摘? ?要： 軌道車輛部件的焊接生產(chǎn)模式正由過去的單一型號(hào)生產(chǎn)向多品種共線、訂單化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，柔性化、智能化焊接生產(chǎn)成為發(fā)展趨勢(shì)。為軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)提出一種柔性化智能制造系統(tǒng)。提出側(cè)梁、橫梁、構(gòu)架總成等關(guān)鍵部件的生產(chǎn)工藝流程，改進(jìn)生產(chǎn)工藝布局;通過優(yōu)化瓶頸工序生產(chǎn)工藝，提高智能化生產(chǎn)水平;通過優(yōu)化夾具接口，實(shí)現(xiàn)工件快速裝夾及產(chǎn)品混線生產(chǎn);通過智能物流系統(tǒng)構(gòu)建，將組裝、打磨、焊接、運(yùn)輸、檢測(cè)等工序進(jìn)行有機(jī)串聯(lián)，形成具有高度柔性的、以中央智能控制系統(tǒng)為核心的柔性化智能制造系統(tǒng)。系統(tǒng)智能化水平較高，可兼容五種產(chǎn)品的共線焊接生產(chǎn)，且能夠有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性，大幅提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架;焊接;工藝優(yōu)化;柔性化;智能制造

中圖分類號(hào)：U213.2+1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 06-075-07

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.013

引言

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是軌道車輛的核心部件之一，對(duì)軌道車輛起到重要承載作用，其可靠性直接影響軌道車輛的行駛安全。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致焊縫位置的可達(dá)性較差，這一特點(diǎn)決定了其較難實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

當(dāng)前，智能焊接技術(shù)已被各行業(yè)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)當(dāng)中，焊接技術(shù)的發(fā)展方向是自動(dòng)化、柔性化、智能化[1]。國內(nèi)各主機(jī)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的智能化生產(chǎn)進(jìn)行了大量研究，但研究重點(diǎn)主要在于對(duì)局部生產(chǎn)工藝的智能化改進(jìn)，缺乏對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架智能化、柔性化生產(chǎn)系統(tǒng)的整體把控。目前的主流生產(chǎn)模式仍是為每種產(chǎn)品建設(shè)單獨(dú)的生產(chǎn)線，生產(chǎn)線通用性較差，一旦需要生產(chǎn)新產(chǎn)品，必須進(jìn)行布局調(diào)整，大規(guī)模更換生產(chǎn)裝備及工裝，造成大量浪費(fèi)。近年來，有軌電車、磁懸浮列車、空軌列車等新制式軌道車輛不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)致產(chǎn)品的生產(chǎn)模式必須由過去的單一型號(hào)生產(chǎn)向多品種共線、訂單化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)軌道交通產(chǎn)品市場(chǎng)需求的多樣化和快速變化[2]。在這種形勢(shì)下，將具有高度柔性化的智能制造技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)，成為一種解決問題的有效途徑。

本文首先對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析;其次提出柔性化智能制造系統(tǒng)的總體技術(shù)方案;最后結(jié)合各子系統(tǒng)的功能，介紹系統(tǒng)應(yīng)用情況。

1? 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

動(dòng)車、拖車的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)分別如圖1a、1b所示，兩種構(gòu)架都主要由側(cè)梁、橫梁、縱向牽引梁、定位臂座、制動(dòng)安裝座等組成，主要區(qū)別是動(dòng)車轉(zhuǎn)向架橫梁上有齒輪箱和電機(jī)吊座，拖車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)安裝座安裝在橫梁上。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為焊接結(jié)構(gòu)，側(cè)梁為箱型斷面，橫梁采用箱型結(jié)構(gòu)或無縫鋼管型材[3]。與車體結(jié)構(gòu)長直焊縫多、對(duì)接焊縫多、母材壁薄相比，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出截然不同的特征：

（1）構(gòu)架內(nèi)部多為加強(qiáng)筋板結(jié)構(gòu)，受加強(qiáng)筋板阻隔以及構(gòu)架內(nèi)部空間小等因素影響，短焊縫數(shù)量多。焊接過程中需要頻繁地熄弧和引弧焊接，不利于發(fā)揮智能化焊接方法中連續(xù)長時(shí)間、大批量焊接的優(yōu)勢(shì)[4]。

（2）構(gòu)架定位臂座、牽引梁等部件的板厚可達(dá)50 mm，需提前進(jìn)行預(yù)熱處理，不利于流水線焊接作業(yè)智能化。

（3）構(gòu)架焊接工序多，工藝流程復(fù)雜，特別是側(cè)梁、橫梁的生產(chǎn)需往復(fù)流轉(zhuǎn)，工件運(yùn)輸線路繁雜，不利于實(shí)現(xiàn)物流智能化。

2? 總體技術(shù)方案

2.1? 基于柔性化智能焊接的生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)

（1）側(cè)梁：側(cè)梁自動(dòng)組對(duì)→側(cè)梁自動(dòng)焊接→側(cè)梁二次組對(duì)→側(cè)梁自動(dòng)焊接→部件組焊→打磨修補(bǔ)→側(cè)梁調(diào)直→側(cè)梁探傷→側(cè)梁加工;

（2）橫梁：橫梁一步組對(duì)→自動(dòng)焊接→橫梁二步組對(duì)→自動(dòng)焊接→打磨修補(bǔ)→橫梁探傷→調(diào)修;

（3）構(gòu)架總成：構(gòu)架組裝→構(gòu)架自動(dòng)焊接→部件組焊→構(gòu)架探傷→構(gòu)架氣密性試驗(yàn)。

2.2? 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)特點(diǎn)，應(yīng)用人工智能技術(shù)、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、智能定位技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段，建立柔性化智能焊接生產(chǎn)系統(tǒng)。首先，通過工藝優(yōu)化，按照工藝流程進(jìn)行車間布局，解決生產(chǎn)物流系統(tǒng)紊亂、節(jié)拍不一致問題;其次，優(yōu)化構(gòu)架焊接生產(chǎn)中組裝、焊接、打磨、存儲(chǔ)等瓶頸工序，減少生產(chǎn)占地面積，提升智能化生產(chǎn)水平;再次，設(shè)計(jì)通用隨行工裝夾具平臺(tái)，平臺(tái)與工件存放系統(tǒng)、作業(yè)臺(tái)位等夾具接口一致，實(shí)現(xiàn)工件快速裝夾及不同產(chǎn)品的混線生產(chǎn);最后，采用自動(dòng)物流系統(tǒng)將構(gòu)架側(cè)梁、橫梁及構(gòu)架總成的焊接、加工、檢測(cè)、試驗(yàn)等工序進(jìn)行有機(jī)的串聯(lián)，通過智能設(shè)備規(guī)?；⑴挪技谢?、生產(chǎn)節(jié)拍化、產(chǎn)品多樣化、管理信息化組成高度柔性的構(gòu)架智能焊接生產(chǎn)系統(tǒng)。

根據(jù)生產(chǎn)工藝劃分，構(gòu)架智能焊接生產(chǎn)系統(tǒng)分為側(cè)梁自動(dòng)組裝區(qū)、側(cè)梁自動(dòng)焊接區(qū)、側(cè)橫梁人工作業(yè)區(qū)、橫梁自動(dòng)打磨區(qū)、橫梁自動(dòng)焊接區(qū)、構(gòu)架自動(dòng)焊接區(qū)、立體存放區(qū)、構(gòu)架人工作業(yè)區(qū)等區(qū)塊，主要生產(chǎn)設(shè)備包括側(cè)梁、橫梁、構(gòu)架焊接機(jī)器人系統(tǒng)，自動(dòng)組裝拼焊機(jī)器人系統(tǒng)，打磨機(jī)器人系統(tǒng)，板材AGV運(yùn)輸車，半成品RGV運(yùn)輸車，立體料庫，人工工作站，線邊料架，生產(chǎn)線配套安全裝置，控制中心等。生產(chǎn)系統(tǒng)總體布置如圖2所示。

3? 應(yīng)用

3.1? 柔性化側(cè)梁自動(dòng)組裝技術(shù)

柔性化側(cè)梁自動(dòng)組裝技術(shù)用來完成蓋板、立板、彈簧帽筒及內(nèi)勁板的組裝。柔性化側(cè)梁自動(dòng)組裝系統(tǒng)由自動(dòng)搬運(yùn)組對(duì)機(jī)器人、懸掛式點(diǎn)固機(jī)器人、組裝胎及板料存放臺(tái)等組成。

自動(dòng)組裝搬運(yùn)機(jī)器人采用6旋轉(zhuǎn)軸機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)直立安裝于可左右移動(dòng)的滑軌上，使用專用的末端夾持單元從物料托盤抓取板材并將其自動(dòng)放到組對(duì)工裝上，如圖3a所示。機(jī)器人所有旋轉(zhuǎn)軸配備免維護(hù)交流伺服電機(jī)，無齒輪間隙和每個(gè)軸上都帶制動(dòng)的數(shù)字編碼器。自動(dòng)組裝搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)為在地面軌道上移動(dòng)的形式，保證有足夠的工作范圍。6旋轉(zhuǎn)軸機(jī)器人系統(tǒng)具有高度柔性，配備多個(gè)專用夾持頭，根據(jù)板料條形碼信息，設(shè)計(jì)為可自動(dòng)更換對(duì)應(yīng)夾持頭，夾持單元根據(jù)多種板材規(guī)格尺寸的不同，適應(yīng)不同型號(hào)的產(chǎn)品生產(chǎn)。通過擴(kuò)展新編程序、更換工裝，可滿足多種側(cè)梁自動(dòng)組裝需求。

自動(dòng)點(diǎn)固機(jī)器人采用8軸點(diǎn)固機(jī)器人倒掛安裝，設(shè)計(jì)為可沿桁架軌道軸直線運(yùn)動(dòng)，在桁架下方可平行布置多臺(tái)組裝工位。8軸點(diǎn)固機(jī)器人可以依靠軌道軸在各組裝工位上方空間運(yùn)動(dòng)，保證焊縫可達(dá)。

側(cè)梁的組裝工作由自動(dòng)搬運(yùn)組實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與焊接機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，如圖3b所示。在中央計(jì)算機(jī)的控制下，機(jī)器人、抓取機(jī)構(gòu)、軌道移動(dòng)軸、焊接電源和焊槍清理機(jī)構(gòu)等協(xié)調(diào)動(dòng)作。

3.2? 柔性化橫梁自動(dòng)打磨系統(tǒng)

構(gòu)架橫梁焊接后需進(jìn)行焊縫打磨處理，打磨部位主要為縱梁與橫梁鋼管及齒輪箱吊座、電機(jī)吊座、制動(dòng)夾鉗座、牽引拉桿座等與橫梁之間的焊縫，以及需形成圓滑過渡形狀的端頭。

柔性化橫梁自動(dòng)打磨系統(tǒng)由一臺(tái)直立安裝的6軸機(jī)械臂和一臺(tái)單回轉(zhuǎn)軸變位機(jī)組成。機(jī)械臂采用6個(gè)高自由度的鉸接軸和反應(yīng)快速的短手臂設(shè)計(jì)，配合變位機(jī)同步作業(yè)，保證以最佳角度完成打磨工作。打磨機(jī)器人系統(tǒng)終端采用碟片式打磨工具完成長直焊縫及圓弧燕尾角位置的打磨，如圖4所示?？梢允褂昧匮b置實(shí)現(xiàn)接觸尋找功能，來進(jìn)行焊縫的初定位。遇到編程位置角度不合適時(shí)，打磨機(jī)器人系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)器人的位置，但打磨力可以控制不變，在正常工作狀態(tài)下，可以實(shí)時(shí)在線檢測(cè)且可實(shí)時(shí)修改打磨力和顯示補(bǔ)償位置。力控裝置精度達(dá)1 N，調(diào)節(jié)范圍24～800 N。調(diào)整機(jī)構(gòu)打磨位置具有自適應(yīng)功能，可以將精度控制在0.1 mm，調(diào)節(jié)范圍0～35.5 mm。

3.3? 柔性化自動(dòng)焊接系統(tǒng)

柔性化自動(dòng)焊接系統(tǒng)包含多臺(tái)側(cè)梁、橫梁焊接專用機(jī)器人和構(gòu)架焊接專用機(jī)器人，完成構(gòu)架所有主要焊縫的多層焊接。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部件形狀復(fù)雜，為保證焊槍可達(dá)性，機(jī)器人倒掛安裝，可沿桁架軌道軸直接在工件上方的三維空間內(nèi)左右、上下直線移動(dòng);同時(shí)，在縱向滑軌橫梁下方布置可回轉(zhuǎn)、可擺動(dòng)的C型框架2軸雙工位變位機(jī)。機(jī)器人采用高自由度的7軸鋁合金鑄造結(jié)構(gòu)，高自由度的鉸接軸和反應(yīng)快速的短手臂設(shè)計(jì)，除了保證相對(duì)較廣的工作范圍，還可以在最佳焊槍角度下處理某些難以接近的焊縫。柔性化自動(dòng)焊接系統(tǒng)如圖5所示。

焊接軟件系統(tǒng)專門為電弧焊設(shè)計(jì)，對(duì)焊接過程進(jìn)行專業(yè)化的控制。任何工件程序可從焊接數(shù)據(jù)信息庫中調(diào)出對(duì)焊縫操作的定義。構(gòu)架焊接短焊縫多，需頻繁起弧，在焊接起始點(diǎn)上的工件污染或熔渣堆積可導(dǎo)致電弧引燃失敗，可選擇反復(fù)引燃、移動(dòng)并引燃、爬行啟動(dòng)三種方法的任意結(jié)合，以確保在焊接開始狀態(tài)下的引燃可靠性。該系統(tǒng)為高度柔性化系統(tǒng)，通過擴(kuò)展新編程序、調(diào)整工裝可實(shí)現(xiàn)各種軌道車輛多種產(chǎn)品車型的自動(dòng)焊接需求。同時(shí)，系統(tǒng)集成有自動(dòng)預(yù)熱、自動(dòng)裝夾、自動(dòng)校準(zhǔn)、焊縫跟蹤、自動(dòng)換槍等多項(xiàng)功能。

3.4? 智能物流系統(tǒng)

采用AGV自動(dòng)運(yùn)輸車（圖6a）、RGV生產(chǎn)線物流運(yùn)輸車（圖6b）、線邊料架、立體料庫、掃碼系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用方案，通過管理控制系統(tǒng)的集成、物料信息的記錄和跟蹤，保證物料轉(zhuǎn)運(yùn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)流程運(yùn)行有序、自動(dòng)無縫對(duì)接。

板材自動(dòng)運(yùn)輸物流系統(tǒng)：通過中央智能控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，接收MES指令，調(diào)度多輛AGV自動(dòng)運(yùn)輸車，自動(dòng)完成車間板材從存放區(qū)至生產(chǎn)線側(cè)橫梁組裝區(qū)的運(yùn)輸。利用掃碼裝置（或RFID 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)），準(zhǔn)確讀取物料信息及生產(chǎn)物流過程中的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)。根據(jù)產(chǎn)能，結(jié)合用戶每班的物料送料班次，與生產(chǎn)線側(cè)梁、橫梁生產(chǎn)工藝相匹配，實(shí)現(xiàn)物料取放有序。

生產(chǎn)線RGV運(yùn)輸系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)側(cè)橫梁及構(gòu)架焊接工位半成品在相應(yīng)工區(qū)的提取運(yùn)輸及存放，并與中央智能控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接和信息通信。物流系統(tǒng)線邊物料存放架與RGV生產(chǎn)線物流運(yùn)輸車具有傳感器互鎖功能，RGV生產(chǎn)線物流運(yùn)輸車沿軌道軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

立體料庫：以精益生產(chǎn)為目的，采用最小的占地面積達(dá)到產(chǎn)品生產(chǎn)的最大化，主要存放側(cè)梁、橫梁焊接成品及進(jìn)行隨行工裝的入庫緩存。立體緩沖站由大型立體庫、豎直升降輸送機(jī)、出料系統(tǒng)組成，入料前和出料后的執(zhí)行動(dòng)作由RGV生產(chǎn)線物流運(yùn)輸車執(zhí)行。

3.5? 自動(dòng)化隨行夾具系統(tǒng)

隨行夾具也是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)柔性化的關(guān)鍵組成部分，其基礎(chǔ)框架采用焊接式結(jié)構(gòu)，允許最大變形量1 mm。如圖7所示以橫梁為例，自動(dòng)加持機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)側(cè)組件、從動(dòng)側(cè)組件、連接模塊等部件。每種類型的構(gòu)架工件采用兩組連接模塊：連接模塊上部連接并夾緊工件，通過調(diào)整定位塊與壓板的位置兼容各型構(gòu)架工件的裝夾;連接模塊下部與夾具定位組件及臺(tái)位料架相連。連接模塊與各結(jié)構(gòu)形式相同，接口統(tǒng)一，便于定位。產(chǎn)品轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)，工件尺寸發(fā)生變化，通過調(diào)整定位塊與壓板的位置，使得連接模塊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸工件的定位和裝夾。自動(dòng)化隨行夾具系統(tǒng)具有自鎖功能，只有在工件處于上料位置時(shí)才能實(shí)現(xiàn)鎖緊與釋放動(dòng)作，主動(dòng)側(cè)組件與從動(dòng)側(cè)組件分別與頭尾架構(gòu)架變位機(jī)相連，其動(dòng)作由焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)控制，并與RGV生產(chǎn)線物流運(yùn)輸車、物料存儲(chǔ)系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)構(gòu)架工位自動(dòng)上下工件。

3.6? 中央智能控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集接口介于企業(yè)上游的信息系統(tǒng)（MES/MOM）與下游的自動(dòng)化設(shè)備之間，具有承上啟下的重要功能：一方面，需要將上游信息系統(tǒng)的生產(chǎn)控制指令及時(shí)地下達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備;另一方面，需要規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，為上游信息系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。生產(chǎn)線末端配置中央智能控制系統(tǒng)，可以通過主控顯示器輕易監(jiān)控FMS生產(chǎn)線狀態(tài)。中央智能控制系統(tǒng)的解決方案是以工單為驅(qū)動(dòng)，以生產(chǎn)作業(yè)過程為主線，以制造現(xiàn)場(chǎng)管理、過程質(zhì)量管理、生產(chǎn)物流管理、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理、安全管理為抓手，以在線采集數(shù)據(jù)為依托，形成全面的生產(chǎn)過程管理。中央智能控制系統(tǒng)通過與企業(yè)上游的PDM、ERP、MES、MRO等信息系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造全過程的可追溯。

通過總體工藝技術(shù)方案優(yōu)化，有效縮短物流運(yùn)輸距離，為實(shí)現(xiàn)智能化物流創(chuàng)造前提條件;通過在組裝、打磨、焊接等關(guān)鍵工序應(yīng)用高度靈活的柔性化智能生產(chǎn)技術(shù)，可有效提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量;通過擴(kuò)展新編程序，可實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品共線生產(chǎn)。在進(jìn)行產(chǎn)品轉(zhuǎn)換時(shí)，無需大規(guī)模更換工裝夾具，僅需調(diào)整夾具上的定位塊與壓板位置，即可實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)產(chǎn)?？傊?，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)，新的生產(chǎn)模式具有高度的柔性化與智能化水平。

4? 結(jié)束語

本文為軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接工藝提出了一種柔性化智能制造新模式，不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性，還可大幅縮短產(chǎn)品供應(yīng)時(shí)間。高度柔性化的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)系統(tǒng)能夠最大程度地重復(fù)利用現(xiàn)有生產(chǎn)資源，實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益。

因轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，目前智能焊接生產(chǎn)線的自動(dòng)化生產(chǎn)率能達(dá)到約80%，部分邊角修補(bǔ)工作還要依靠人工完成。生產(chǎn)線一般最多可兼容五種產(chǎn)品的共線生產(chǎn)，距離完全實(shí)現(xiàn)可訂單化生產(chǎn)的柔性化智能制造尚有一定差距，仍需繼續(xù)不斷地改進(jìn)創(chuàng)新。

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作者簡(jiǎn)介：

高加（1980—），通信作者，男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：軌道車輛工藝設(shè)計(jì)。

E-mail： gaojia200507@163.com

（收稿日期：2020-10-30）