基于工位制的快速裝配自動(dòng)化焊接站

方孝鐘，倪寶成，莫彥青

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031) (2.沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168)

近年來，軌道交通裝備制造業(yè)引入了精益制造理念，經(jīng)過對(duì)工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式的探索、總結(jié)、提煉，形成了一套有章可循、具有一定指導(dǎo)意義的生產(chǎn)組織方法。通過建立工位制節(jié)拍化生產(chǎn)線，進(jìn)而推進(jìn)數(shù)字化工廠建設(shè)，提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，從根本上解決了原來生產(chǎn)組織粗放、人員無效走動(dòng)頻繁、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)不易識(shí)別、安全管控針對(duì)性不強(qiáng)等弊端[1]。

隨著智能焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，并在企業(yè)生產(chǎn)線上投入使用，工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益得到了明顯的提高，極大地促進(jìn)了工業(yè)企業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步[2]。同時(shí)，針對(duì)生產(chǎn)線上工業(yè)機(jī)器人的柔性和智能水平不高的問題，將日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)引入原有的搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，利用機(jī)器人視覺技術(shù)獲取工件及其周圍環(huán)境的信息，識(shí)別出所要操作的目標(biāo)工件，并能引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人完成對(duì)工件的抓取和放置等操作[3]。本文通過對(duì)基于工位制快速裝配技術(shù)的研究，結(jié)合轉(zhuǎn)向架構(gòu)架產(chǎn)品的特點(diǎn)，開發(fā)了一款基于工位制的快速裝配自動(dòng)化焊接站，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接裝配工序的快速、穩(wěn)定與可靠，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本的目的。

1 研究對(duì)象裝配流程

以某型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接部件作為研究對(duì)象，基于其成熟的箱型梁結(jié)構(gòu)(側(cè)梁、橫梁)以及管型梁結(jié)構(gòu)(制動(dòng)橫梁)研究部件的快速裝配技術(shù)、信息化技術(shù)和節(jié)拍化生產(chǎn)在快速裝配過程中的應(yīng)用。

側(cè)梁裝配物料清單見表1。

表1 側(cè)梁裝配物料清單

側(cè)梁裝配流程如圖1所示。

圖1 側(cè)梁裝配流程圖

橫梁裝配物料清單見表2。

表2 橫梁裝配物料清單

橫梁裝配流程如圖2所示。

圖2 橫梁裝配流程

制動(dòng)橫梁裝配物料清單見表3。

表3 制動(dòng)橫梁裝配物料清單

制動(dòng)橫梁裝配流程如圖3所示。

圖3 制動(dòng)橫梁裝配流程

2 自動(dòng)化焊接工作站

2.1 自動(dòng)化焊接工作站介紹

基于工位制的快速裝配自動(dòng)化焊接工作站能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)梁內(nèi)腔零件的快速焊接裝配，橫梁內(nèi)腔焊接裝配、內(nèi)腔焊縫焊接、上蓋板裝配，制動(dòng)橫梁零件的快速焊接裝配。其具備以下幾個(gè)生產(chǎn)功能：轉(zhuǎn)向架焊接部件自動(dòng)裝配、點(diǎn)固焊、局部滿焊焊接、焊點(diǎn)及焊縫打磨、在線檢測(cè)裝配質(zhì)量、實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)。 自動(dòng)化焊接工作站整體布局如圖4所示。

圖4 工作站布局圖

2.2 自動(dòng)化焊接工作站組成

自動(dòng)化焊接工作站由自動(dòng)上下料系統(tǒng)、搬運(yùn)機(jī)器人、對(duì)中機(jī)構(gòu)、 打磨/可視/焊接機(jī)器人、焊接件變位機(jī)、電器控制柜組成。

1)自動(dòng)上下料系統(tǒng)：采用輥道將AGV(automated guided vehicle)運(yùn)來的模塊化料框運(yùn)送至系統(tǒng)指定位置，同時(shí)將搬運(yùn)機(jī)器人放在上面的成品運(yùn)輸?shù)匠隽衔恢茫葾GV運(yùn)走，采用楔形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)料框在輥道上的定位。

2)搬運(yùn)機(jī)器人：搬運(yùn)機(jī)器人通過滑臺(tái)在焊接區(qū)、放料區(qū)域、對(duì)中區(qū)和出料區(qū)之間搬運(yùn)工件。機(jī)器人安裝有抓具，抓具的不同位置上安裝不同磁力的氣磁鐵，可通過壓縮空氣控制磁鐵來完成零件的抓取和放下。切換不同的磁鐵，可實(shí)現(xiàn)大小形狀不同的工件的抓取。

滑臺(tái)屬于機(jī)器人的外部軸，其采用的是高精密齒輪齒條和減速機(jī)，同時(shí)采用與搬運(yùn)機(jī)器人相同的伺服電機(jī)，便于與機(jī)器人更好地協(xié)調(diào)工作，重復(fù)定位精度也可以得到更好的保障。滑臺(tái)動(dòng)態(tài)參數(shù)：滑臺(tái)的移動(dòng)速度v=600mm/s，重復(fù)定位精度為±0.2mm 。

3)對(duì)中機(jī)構(gòu)：對(duì)工件進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人準(zhǔn)確自動(dòng)抓取工件、自動(dòng)裝配、定位工件。

4)打磨/可視/焊接機(jī)器人：打磨與可視機(jī)器人、弧焊焊接機(jī)器人吊裝在同一龍門滑臺(tái)上，自動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行焊接，對(duì)裝配質(zhì)量進(jìn)行視覺檢測(cè)，對(duì)焊點(diǎn)和焊縫進(jìn)行打磨。打磨頭和視覺相機(jī)可通過快換接頭靈活切換。

工業(yè)機(jī)器人視覺定位系統(tǒng)通過采集電視背光板的特征圖像，利用計(jì)算機(jī)視覺原理計(jì)算出電視背光板上料的位姿偏差，引導(dǎo)機(jī)器人完成PCBI卡合工作。工作原理如圖5所示。

圖5 可視系統(tǒng)工作原理

焊槍上裝有META激光跟蹤系統(tǒng)，可對(duì)焊縫進(jìn)行在線跟蹤尋位，對(duì)示教軌跡進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的精準(zhǔn)點(diǎn)固、滿焊，同時(shí)為打磨機(jī)器提供打磨軌跡。

5)焊接件變位機(jī)：由于機(jī)器人本身自由度的限制，必須有焊接變位機(jī)與之配合才能更好地完成焊接工作[4]。

6)電器控制柜對(duì)整個(gè)工作站進(jìn)行控制。

2.3 工作站工作過程

需要焊接的工件被裝在模塊化料框中進(jìn)行初定位，由AGV運(yùn)送至工作站放在輥道上，輥道將模塊化料框運(yùn)送至系統(tǒng)指定位置，搬運(yùn)機(jī)器人將工件從料框上拿起放在對(duì)中機(jī)構(gòu)上精確定位，然后再從對(duì)中機(jī)構(gòu)上將工件抓起移動(dòng)至焊接工位，完成工件裝配。可視系統(tǒng)對(duì)工件裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，并指導(dǎo)搬運(yùn)機(jī)器人修正偏差，裝配完成后焊接機(jī)器人對(duì)工件進(jìn)行點(diǎn)固。焊接完成后打磨與可視機(jī)器人切換到打磨狀態(tài)，對(duì)焊點(diǎn)和焊縫進(jìn)行修磨，打磨完成后搬運(yùn)機(jī)器人將工件從夾具上取下并送至出料輥道上，由輥道運(yùn)送至出料口讓AGV運(yùn)走。如要更換另一種型號(hào)的工件，只需人工更換模塊化夾具即可。工件焊縫探傷由人工干預(yù)完成。

2.4 裝配精度

工業(yè)機(jī)器人因其具有良好的定位精度而被廣泛應(yīng)用于堆垛、搬運(yùn)、焊接等工業(yè)領(lǐng)域，但其絕對(duì)定位精度低，限制了其在高精度制造領(lǐng)域的應(yīng)用。通過構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人誤差測(cè)量與在線補(bǔ)償閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的誤差進(jìn)行在線補(bǔ)償[5]。搬運(yùn)機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±0.2mm，滑臺(tái)的重復(fù)定位精度為±0.2mm，對(duì)中機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位精度為±0.1mm，搬運(yùn)機(jī)器人的裝配累計(jì)誤差為±0.5mm，在可視系統(tǒng)的補(bǔ)償下，機(jī)器人的定位精度將高于±0.5mm。

3 節(jié)拍計(jì)算

自動(dòng)化焊接工作站的工作時(shí)間主要由上下料物流時(shí)間、裝配時(shí)間、激光尋位時(shí)間、點(diǎn)固時(shí)間、焊接時(shí)間、打磨時(shí)間和探傷時(shí)間組成。一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍的時(shí)間計(jì)算結(jié)果見表4～表6。

表4 側(cè)梁一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍的時(shí)間

表5 橫梁一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍的時(shí)間

表6 制動(dòng)橫梁一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍的時(shí)間

經(jīng)過計(jì)算，自動(dòng)化焊接工作站方案能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)梁部件30min 一個(gè)節(jié)拍、橫梁部件60min 一個(gè)節(jié)拍、制動(dòng)橫梁部件10min 一個(gè)節(jié)拍的生產(chǎn)節(jié)奏。

4 結(jié)束語

本文基于對(duì)工位制快速裝配技術(shù)的深入研究，以某型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接部件為研究對(duì)象，開發(fā)了適于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部件的自動(dòng)化焊接站。機(jī)器人與視覺傳感器和激光跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，輔助以自動(dòng)化夾具、滑臺(tái)等，完成轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部件的快速裝配及自動(dòng)化焊接，并滿足裝配定位精度和生產(chǎn)節(jié)拍要求，實(shí)現(xiàn)構(gòu)架的自動(dòng)化、信息化、節(jié)拍化生產(chǎn)。