機器人技術在鐵路貨車制造中的應用及發展趨勢

陳 望

（中車眉山車輛有限公司，四川眉山 620032）

1 背景

機器人作為20 世紀人類最偉大的發明之一，從誕生之日起就在各個領域得到了迅猛的發展。1965 年，隨著美國麻省理工學院的Roborts 研發了帶視覺系統、具有簡單識別和定位功能的機器人，機器人開始進入工業領域。進入21 世紀后，工業制造開始向自動化生產、智能化制造方面進行轉型升級，導致機器人產業的發展上升到國家戰略層面，美國、德國、日本等制造業強國先后制訂了機器人發展方面的國家戰略，并推動機器人技術在工業制造領域中的應用，先后出現了如豐田公司全自動化汽車生產線、富士康公司“黑燈工廠”、發那科公司的機器人制造機器人等機器人應用的成功案例。

我國從20 世紀80 年代開始進行機器人方面的研究，并在1987 年將機器人技術的研究列入國家“863”高技術發展計劃。進入21 世紀，我國面臨著從工業制造大國向工業制造強國轉變的歷史機遇，2014 年，兩院院士大會指出“機器人革命”有望成為“第三次工業革命”的一個切入點和重要增長點，將影響全球制造業格局；機器人是“制造業皇冠頂端的明珠”，其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。這表明我國已意識到機器人技術在科技革命和產業升級中所扮演的重要角色，也在政策層面上推動了機器人技術在我國的研發和應用。

2 機器人技術在鐵路貨車制造過程中的應用歷程

盡管機器人技術已經在汽車、電子電器、金屬加工、橡膠塑料和食品飲料等行業實現了大規模的應用，并取得了較好的效果，特別是在汽車制造行業，其擁有機器人的數量占全部工業機器人數量的50%以上，機器人已廣泛應用于汽車制造的下料、壓型、焊接、噴涂、組裝等各個環節，個別工廠的自動化率已達到97%以上。但是，作為同樣由下料、壓型、焊接、噴涂、組裝等工序組成的鐵路貨車制造業，機器人應用的進展卻非常緩慢。

鐵路貨車制造行業屬于典型的勞動密集型行業，從業人員數量多、勞動強度大、工作中存在大量的簡單重復勞動，這些都是利用機器人替代人工的理想所在，但是機器人并沒有在鐵路貨車制造行業得到大規模的應用，只是在局部的工序中進行過一些探索和嘗試。

2000 年左右，德國卡爾克魯斯焊接技術有限公司率先進軍中國鐵路貨車制造領域，利用CLOOS 焊接機器人實現了側架支撐座的自動焊接，隨后該項技術被推廣到整個鐵路貨車制造企業。

在2003 年左右，國內鐵路貨車制造企業先后利用CLOOS 焊接機器人進行棚車車頂的焊接和利用ABB 機器人進行整車油漆噴涂，但由于鐵路貨車零部件的制造精度差、組裝定位夾具柔性不足、機器人定位和跟蹤技術不成熟、編程困難等原因，致使這些項目設備在短暫使用后都閑置了，這也導致以后的10 多年，國內鐵路貨車制造企業在機器人應用方面的嘗試和探索都顯得小心翼翼，謹小慎微，這也是機器人技術目前依然沒有在鐵路貨車制造行業得到大規模應用的主要原因之一。

3 機器人技術在鐵路貨車制造過程中應用的未來

3.1 機器人技術在鐵路貨車制造中大規模的應用成為可能

（1）機器人的精度得到了提升。以發那科公司的FANUC Robot M-710ic/70 機器人為例，其控制軸數為6 軸，腕部可搬運重量為70 kg，回轉半徑達2050 mm，其重復定位精度達到了±0.04 mm，這樣的精度等級完全能夠滿足鐵路貨車車體和零部件制造的需要。

（2）機器人的負重能力得到了提升。以發那科公司的M-2000iA/1200 機器人為例，其回轉半徑達3730 mm，最大負重能力達1200 kg，也就是說這樣的機器人負重能力可以滿足90%以上的鐵路貨車制造零部件的搬運需要，如果采用雙機聯動方式，可以滿足98%以上的鐵路貨車零部件的搬運需要。

（3）機器人的定位和跟蹤技術得到了提升。機器人應用的關鍵技術除了定位精度和負重能力外，還包括定位和跟蹤技術，因為在制造過程中工件不可避免的存在加工精度和定位組裝精度偏差，特別是在鐵路貨車制造領域，工件同一焊縫的位置誤差一般在1～20 mm，如果沒有可靠的定位和跟蹤技術，基本不可能生產出合格的產品。目前機器人焊接領域常用的起始點尋位功能，以及電弧跟蹤和激光跟蹤技術都非常成熟，在實驗室條件下，電弧跟蹤功能在焊接長度為350 mm，焊接起點位置不變，終點沿水平面向外偏移60 mm 的情況下能夠跟蹤焊縫，并且焊接效果和無偏移時相比沒有明顯區別，完全能夠滿足工件焊接糾偏的需要，而激光跟蹤技術在跟蹤精度和速度方面更優于電弧跟蹤。

（4）機器人的編程技術得到了提升。以前的機器人編程技術為示教編程，工人用示教器或者直接握住機器人手臂，讓機器人按所需軌跡走一遍，這樣機器人就能夠記錄該運動軌跡并重復執行，但這種示教的編程方式對于復雜零部件的加工和自動化生產來說就不適用了。目前絕大多數廠家的機器人都具有離線編程功能，技術人員可以利用離線編程軟件進行三維仿真編程，編程的難度大大降低。

（5）機器人的集成技術得到了提升。隨著機器人應用范圍的擴大，機器人按功能分類越來越細化，如Fanuc 機器人就按功能細分為點焊機器人，弧焊機器人、裝配機器人、碼垛機器人、材料加工機器人、機床上下料機器人、噴涂和涂裝機器人、物流搬運機器人、拾取及包裝機器人等。通過個性化定制和功能集成，如機器人技術與焊接設備的集成、機器人技術與噴涂設備的集成等，再配上各種特定功能的軟件包，讓機器人的功能越來越強大，使用越來越方便。

（6）機器人輔助設備的制造技術得到了提升。如目前機器人滑臺等移動機構的重復定位精度達到了±0.1 mm，變位機重復定位精度達到了±0.1 mm。另外夾具、伺服轉臺、伺服柔性定位裝置、端拾器等輔助設備的制造精度也得到了大幅提升，幾乎達到了機床級的精度范圍。

3.2 機器人技術在鐵路貨車制造領域具有廣闊的應用空間

鐵路貨車制造企業是典型的勞動密集型企業，人員需求多、勞動強度大、作業環境中存在焊接煙塵、鑄造粉塵、噪聲、漆霧和有機廢氣污染等，亟需實現“以機代人”把工人從繁重的勞動和惡劣的工作環境中解放出來。同時在鐵路貨車各制造環節中存在大量如焊接、噴涂、切割、搬運等可用機器人實現的工序，以80 t 級通用鐵路貨運敞車為例，每臺敞車包含了約2114 條焊縫，焊縫總長度達1027 m；有165 種，共562 件剪切件；有114種，共325 件折壓件，數控切割長度為180 m，油漆使用量達289.9 kg，這些工序為機器人的應用提供了廣闊的空間。

3.3 鐵路貨車制造行業的產業升級使機器人技術的應用成為必然

近年來，鐵路貨車制造企業由于產能嚴重過剩，市場競爭異常激烈，絕大多數企業長期處于虧損或微利狀態。同時，機械制造企業“用工荒”的出現和勞動力成本的大幅上升又使企業的生產經營雪上加霜。在這樣的環境下進行產業升級，提高生產效率，降低用工成本是鐵路貨車制造企業面臨的首要任務，而在制造環節使用機器人，實現“以機代人”就成為絕大多數企業的必然選擇。

3.4 機器人技術在鐵路貨車制造行業應用的強大動力

隨著機器人產能的擴大，機器人的價格出現了較大的下滑，以世界機器人領域的日本安川電機、發那科、德國庫卡、瑞士ABB 為例，在近10 年工業機器人價格由平均50 萬元左右下降到目前的15～20 萬元，而新松、埃夫特、埃斯頓等國產機器人的價格已到8 萬元以下，對于經濟效益普遍不好的鐵路貨車制造企業來說，機器人價格的大幅度下降無疑在推動機器人應用的決策中起到了關鍵作用。

另外，國內汽車行業已經處于飽和期，汽車需求的下滑和汽車行業的全面調整已經到來，這使得原服務于汽車行業的大量機器人集成供應商不得不另謀出路，導致資金和技術流向鐵路貨車制造這樣的機器人應用洼地，無形之中推動了鐵路貨車制造行業機器人的應用。

4 實施建議

盡管無論從機器人應用技術的發展還是鐵路貨車制造企業自身的需求看，機器人進入鐵路貨車制造行業的機遇已經到來，但是由于鐵路貨車制造企業在機器人應用方面的技術積累較少，鐵路貨車制造企業的經濟效益較差，因此鐵路貨車制造企業在機器人應用方面應采取先試點后推廣的謹慎態度。在焊接、噴涂、搬運等作業中選擇作業人員多、勞動強度大、工作環境惡劣的工序進行試點。通過試點，積累經驗，培養人才，從而實現機器人應用從點到線、從線到面的突破。

5 結語

綜上所述，隨著機器人技術的發展和鐵路貨車制造企業自身發展的需要，機器人技術在鐵路貨車制造過程中應用的時機已經成熟，鐵路貨車制造行業將成為繼汽車、家電、物流之后又一個機器人應用的重要領域，也將隨著機器人技術的應用和普及實現生產效率的提升、產品質量的提高和制造成本的降低，從而實現鐵路貨車制造企業核心競爭力的提升和產業升級。