基于国铁货车车辆段车门、折页半自动化焊接工艺研究

基于国铁货车车辆段车门、折页半自动化焊接工艺研究

龚睫凯,彭敏敏

广东省铁路规划设计研究院有限公司  广东广州510000

摘要：随着国内焊接自动化技术突飞猛进，自动化、智能化焊接逐渐成为焊接机器人的发展方向，国铁车辆段领域焊接自动化推广速度相对滞后，其车皮在铁路运营时受多种外部工况影响，车皮变形情况复杂多变，段修焊接场景工况极其复杂，导致投入研发周期长，研发成本高，由此实现全自动化焊接技术是一个长期而曲折的过程。本文基于货车车辆段车门、折页焊接工艺现状，提出一种半自动化焊接工艺，为车辆段段修后续焊接工艺自动化升级提供思路和借鉴。

关键字：货车车辆段、车门、折页、半自动化焊接、工艺研究

1、概述

焊接是一种应用广泛的工艺，焊接机器人和普通工业机器人不一样，其不仅可以满足焊接工艺的基本动作，还有维持焊接机器人作业的软件系统，可满足整个焊缝轨迹的精度，能在恶劣环境作业下作业，抗干扰能力强。焊接机器人同大多数机器人一样，由主体、驱动系统、控制系统等部分组成。全球第一台焊接机器人是由日本川崎公司1974年开发，用于摩托车车架的制造工艺，而国内首台焊接机器人由哈尔滨工业大学1984年研发，近年来国内机器人市场、技术一直出于高速发展状态，汽车制造行业焊接机器人应用较广泛。

焊接作为工业“裁缝”是工业生产中非常重要的加工工序，也是智能制造技术的关键环节。由于焊接作业具有特殊性，焊接过程中会产生大量烟尘、弧光、金属飞溅等情况，环境极其恶劣，人工焊接产能低，已成为焊接领域发展的瓶颈。将焊接设备与机器人集成，能有效解决目前的问题，随着自动化升级的推进，焊接机器人未来应用前景广阔。目前国铁车辆段段修焊接工序均采用人工焊接，焊接工作量大，劳动强度高，特别是夏季作业，焊接人员作业环境极其恶劣，高强度持续的人工焊接对焊接质量和效率存在一定影响，同时也影响身心健康。另国内从事焊接作业的人员逐年萎缩，如何改善段修焊接作业环境和缓解焊接用工难的问题一直是困扰国铁车辆段管理层的难题。

2、车门、折页半自动化焊接工艺研究

2.1 工艺布置研究及三维建模设计

本文对国铁车辆段货运车辆车门、折页焊接工艺开展研究，目前均是人工将折页焊接在车门上，研究的焊接范围如图1所示，该焊接工序相对简易，工序重复度高，焊接工作强度大，若采用自动化焊接方式替代人工效益高。

图1 车门、折页焊缝区域分布图

基于国内焊接自动化技术水平以及车辆段焊接工况复杂多变的现状，目前车辆段段修人工焊接工序时，车门在送至焊接工序前需提前进行冲压定型，折页也均为初次使用成品，不存在焊接件变形情况，焊接工艺输入条件容易控制，仅需对折页在车门上的定位和焊接工艺设备布局问题开展研究，实现半自动化焊接工艺是完全可行的。

经车辆段焊接工艺现场调研，本文提出符合车辆段焊接作业现状的一种车门半自动焊接工作站，工艺布局按紧凑流水线型式布置，操作灵活，焊接区域外形占地尺寸仅3米（宽）×5.5米（长）×3米（高），其由焊接机器人、机器人控制柜、丝桶、焊机、烧焊工位、转运机架以及托盘等组成，输入条件为承载堆叠车门的托盘，输出条件为焊接后的承载堆叠车门成品的托盘，堆叠焊接件和焊接件成品的托盘通过叉车转运，待焊工位、焊接工位以及成品工位呈流水线布置，车门焊接件工位转移通过转运机架辅助人工搬运，转运机架配有永磁起重机，可吸附金属制品车门中间区域进行辅助人工转运，焊接件折页也需人工放置于车门焊接工位上。焊接工艺流程图、人工转运机架与半自动焊接工艺布置三维关系图以及车门半自动焊接工作站工艺三维设计图详见图2、图3及其图4所示。

车门半自动焊接工作站具备故障、缺料报警功能及有可靠的急停设计，控制系统独立，人机界面操作；气动与电动相结合，气控系统由气源、过滤器、减压阀、电磁阀等组成，电控系统由电源、端子、继电器、操作面板、报警灯以及工控机等组成。转运机架等结构件采用方钢（或不锈钢）焊接、地脚、底板等加工件组成，所有金属加工件均表面进行防锈处理。

图2 车门、折页半自动焊接工作站工艺流程图

图3车门半自动焊接工作站工艺三维设计图

图4 人工转运机架与半自动焊接工艺布置三维关系图

2.2 焊接夹具工装设计

焊接件车门、折页夹具工装设计是本文核心工序部件，夹具工装三维展示及原理图如图5、图6所示，为定制化量身设计，设计理念实用符合工艺流程需求，夹具操作便捷，定位快速精确。设计的定位夹具工装在X轴和Y轴分别用直线推拉缸对门定位，以便于人工放置工件，免去人工对位的麻烦，折页用夹紧缸夹紧，夹紧点选择在门槽两侧，方便上下工件，同时不影响焊枪走位，折页定位用插销气缸。

左侧和上侧用固定的定位板，分别是X轴和Y轴的基准，在各自对向有夹紧缸，Z轴定位用固定块方式；折页定位销孔部用气缸插销方式，尾部用导槽方式，Z向与车门贴紧。待焊接件车门通过图4转运机架的永磁起重机吸附于夹具工装上，再人工将折页放置在车门指定位置后，折页插销定位气缸可自动精确确定折页和车门的相互关系，不需人工辅助检查。

图5 车门、折页定位夹具三维关系设计图

图6 定位工装定位三维示意图

3、结论

国铁车辆段段修焊接工艺实现自动化是近远期发展的一大亮点，技术攻关难度大，路途非常曲折，需不断的投入人力和研发资金迭代积累。基于车辆段货车车门、折页焊接工序重复且量大，研究半自动化焊接工艺切实有助于解决段修焊机工序的人力、效率问题。本文通过集成现有的自动化焊接技术，采用整体独立式的焊接工作站布局，可实现生产节拍600S/件(不含人工上、下料)，成品焊接件堆叠托盘可达15件，提高了焊接和转运效率，同时精简焊接人员，节省焊接人力成本，助力车辆段段修焊接自动化装备技术迈入新台阶，为后续自动化工艺升级奠定基础。

参考文献

[1]朱成祥.基于视觉引导的焊接机器人焊缝纠偏技术的研究[D].长春工业大学，2022；

[2]钱程.焊接机器人在焊接技术应用中的关键技术研究[J].现代制造技术与装备，2021（9）；

[3]郑志波，李勇，杨泽鈺，瞿文军，顾振强，黄雪强.智能.焊接机器人工艺研究及船舶外场应用[J].现代制造技术与装备，2022（10）；

[4]李建国.港珠澳大桥钢箱梁拼装自动化焊接技术研究[J].建筑工程技术与设计，2014（29）；

[5]成慧俊，裴家港，杨立强，戴振东，林峙彤.基于三目视觉的模块化弧焊机器人焊接作业自动标定算法研究[J].工业仪表与自动化装置，2021（6）；

[6]郑健,张轲，罗志峰等.基于空间直线约束的焊接机器人手眼标定[J].焊接雪宝，2019,39（8）；

[7]秦俊非，毕江海,王继军,郑军,周浩祥.基于PLC的铁路信号机房焊接机器人控制系统设计[J].制造业自动化，2022，5（44）；

[8]杨丽婷.基于虚拟方针的焊接机器人无碰撞路径及轨迹化研究[D].华东交通大学，2021.