面向高速動車組轉向架的智能焊接打磨系統

姜 斌，宋學毅，李敬寶，白福瑞，張乙宙

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

近年來，智能制造已成為世界各國技術創新和經濟發展競爭的焦點，在“中國制造2025”規劃中，智能制造是未來制造業發展的重大趨勢和核心內容，也是促進我國制造業由大變強的根本路徑。

焊接作為高速動車組轉向架制造中重要的工藝技術，應用廣泛。焊接過程中由于工件結構形式特點以及對焊縫外形的要求，焊后打磨的工作量巨大。以往的焊后打磨均由人工完成，受人為因素的影響，打磨后焊縫外形的一致性及修磨質量難以保證[1]。盡管自動打磨技術在機械制造領域已有應用，但多針對結構簡單、一致性較高的工件的表面打磨，自適應程度較低。針對軌道車輛轉向架的焊縫打磨多為示教式編程，智能化水平有待提高[2-5]。

本研究針對轉向架構架這一典型焊接結構件，設計了一套智能打磨系統，分析系統組成及功能，研究焊縫智能打磨技術，并成功應用于動車組轉向架產品上，為提升產品質量、提高生產效率和降低勞動強度提供了解決方案。

1 焊縫智能打磨方案

1.1 主要功能

焊縫智能打磨系統以工作站形式體現。該工作站可作為動車組轉向架自動化生產線的一部分，實現對工件焊縫表面的自動化打磨，工件上下料及工件的轉運由AGV完成。系統能與現有生產管理系統進行數據發送、接收，實現對設備的集中監控和管理。

1.2 系統構成

工作站由6軸打磨機器人、桁架搬運機械手、單軸工裝變位機、工裝夾持系統、自動換刀系統、防護系統、除塵排屑系統、視覺系統及控制系統組成。

系統整體分為2個區域，即自動上下料緩存區域及自動打磨區域，如圖1所示。

1.3 系統主要功能模塊

1.3.1 打磨機器人

打磨機器人為系統核心機械結構，是實現自動化焊縫打磨的主要工具。系統采用6軸機器人，該機器人響應快、動作靈敏、負載大、剛性好、定位精度高，為工件的高精度打磨加工提供保障。機器人結構如圖2所示。

1.3.2 電主軸

打磨機器人端部安裝電主軸，實現對目標焊縫的打磨，電主軸特點如下：①采用磨削專用主軸，切削力大，振動小，壽命長；②液壓自動拉刀，拉刀力大，加工可靠；③主軸具有轉速檢測、溫度檢測、拉刀到位檢測、松刀到位檢測，安全可靠；④前端具有氣幕功能，提高主軸壽命；⑤采用油冷切方式，主軸冷切更充分，提高壽命。

圖1 智能打磨系統結構

圖2 機器人結構

1.3.3 視覺系統

視覺系統可以準確測量工件的表面高度信息。配合視覺數據處理軟件，能夠修正原始數據，得到真實的工件表面形狀及位置坐標，并將這些信息傳輸到機器人控制器，引導機器人執行切割、磨削等操作。

機器人攜帶視覺傳感器對工件中所有待加工部位進行移動式掃描，獲得所有待加工焊縫的坐標信息、形狀信息、長度信息及焊縫表面形狀信息，再將這些數據與離線編程生成的標準模型數據進行匹配和修正，得到最終的加工路徑和加工參數，由機器人執行加工。

1.3.4 控制系統

整個控制系統由觸摸屏工控機、PLC、視覺系統、機器人控制系統、變頻器、伺服控制器、定位傳感器、安全防護等部分組成。控制系統結構如圖3所示。

控制系統根據客戶的需求預留以太網接口，支持TCP/IP協議，可實時與數據處中心交換數據，實現遠程監控。

2 焊縫智能打磨實例

機器人的智能打磨技術主要包括視覺掃描技術及磨削刀具技術，相關附屬設備包括柔性變位機、桁架轉運機械手、除塵防護相關設備等。針對轉向架構架橫梁組成這一工件，運用智能打磨系統對其關鍵焊縫進行打磨處理。

智能打磨系統中的打磨機器人由視覺系統進行引導，并由控制系統進行路徑優化及打磨效果優化，打磨工藝過程如下。

工序1：采用柱狀刀具去除焊縫正面及兩側面的不規則焊縫，如圖4所示。

工序2：采用百葉片粗磨焊縫表面，如圖5所示。

工序3：采用百葉片去除焊縫與橫梁管處的殘留，如圖6所示。

工序4：采用千葉輪精磨焊縫表面，如圖7所示。

圖3 控制系統結構

圖4 柱狀刀具對焊縫表面的打磨

圖5 百葉片粗磨焊縫表面的打磨

圖6 百葉片去除焊縫表面的打磨

圖7 千葉輪精磨焊縫表面的打磨

3 結論

詳細分析焊縫智能打磨系統的結構組成及功能，說明本系統在焊縫打磨領域的適用性和優越性。針對動車組轉向架這一典型焊接產品，制定詳細的打磨工藝方案并成功應用，充分證明了智能打磨系統在轉向架智能制造領域具有如下優勢：

（1）系統智能化程度高。通過視覺檢測系統可將實物外形狀態與控制系統模型進行實時比較計算，并規劃打磨路徑和切削進給參數，實現精準打磨。

（2）系統自動化程度高。系統通過程序控制，實現全程無人化工作，最大限度地降低操作者的勞動強度。

（3）系統信息化程度高。控制系統具備與轉向架智能化生產線通訊的接口，可完全融入自動化生產線，實現信息的傳輸和數據采集，實現產品智能生產。

參考文獻：

[1]周丹麥，周世恒，戴虹.一種高精度的鋼軌焊接接頭仿形打磨系統[J].電焊機，2013，43（12）：49-51.

[2]楊萍，趙丹，李鶴岐，等.專用焊接打磨機器人視覺系統的研究[J].蘭州理工大學學報，2004，30（3）：41-43.

[3]高猛.半球形封頭焊接及焊縫打磨設備介紹[J].科技視界，2016（4）：126-128.

[4]涂江洋，戴虹，周世恒.多功能鋼軌自動打磨設備研制[J].電焊機，2015，45（10）：63-65.

[5]尹保亮，任科生.機器人自動打磨系統在機車大型構件的應用[J].工業設計，2017（5）：155-157.