動車組開閉罩智能化組裝工藝可行性分析研究

趙峻松， 陽云帆， 杜立俠， 黃榮素， 張艷秋

（1.中車廣東軌道交通車輛有限公司，廣東新會529100；2.廣州鐵路（集團）公司，廣州510088）

0 引言

動車組開閉罩又稱為動車組頭部導流罩，其流線形外部造型符合空氣動力學原理，左右開閉罩開啟后便于車鉤連接其它動車車輛，是動車組頭部的關鍵部件[1]。CRH6型動車組開閉罩體積大，物料重，而目前動車組開閉罩組裝主要依靠人力搬抬。現行的開閉罩組裝工藝，需要3人協同作業：兩人搬抬開閉罩并對準動車組車體安裝位置，一人負責安裝緊固件；生產效率低，純人力搬抬重物的勞動強度大，長時間的搬抬重物造成人力疲勞，同時易造成安全事故。

為了實現提高組裝工藝的穩定性、作業安全性、生產效率和降低操作工勞動強度，有必要改進現行開閉罩的組裝工藝，本文設想利用真空吸盤智能機器人代替人力來組裝開閉罩，實現開閉罩智能化組裝，提高組裝效率，節約人力，避免安全隱患。

1 工業機器人概述

機器人是一種通過編程，可以自動完成一定操作或移動作業的機器裝置。或者更確切地說，像人的上肢那樣高度靈活，能做復雜動作的機械[2]；它能接受人的指令而進行作業，也能按預先編排的程序工作；它的任務就是協助或取代人類的工作，機器人的應用范圍涵蓋制造業、建筑業、航天航空、物流業、運輸業、文體教育等多個領域；特別是在一些高危環境、污染環境中，機器人取代人類工作，彰顯意義非凡。

機器人英文名稱Robot，原意為“工人”，由于在工業領域中機器人廣泛地取代了工人，所以被稱為工業機器人。

機器人技術涉及機械、電子、計算機、材料、傳感器、控制技術、人工智能、仿生學等多門學科，機器人的發展是目前科技發展最活躍的領域之一。發展應用機器人的目的在于：1）提高生產效率，降低人的勞動強度；2）機器人做人不愿意做或做不好的事；3）機器人做人做不了的事情[3]。

隨著工業機器人的應用與發展，傳感器技術在工業機器人上廣泛使用，使機器人能夠利用傳感器感知外部世界，然后依靠自身的智能對外部環境的變化作出反應，這種機器人被叫做智能機器人；智能機器人的四大組成部分為主控制器、傳感器、驅動器、執行器[4]，一些機器人的執行器類似人類的手臂，現代工廠中的焊接機器人、噴漆機器人、搬運機器人一般都裝有一只靈活、強壯的“手臂”，稱為機械手，本文所述的真空吸盤機械手屬于智能機器人的一種帶有真空吸盤的機械手。

2 吸盤機器人在動車組裝行業中的應用現狀

真空吸盤機器人在很多領域中應用非常廣泛，比如汽車制造行業的玻璃組裝機器人、車門組裝機器人，船舶制造行業的搬運機器人等。真空吸盤機器人能模仿人手和臂的某些動作，可以按照固定的程序抓取、搬運物件、操作工具，完成特定的工作。特別是在一些高溫、重負荷等惡劣的環境中，人力操作勞動強度大，易發生安全事故，真空吸盤機器人取代人力搬運物料和產品，能夠降低人力成本、勞動強度，避免安全事故，提高生產效率。

雖然真空吸盤機器人在國內外很多行業與領域里應用廣泛，但是目前在國內動車組裝行業的大設備組裝中使用較少。目前我司的CRH6型動車組開閉罩、車門、裙板等大部件組裝工藝自動化程度不高，組裝時主要靠人工抬著裝上車體。所以利用吸盤機器人技術改進動車組大設備組裝工藝、實現智能化生產勢在必行。

3 開閉罩智能化組裝的技術方案

開閉罩智能化組裝的技術方案是利用吸盤機器人來搬運和組裝動車組開閉罩。吸盤機器人系統分為吸盤機械爪、工業機器人、移動平臺等三部分。吸盤機器人系統工作原理如圖1所示，采用1臺工業機器人，機器人裝置上帶多個真空吸盤的機械爪，利用可萬向移動的電動小車裝載機器人；操作人員可利用遙控器指揮小車任意移動，可指揮吸盤機械爪抓取開閉罩實施短途搬運和裝配作業。

由于開閉罩外形輪廓面為不規則曲面，所以必須設計專用的吸盤機械爪裝置，圖2為設計好的專用的開閉罩吸盤機械爪裝置，機械爪裝置上裝有多個真空吸盤，真空吸盤機械爪工作原理如圖3所示。

真空吸盤的工作原理是在吸盤和工件之間產生一個真空負壓，由于壓力差，工件被反壓在吸盤上；多個真空吸盤通過氣管連接真空壓力開關、單向閥、2位3通常通電磁閥、真空過濾器、真空泵，真空泵使吸盤和工件之間區域產生負壓；真空壓力開關打開后，吸盤松開工件；單向閥保證氣路單向流動，防止空氣進入吸盤工作區；單向閥、2位3通常通電磁閥用于轉換氣流方向；真空過濾器過濾掉氣流中的灰塵和雜質，保護真空泵。

圖1 吸盤機器人的工作原理圖

采用6軸工業機器人，工作范圍能到達空間任意位置；開閉罩理論質量為54 kg，只要選擇一臺承載能力為100 kg左右、運動半徑2 m左右的機器人即可滿足使用要求。

圖2 機械爪裝置

移動平臺安裝有4個麥克納姆輪和驅動電動機，能支撐吸盤機器人和搬運的重物的總質量。每個麥克納姆輪帶有一個驅動電動機，工作時4個電動機根據系統的指令，能各自以各種不同的速度正轉、反轉，促使麥克納姆輪滾動和滑動，可使移動平臺在地面上向任意方向行走，還能原地360°旋轉。這種移動平臺移動靈活方便，能在地面上任意位置作業。

整個系統的工作原理：由1名操作員利用遙控器指揮移動平臺行走到開閉罩存放區域；接著利用遙控器指揮吸盤機器人抓取一個開閉罩；然后再指揮移動平臺移動到動車組頭車位置，利用遙控器指揮機器人將開閉罩安裝孔與動車組車體上的安裝孔一一對齊；操作員指揮機器人鎖定開閉罩不動作，裝配好緊固件；最后指揮吸盤機器人松開開閉罩，并指揮移動平臺撤離工作現場，進行下一項工作任務。

圖3 真空吸盤工作原理圖

利用吸盤機器人進行開閉罩組裝僅僅是智能機器人在動車組行業應用場景之一，我們同樣可以采用以上技術方案進行動車組塞拉門、裙板、車下小設備等部件的組裝，即在動車組組裝的多個工序中利用智能機器人取代工人而實施智能化生產。

4 智能化生產的預期經濟效益

智能化生產的主要特點是“機器換人”。機器換人是以現代化、自動化的裝備升級傳統產業，利用機械手、自動化控制設備或流水線自動化對企業進行智能技術改造，實現減員、增效、提質、保安全的目的。通俗地說，機器換人就是在用工緊張和資源有限的情況下，通過提升機器的辦事效率，來提高企業的產出效益[5]。同理，在動車組組裝工序中，實施“機器換人”的智能化組裝也能給企業帶來較高的經濟效益。采用本文所述的技術方案對動車組幾個工序實施智能化組裝，實現了預期綜合經濟效果。

動車組現行組裝工藝中：開閉罩需要3人，其中2人搬抬，另外1人安裝緊固件；塞拉門需要4人搬抬，另需1人安裝緊固件；裙板需要2人搬抬，另需1人安裝緊固件。

而使用智能化機器人可供開閉罩工序、塞拉門工序、裙板工序等3道工序使用。減少工人8名：開閉罩工序減掉2名工人，塞拉門減掉4名工人，裙板減掉2名工人。

在使用智能機器人過程中：1）只需1名工人指揮吸盤機器人完成組裝工序，工人的勞動強度降低80%；2）機器人取代人力搬抬重物進行組裝，工傷事故發生概率趨近于0；3）3道工序原11名工人能省去8名工人，只需3人，節約人力成本73%。

5 智能化生產的預期社會效益

智能機器人的使用推動動車制造業創新與轉型，提升整個行業的生產效率，減少人工成本的投入。促進產業從低端加工制造邁向高端加工制造。有助于增強我國動車組制造業的綜合競爭力。智能化生產能促進社會經濟的發展，而經濟發展的核心能力仍然在制造上。科技的進步使得制造的方式產生了巨大的改變，這種改變在很大程度上體現在制造方式上，智能成為了制造方式創新最大的主戰場。工業機器人、3D打印、智能終端、智能成套裝備成為這種智能化的重要特征[6]。顯然，動車組裝工藝的創新會對整個動車組制造領域產生深遠的影響，而動車組裝技術的智能化水平提升無疑會帶來不可估量的社會效益。

6 結論

利用吸盤智能機器人實施動車組開閉罩智能化組裝技術方案具有可行性，在動車組大設備組裝領域具有廣闊的應用前景和使用價值。智能化生產必將引發動車組制造領域的工業革命。