由于机器人制造具有柔性化、智能化程度高的特点,焊接机器人是国际上面向21世纪的先进制造技术。本文分析了焊接机器人在B型地铁不锈钢车体制造中的应用情况,综述了不锈钢车体厂房的工艺布局,焊接机器人的基本原理与构成,焊接机器人的本体技术,机器人编程技术。

由于轨道车辆不锈钢车体与汽车车体存在的差异,轨道车辆车体更长,更宽,更高,对不锈钢管及工装夹具的精度要求更高。工业机器人在轨道交通行业中的应用还属于刚刚起步阶段,技术还不完全成熟。在国内也仅有长春,青岛等车辆厂具有相对完善工业机器人不锈钢车体生产线。

城轨车辆不锈钢车体由梁、柱、板等各种型材上千个组成,焊点上万个,其中95%均为电阻点焊。点焊所产生的有毒气体,金属飞溅致使工作环境恶劣。特殊部位喉深达到1650mm大型焊钳的应用。如果手动操作的话,给工人带来不便增加了劳动强度。焊接机器人的应用不仅使工人远离有毒烟尘和飞溅,而且不需搬运笨重的C型焊钳,把工人从繁重的体力劳动中解放出来,充分做到以人为本,深刻理解科学发展观,把科学发展践行到实际的经济生产中。

1天津公司焊接机器人生产线介绍

中国北车天津工业园内的车体车间规划成具有完整生产能力的不锈钢车体生产线,可以满足各类不锈钢轨道车辆车体的制造。此生产线包括端墙,侧墙,车顶,底架及车体总组成台位,是一条现代化程度高的流水线式生产线,各大部件在不同台位间有序流转,大大提高了生产效率,符合现代精益化生产的要求。

2焊接机器人系统构成及工作原理

焊接机器人是高度柔性化加工系统,主要由以下几大部分组成:1.机器人本体。2.机器人控制柜。3.焊钳。4.焊接逆变器。5.焊接监控单元。6.空压机。7.水冷机等。

车体车间所采用的焊接机器人均采用示教再现(Teaching-Playing)的编程控制方法。示教方式有手把手示教(walk-through)和示教盒示教(Lead-through)两种。手把手示教时,操作者牵引装有力-力矩传感器的机械手末端,根据任务要求使末端按一定位姿运动,实现示教过程。使用示教盒示教时,通过示教盒控制机器人的运动,如图2,使之末端执行器移动到需要的位姿上,把每一位姿信息存储起来,经过编辑,并再现示教过的动作。虽然示教的每个位姿是离散的,但经过机器人控制柜内的控制模块对示教点进行曲线拟合,从而连续再现工作过程。

3机器人焊接车体工艺流程

3.1车顶骨架及组成

装配车顶下边梁及车顶弯梁→点焊车顶弯梁与车顶下边梁→样装机组平台,组对点焊补强纵梁及小弯梁→吊出机组平台→装配点焊侧顶板→装配点固机组平台→装配点焊补强顶板及波纹顶板→吊入车顶组成胎位→波纹板点焊→吊入车顶正面焊接胎位→吊入车顶补点胎位进行补点→吊入车顶反面焊接胎位→完成剩余补点。车顶骨架及组成点焊采用HYUNDAI龙门式六轴双面单点焊接机器人焊接完成。此焊接机器人X轴速度20m/min,Y轴行程3.5m轴速度10m/min,手臂承载重量400Kg,配有3把不同尺寸的C型焊钳。

该机器人HI5示教控制器上集成了不锈钢焊接参数:如焊钳焊接压力、焊接预压时间、焊接压紧时间、焊接电流、电极修磨次数等。控制柜上集成了BOSCH焊接控制器,具有实时显示焊接规范参数显示功能,焊接结果数据存储及管理功能,操作人员、设备种类、零部件。

为了实现高质量焊接就必须要求对焊接机器人实行实时控制,一方面要求焊接机器人对末端焊钳姿态进行精确控制,对运动轨迹进行规划以避让干涉,另一方面要求提高工装夹具的定位精度,由于车体点焊需要大量的定位快、快速C型卡钳、拉杆等等,只有提高定位精度才能避免发生意外干涉提高机器人程序一致性。

3.2侧墙骨架

组对下边梁、立柱、立柱组成、窗上横梁、窗下横梁、双马腿帽形→点焊窗口立柱与窗上、下横梁和下边梁及连接板→点焊立柱与双马腿帽形梁、下边梁及连接板侧墙骨架点焊同样采用HYUNDAI龙门式六轴双面单点焊接机器人焊接完成。最多为四层板搭接点焊,为门口立柱组成、门扣铁、连接角铁,最大不等板厚比为1:3。

3.3底架骨架

将一、二位边梁吊入底架边梁组成台位→放入连接角铁→夹紧→焊接→采用正装工艺,将一、二位底架端部组成吊入底架骨架组成胎位→吊入底架边梁→吊入主横梁→夹紧→点焊主横梁与连接角铁→点焊边梁与主横梁→端部底架与底架边梁焊接→铺装波纹地板→拉紧→点焊波纹地板与底架骨架→完成全部点焊。

底架点焊机器人为日本NACHI社龙门式六轴双面单点或单面双点型机器人,手臂承载重量400Kg。配有2种C型焊钳,1种X型焊钳,具有左右摆动功能,工作行程20mm。1种单面双点焊钳,电极距离60-250mm。

机器人控制器为日本MIYACHI社,可设定60种焊接条件。具有示教编程功能和手动的操作方式,配备有彩色操作显示屏幕,可显示焊机的开/关、异常停机等信息,具有自诊断功能。示教器可实现手动、自动焊接作业,手动作业迅速灵敏。机器人末端法兰与焊钳之间的连接采用NITTA可快速互换焊钳的连接装置,持重500公斤,该连接装置可快速安装不同规格的焊钳,且能够保证风、水、电以及控制系统等的通用性能。

4焊接机器人安全措施

焊接机器人具有出色安全设计,不仅可以把工人从有毒作业环境中解放出来,改善工作环境保障工人安全,在长时间重复性工作中还能克服人类长时间疲劳性工作的问题,做到比熟练的高级焊工更稳定更安全的作业。它的主要安全功能如下:

4.1紧急停止功能

控制器和示教盒(teach pendant)上各设有紧急停止按钮。在机器人安全连撞电路上,必要时可连接额外的紧急停止开关。紧急停止功能是优先于其他控制功能的功能。紧急停止功能可中断各轴电源供应和各部件伺服电机运行,同事通过电源阻断来限制机器人的危险功能。

4.2安全停止功能

机器人配有停止电路。机器人和安全电路必须连接成互锁状态。机器人必须具有多电路输入信号,以便于安全通道,PAD,安全灯等安全装置连接使用。这些信号将促成机器人本体和周边设施实现安全功能。

4.3速度限制功能

在手动模式下,机器人的最大限速为250mm/s。限速不仅适用于TCP(工具中心),还适用于手动操作的机器人所有部分。机器人所有装备的速度应能检测到。

4.4限制动作域

各轴动作领域受软限位(soft limit)和硬限位(hardware limit)的控制。1-3轴动作域还受机械停止器(stopper)的限制。

5存在问题

随着城轨地铁市场的不断拓展,天津公司后续发展壮大,厂房需要扩能增效,在不锈钢车体装配焊接生产线上焊接机器人数量会越来越大。随着焊接机器人在铁路行业的不断发展,会出现在同一个台位上,多台机器人同时作业的情况。在多机器人同时并行协作的条件下,要避免因信号交换错误导致的机器人间的碰撞干涉。目前协作机器人间的通信都采用I/O来交换状态,以确定等待时间(waiting),信号是否偏置到设定时间还是等待取消(waitingcancel)。目前信号检测还是以“点”的方式检测,即在某一运动程序中,确认某一握手信号(Handshake signals)来决定是否继续工作,而不是在运动程序中持续检测障碍物或协作机器人。因此,检测过后若机器人轨迹发生错误或协作信号异常,便会发生碰撞。