可根据打磨程度确定磨片使用的稳定时间，再加上打磨质量的检测和系统内部的计算逻辑，综合确定磨片的使用寿命。磨片在自动更换过程中使用传感器进行检测，以保证更换过程的准确执行和成功率。

1.4 车体位置标定系统

每台机器人末端均安装有激光位移传感器，车体进到打磨工位后首先利用激光位移传感器测量车体的实际停车位置，并根据停车位置的偏差来调整离线生成的打磨程序，保证打磨过程中打磨工具与车体的良好贴合[3]。

如图5所示，在机器人自动打磨车体前，车体位置标定系统分别测量车体端墙、车体下沿、车体表面等位置，并根据测量数据反馈，自动计算出车体实际位置与理论位置的偏差，用于对打磨程序的补偿。

图5 车体位置标定系统Figure 5 Train body position calibration system

1.5 除尘系统

如图6所示，腻子自动打磨系统采用中央集尘方案，在集尘主机产生的高真空气流作用下，通过集尘管路系统将粉尘连续不断地输送到主机过滤系统，使其吸附在系统滤芯表面，实现边打磨、边除尘的目的[4-5]。滤芯表面的粉尘通过反吹系统自动将其吹至集尘袋中，过滤达标后通过专用管道排放至大气之中。

图6 中央集尘主机简图Figure 6 Sketch of the main unit of central dust collector

1.6 电控系统

电控系统采用模块化设计方案，总体电气方案可简化为“总控台 + 滑车子系统”。如图7所示，总控台根据车型及车辆位置向各子系统发布指令。遇到非正常作业时，总控台自动切断电源，并开启临时报警装置，保障系统安全运行。滑车子系统由机器人控制模块、导轨以及配套模块、打磨工具模块和激光测量模块组成。

图7 电控系统简图Figure 7 Diagram of electric control system

1.7 离线编程

腻子自动打磨系统采用自主开发的高铁打磨离线编程软件，可根据高铁车体模型快速生成机器人打磨程序，具有多机器人打磨区域自动划分、导轨位置规划、工艺集成、文件输入输出等功能。

离线编程流程如图8所示，首先将不同车型的三维模型导入离线编程系统，系统自动识别车型的长、宽、高等参数，通常以车体的一位侧一位端为基点来标定车体及4台机器人的相关坐标，通过解读车型侧墙、端墙、车顶的特点，筛除门区、窗区、空调区等非打磨区域，然后设定自动打磨的轨迹参数及工艺动作，通过系统预演，对设定的工艺参数进行逐一矫正，预演完毕后生成最终的腻子自动打磨程序。

2 系统应用

2.1 腻子自动打磨用时统计

在市场竞争日趋白热化及人工成本不断攀升、操作者安保意识日渐增强的现状下，腻子自动打磨技术可极大改善作业环境，降低企业经营成本，缩短单车打磨时间。由表1可知，单车打磨时间为130 min，相对于人工打磨需耗时4 h而言，节省了将近2 h。

表1 腻子自动打磨用时统计表Table 1 Time for different operations during automatic putty sanding

2.2 产品质量统计

通过表2可知，相对于人工打磨后的状态，腻子经自动系统打磨后，表面平整度更高，改善了涂层的表观状态，增强了涂层美观度及饱满度。另外，自动打磨过程中除尘率更高，改善了厂房的作业环境，避免了粉尘大量外泄，满足职业健康及环保的需求。自动打磨系统采用柔性打磨头，因此极大地提高了产品的合格率，降低了涂层的返修频次。

表2 产品质量统计表Table 2 Statistics of product quality

2.3 系统安全性

人工打磨车体侧墙过程中，施工人员需手持高转速的气动打磨机站立在车体两侧的升降架上进行操作，因气管跟随人体进行移动，在一定情况下会对人体形成一定的缠绕，若操作不当，存在高空坠落的风险。腻子自动打磨系统无需施工人员处于打磨现场，在打磨车间装配监控系统便可在控制室内通过视频监控打磨过程及打磨状态，极大降低了安全隐患。

3 结语

腻子自动打磨技术在轨道车辆制造中的应用适应了国家环保政策，降低了有害粉尘的排放量，提高了工作效率，符合绿色环保、可持续发展的理念，满足公司职业健康的需求，充分落实了“以人为本”的宗旨，是在作业环境恶劣区域作出的尝试性改进，同时也是四方股份公司朝向自动化转型的典型之作。