軌道車輛門框焊接和銑削機器人系統自動化生產線的研究與應用

史旭東，位云成，薛金森

(1.南京工程學院 機械工程學院，南京　211167；2.康尼機電股份有限公司 技術中心，南京　210013)

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軌道車輛門框焊接和銑削機器人系統自動化生產線的研究與應用

史旭東1,2，位云成2，薛金森2

(1.南京工程學院 機械工程學院，南京211167；2.康尼機電股份有限公司 技術中心，南京210013)

針對門框焊接和銑削加工的特點，研制了一條機器人系統自動化生產線，介紹了生產線的平面布局、工藝流程以及關鍵技術，并對生產線的主要工藝設備進行了闡述。該生產線通過系統集成的方式將多種先進功能單元有機地組合在一起，使門框生產制造中焊接、銑削以及在線檢測等關鍵工序集中在同一生產線上完成，有效地提高了焊縫精度和銑削質量，為企業提供了良好的經濟效益。

焊接機器人；銑削機器人；自動化生產線；自動裝卸料；在線檢測

0　引言

在軌道交通飛速發展的大趨勢下，軌道車輛門框的需求也越來越大，傳統的人工生產和制造已不能滿足市場需要。工業機器人能夠提高軌道車輛門框焊接、銑削的效率和質量，改善勞動條件，因此得到了廣泛的應用[1]。但是，目前用于門框焊接和銑削機器人的生產線仍存在有一些問題，主要包括以下幾個方面：

(1)焊接機器人的生產線很難保證焊縫的精度，銑削機器人的生產線很難保證銑削的精度，導致焊接和銑削質量的可靠性較低。

(2)焊接和銑削兩道工序在不同的生產線上進行，工件定位的可靠性不高，自動化程度較低，人工裝卸，勞動強度較大。

要解決上述問題，必須要把焊接和銑削的工序集中在同一生產線上完成，并且采用焊縫自動跟蹤單元、銑削自動補償單元、在線自動檢測單元等先進系統集成，來解決焊接生產線焊縫精度較差、焊接和銑削質量不可靠的問題，本文所述生產線正是基于這樣的背景下提出的。

1　生產線平面布局及工藝流程

1.1平面布局

整個自動化生產線主要由1套焊接機器人系統、1套銑削機器人系統、1套上下料機器人系統、1套焊縫自動跟蹤系統、1套銑削自動檢測系統、1套銑削自動補償系統、1套在線質量自動檢測系統、1套合格品與不合格品自動分流系統、2套門框氣動夾具系統、2套數控變位機，以及1套集中控制系統和1套安全防護系統等組成。其平面布局圖如圖1所示。

1.K型變位機 2.門框氣動夾具系統 3.端拾器、銑削頭緩存臺 4.人工打磨 5.在線質量自動檢測系統 6.合格品與不合格品自動分流系統 7.可移動式工件存放臺 8.大工作臺 9.上下料機器人系統、銑削機器人系統、銑削自動檢測系統、銑削自動補償系統 10.可移動式拼裝工件存放臺 11.集中控制系統 12.機器人電源 13.焊機(含冷卻水箱) 14.焊接機器人系統、焊縫自動跟蹤系統 15.安全防護系統

圖1生產線平面布局圖

1.2工藝流程

生產線工藝流程如圖2所示。

圖2　工藝流程圖

2　生產線技術要求

2.1加工節拍

門框型材以南京4號線左右門框為初始設計、制造和驗收依據，節拍≤6min(含裝卸料)，每班需滿足80套的加工能力(左右門框各40件)，每天為三班制，生產效率≥90%。

生產線加工節拍如表1所示，考慮到在焊接過程中可以同步完成上、下料和已焊好門框的銑削，因此一次循環周期約為320s，滿足節拍≤6min的要求。

表1　生產線總體加工節拍

2.2產品換型要求

該自動生產線線滿足南京4號線左右結構門框的焊接和銑削要求(左、右門分別生產)，并且通過快速調整或更換夾具、程序等，能夠輪番生產類似規格的其他6種門框產品，調整時間要求在30min以內完成。

2.3焊接要求

焊接后的門框主要技術要求如表2所示。

表2　門框焊接要求

除上述表格的要求外，焊接后的門框還有以下要求：不允許存在焊縫裂紋、角焊縫高度不夠等情況；每扇門上不允許存在焊縫偏離接縫中心、燒穿、弧坑、咬邊等焊接缺陷；需嚴格控制自動線自動焊接的質量，無須人工補焊；焊接后門框長度和寬度方向誤差均應不大于±0.5mm；前檔與上檔有錯位時，需保證前檔在外部；下檔與前擋、后擋有錯位時，需保證與后檔一致，沒有錯位；所有型材厚度方向錯位量不得大于0.1mm。

2.4銑削要求

銑削后門框的主要要求：銑削后焊縫高度均不高于周邊門框0～0.3mm，表面粗糙度為6.3μm；門框表面焊疤修磨平整，不得出現打磨凹坑，不得有未修磨焊疤以及局部凸起。

3　生產線的關鍵技術

3.1焊接機器人系統

采取了高精度的焊接機器人、MIG焊接系統與焊縫自動跟蹤系統一起組成。通過氣動夾具和數控變位機，對門框型材進行自動焊接。降低了型材的接縫要求，大幅度提高了焊接的質量，降低了人工補焊的次數，提高了生產線的效率。

3.2銑削機器人系統

采取了高精度的銑削機器人、電主軸與銑削自動補償系統一起組成。通過氣動夾具和數控變位機，對門框型材平焊縫進行自動銑削。解決了機器人精度不能滿足銑削高度0.1mm以內的要求，提高了銑削的精度和質量，減少了物料周轉環節。

3.3在線質量自動檢測系統

采取了高精度、高分辨率的影像系統，結合類似三坐標的測量方法，與專用軟件一起組成，與門框理論數據進行對比，自動進行掃描、檢測和分析，對型材多數型位公差、主要外形尺寸、部分焊接質量和銑削質量等指標進行檢測，并自動判定合格與否，并自動分流和報警。

4　主要工藝設備

4.1K型變位機

與普通的變位機相比，為了保持大回轉旋轉到位后能夠精確定位，設計有自動機械定位機構，采用圓柱銷定位方式，回轉精度可以控制在R500mm處小于0.03mm。K型變位機如圖3所示。

圖3　K型變位機

4.2通用焊接夾具

夾具主要分為左右門框的焊接氣動夾具和銑削氣動夾具。與自動翻轉裝置連接時采取子母式結構，并具有防錯結構，能夠快速定位夾緊，不需要人工二次校正，但保留了外圍部件用的校正裝置，所有夾具設計結構保持一致或通用。電器控制線采取航空插頭形式，使夾具能夠快速連接和更換。能夠快速手動完成工裝的角度調整門框寬度的設定。調整工裝和程序時間不超過30min。

設備外形尺寸大約2500mm×1150mm×230mm。機架由100mm的方管做為骨架、定位工裝板的基板由16mm厚鋼板制作，完成以后進行退火處理保證設備的穩定性。夾具模型圖如圖4所示。

1.門框 2.旋轉臂 3.軸承座 4.連桿 5.推緊裝置 6.定位盤 7.氣缸8.夾具安裝板

圖4夾具模型圖

4.3門框檢測專機

門框檢測專機由導軌、電缸、旋轉氣缸、測距傳感器、相機構成。主要檢測項目為門框焊接銑削以后的質量(表面的氣孔、漏焊)、門框的尺寸公差等。門框檢測相機安裝在機械臂上面，由直角坐標機器人對焊縫、銑削質量及焊接缺陷(氣孔、漏焊)進行檢測。工件到位以后，氣缸將工件自動定位，檢測相機旋轉180°依次對下平面進行檢測，檢測方式是人工先進行打磨再進行檢測。結構簡圖如圖5所示。

測量表面輪廓上的高度、寬度及間隙，還可8點同時進行測量。具有混合測量模式及計算方式，以滿足各種需求。檢測系統產生的門框檢測數據可以存儲、輸出，便于需要時進行追述。

圖5　門框檢測專機簡圖

4.4控制系統

本控制系統主要完成門框的自動拼裝、焊接、銑削及檢驗的自動化生產控制。系統采用進口PLC為核心控制單元，根據生產現場各工位分散的特點，控制系統采用主從集散式控制方案，主從站間采用現場總線連接方式，確保數據通訊的完整性、實時性、可靠性。通過與主控制系統的通訊，完成系統各部分的時序控制與邏輯協調。實現加工過程的精確、高效、穩定。

本系統在進口軟件平臺的基礎上，根據生產線工藝需求進行自主開發，通過主從控制器的合理規劃，實現將復雜的控制系統分解。系統在最后一個工件被取走后，自動報警，提醒相關人員換送料小車。本系統人機界面友好，易于操作。系統如圖6所示。

圖6　控制系統

5　結束語

本文所述生產線主要用于軌道車輛門框的焊接和銑削加工，自動化程度較高，具有焊縫自動跟蹤單元、銑削自動補償單元和在線檢測單元。圖7為軌道車輛焊接和銑削機器人自動化生產線焊接和銑削加工現場，目前該生產線已經正式投入使用生產使用，加工節拍控制在6min以內，加工精度和效率均達到了預期的功能。

該生產線能夠通過快速更換夾具和處理過程，解決焊接生產線焊縫精度較差、焊接質量不可靠等問題，

采用系統集成的方式將焊接和銑削的工序集成在同一生產線上完成，節省了人力資源，提高了勞動效率，更進一步的促進了生產制造的自動化進程，符合綠色工業的要求，具有良好的發展應用前景。

圖7　焊接和銑削機器人現場

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(編輯趙蓉)

Research and Application of Automatic Production Line with Robot System for Railway Vehicle Frame Welding and Milling

SHI Xu-dong1,2, WEI Yun-cheng2, XUE Jin-sen2

(1.College of Mechanical Engineering, Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China;2.Kangni Mechanical & Electrical Co.,Ltd., Nanjing 210013,China)

According to the characteristics of the frame welding and milling,this paper develops a robot system of automatic production line introduces the layout, technological process and key technology of the production line,and describes the main process equipment of production line.The production line combines multiple advanced functional units together with the way of system integration,makes welding,milling and on-line detection and other processes completed in the same production line.The production line improves the precision of weld and the milling quality effectively so that the enterprise gets a considerable economic benefits.

welding robot; milling robot; automatic production line; automatic loading and unloading material; on-line detection

1001-2265(2016)07-0143-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.040

2015-08-04；

2015-09-07

史旭東(1968—)，男，江蘇溧陽人，南京工程學院高級工程師，研究方向為機械加工工藝與自動化設備，(E-mail)shixudong@live.cn。

TH165;TG659

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