智能化焊接技術(shù)在客車制造中的應(yīng)用

智能化焊接技術(shù)在客車制造中的應(yīng)用吉學(xué)剛;朱振林【摘要】隨著國(guó)家智能化與信息化項(xiàng)目的進(jìn)一步推進(jìn)與加速，焊接機(jī)器人作為具有強(qiáng)力后勁的延展項(xiàng)目已經(jīng)成為客車企業(yè)的重點(diǎn)推廣應(yīng)用課題，需要從工藝設(shè)計(jì)、方案策劃及人才管理等多個(gè)方面推廣實(shí)施?！酒诳Q】《汽車制造業(yè)》【年(卷)，期】2016(000)010【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P20-20,22,23)【關(guān)鍵詞】智能化;客車制造;焊接技術(shù);應(yīng)用;信息化項(xiàng)目;焊接機(jī)器人;客車企業(yè);工藝設(shè)計(jì)【作者】吉學(xué)剛;朱振林【作者單位】中通客車控股股份有限公司【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】U469.1隨著國(guó)家智能化與信息化項(xiàng)目的進(jìn)一步推進(jìn)與加速，焊接機(jī)器人作為具有強(qiáng)力后勁的延展項(xiàng)目已經(jīng)成為客車企業(yè)的重點(diǎn)推廣應(yīng)用課題，需要從工藝設(shè)計(jì)、方案策劃及人才管理等多個(gè)方面推廣實(shí)施。目前中國(guó)人口紅利消失，社會(huì)普遍面臨勞動(dòng)力老齡化，制造企業(yè)存在用工不足且熟練技能工緊缺等問(wèn)題。因此在勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境條件差、質(zhì)量要求高的工序應(yīng)用自動(dòng)化的智能裝備成為社會(huì)發(fā)展與企業(yè)創(chuàng)新的必然選擇。隨著生活水平的提高，人們不斷追求車輛自身的安全性與乘座的舒適性，同時(shí)〃中國(guó)制造2025”的實(shí)施，將推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)邁向中高端發(fā)展，因此客車產(chǎn)品的質(zhì)量升級(jí)存在強(qiáng)勁的剛性需求和內(nèi)在動(dòng)力，也是驅(qū)動(dòng)客車制造企業(yè)向智能化發(fā)展的必由之路。得益于國(guó)內(nèi)主流客車制造企業(yè)與國(guó)外高端知名企業(yè)的長(zhǎng)期合作積淀，中國(guó)相對(duì)廉價(jià)的勞動(dòng)力成本，以及近幾年中國(guó)客車制造企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的迅速擴(kuò)張，中國(guó)客車制造業(yè)正在逐步由大做強(qiáng)，目前產(chǎn)銷量稱霸全球。但我們也應(yīng)該看到，客車產(chǎn)品由于受訂單差異性強(qiáng)、品種多、批量小的特點(diǎn)制約，自動(dòng)化程度相對(duì)較低，勞動(dòng)力也比較密集，批量訂單或同一產(chǎn)品一致性差，產(chǎn)品質(zhì)量難以有突破性的提升，因此以〃解放人力，提高效能與質(zhì)量”的智能制造技術(shù)在現(xiàn)代制造企業(yè)中的應(yīng)用顯得尤為迫切。在步入工業(yè)4.0時(shí)代的今天，“智能制造”無(wú)處不在，無(wú)所不能。2015年德國(guó)漢諾威工業(yè)展，中國(guó)制造在傳統(tǒng)行業(yè)里已被〃邊緣化”，“MADEINCHINA”的產(chǎn)品被分布在了每個(gè)展館的最邊緣、最沒(méi)人氣的位置，中國(guó)制造在工業(yè)4.0高科技展館內(nèi)無(wú)蹤跡可尋，這明顯與中國(guó)正在聲勢(shì)浩大的倡導(dǎo)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)相悖。中國(guó)制造唯有全民行動(dòng)、奮起直追，不斷創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)方式，大力推行智能化生產(chǎn)，方能在未來(lái)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)中取得一席之地。目前國(guó)家對(duì)智能制造與兩化融合項(xiàng)目給予充分的政策扶持與引導(dǎo)，我們有理由堅(jiān)信，引進(jìn)智能制造裝備是搶占行業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)，加速企業(yè)健康、良性發(fā)展的制勝法寶。焊接機(jī)器人主要分為自動(dòng)點(diǎn)焊與自動(dòng)弧焊。采取機(jī)器人替代人工焊接，可確保產(chǎn)品質(zhì)量的恒定一致，并且將員工從枯燥、繁重的重復(fù)性勞動(dòng)中解放出來(lái)，使其聰明才智和應(yīng)變能力得以釋放，從而產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。采取機(jī)器人作業(yè)還可適應(yīng)高度柔性化的點(diǎn)單式客車生產(chǎn)，便于合理組織人力、物力等相關(guān)資源，因?yàn)閭鹘y(tǒng)式的客車生產(chǎn)存在較大的訂單不均衡性，產(chǎn)量大時(shí)用工緊缺，而生產(chǎn)淡季時(shí)員工又會(huì)出現(xiàn)大量閑置，導(dǎo)致客車企業(yè)用工一直比較困難。通過(guò)更換機(jī)頭的方式，同一機(jī)器人可分別實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、焊接等多重功能。變位機(jī)是通過(guò)將待焊接工件翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)或傾斜實(shí)現(xiàn)焊槍與焊縫的接近，同時(shí)避免機(jī)器人本體與工件間發(fā)生碰撞或干涉，當(dāng)然工件的擺放固定所用的夾具至少不能遮擋待焊接的焊縫。矩型管工件定位主要分為點(diǎn)焊連接固定和工裝夾具固定或兩種方式的混合應(yīng)用，其中，點(diǎn)焊連接固定需提前對(duì)物料進(jìn)行人工焊接，然后再放置變位機(jī)對(duì)焊縫實(shí)施整體滿焊或間斷焊。焊接機(jī)器人一般通過(guò)設(shè)置工作站的方式進(jìn)行應(yīng)用（見(jiàn)圖1），若安裝在通用平臺(tái)上可實(shí)現(xiàn)便捷搬遷。工位站主要硬件包括：機(jī)器人本體、控制器、示教器、焊槍、變位機(jī)、清槍機(jī)構(gòu)、識(shí)別系統(tǒng)及相應(yīng)的定位工裝等。為實(shí)現(xiàn)工件的焊接功能，必須依據(jù)所焊接工件的形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸、精度和節(jié)拍等信息對(duì)其相關(guān)功能單元進(jìn)行系統(tǒng)組合與集成，其中機(jī)器人本體間及與變位機(jī)間的協(xié)調(diào)配合非常關(guān)鍵，運(yùn)行軌跡及相關(guān)動(dòng)作通過(guò)在線或離線編程予以實(shí)現(xiàn)?？蛙嚠a(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜、多品種和小批量的特點(diǎn)，導(dǎo)致編程及工裝制作與更換的工作量極大，因此提高工件的通用化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)推行機(jī)器人焊接具有非常重要的實(shí)質(zhì)性意義。焊縫分布統(tǒng)一且具備一定批量的制件采用機(jī)器人焊接可操作性較強(qiáng)，并且工裝一般采用厚板料割洞、鏤空的方式，便于對(duì)工件姿態(tài)調(diào)整后的背面焊縫施焊（見(jiàn)圖2）。全球知名焊接機(jī)器人制造商主要有德國(guó)庫(kù)卡（KUKA）、德國(guó)卡爾?克魯斯（CLOOS）、瑞典ABB、日本安川（YASKAWA）、日本川崎（KAWASAKI）、日本發(fā)那科（FANUC）和日本OTC等企業(yè)。其中，德國(guó)卡爾?克魯斯公司在行業(yè)內(nèi)素有頂級(jí)制造商的美譽(yù)，具有機(jī)器人、焊機(jī)、變位機(jī)及識(shí)別系統(tǒng)等全套功能模塊的自主研發(fā)與生產(chǎn)能力，在以色列MTC集團(tuán)的客車工廠已有成熟應(yīng)用，國(guó)內(nèi)的宇通客車也正在與其合作，但目前在國(guó)內(nèi)無(wú)生產(chǎn)基地（北京有辦事處），價(jià)格昂貴。應(yīng)用于以色列MTC公司的客車單片骨架組焊如圖3所示。帶識(shí)別系統(tǒng)的CLOOS機(jī)器人如圖4所示。國(guó)內(nèi)機(jī)器人近來(lái)發(fā)展也比較迅速，如時(shí)代、新松等，但處于發(fā)展的幼兒期，產(chǎn)品質(zhì)量、性能及使用壽命等與國(guó)際品牌相比仍存在一定差距。焊接機(jī)器人對(duì)來(lái)料精度（型鋼R弧的一致性）、下料精度（設(shè)備保障）和定位精度（工裝保障）要求頗高，一般要求公差范圍在2mm以內(nèi)。一直作為粗放型的客車生產(chǎn)推行機(jī)器人焊接對(duì)精度的保障存在很大的挑戰(zhàn)性，否則會(huì)出現(xiàn)碰撞、焊偏、不起弧和熔深淺等缺陷，影響焊接質(zhì)量與工件強(qiáng)度。大巴車制造通常采用型鋼弧焊，為確保型鋼下料精度，帶鋸或沖床需采用數(shù)控或激光下料設(shè)備。宇通客車申報(bào)的〃節(jié)能與新能源客車模塊化、柔性化智能制造新模式”獲得國(guó)家工信部2015年智能制造專項(xiàng)的重點(diǎn)扶持（見(jiàn)圖5），這無(wú)疑是加速行業(yè)內(nèi)大面積推廣應(yīng)用焊接機(jī)器人的一針助推劑。裝配焊縫跟蹤識(shí)別系統(tǒng)雖然在一定程度上可以緩解精度控制所引起的焊接缺陷問(wèn)題，但其成本高（與機(jī)器人本體相當(dāng)或者更高）、數(shù)據(jù)處理量大（集視頻采集、分析，PLC運(yùn)算）以及糾偏時(shí)間長(zhǎng)（存在一定響應(yīng)時(shí)間），在多品種的復(fù)雜構(gòu)件上應(yīng)用也很難達(dá)到預(yù)期效果。為了防止機(jī)器人與系統(tǒng)間出現(xiàn)物理性碰撞，可通過(guò)安裝防碰撞傳感器的方式避免此類問(wèn)題的出現(xiàn)。多數(shù)機(jī)器人供應(yīng)商僅生產(chǎn)不同荷重及活動(dòng)范圍的機(jī)器人本體及控制系統(tǒng)，第七軸行走滑軌、變位機(jī)和信息通信則多由系統(tǒng)集成商進(jìn)行制作，如宇通客車與德國(guó)KUKA公司的合作是通過(guò)上海君屹公司、北京艾森迪等公司進(jìn)行系統(tǒng)集成。焊機(jī)系統(tǒng)屬于選裝配置件，主要有麥格米特MEGMEET、福尼斯FRONIUS、肯倍KEMPPIOY、林肯LINCOLN.凱爾達(dá)KAIERDA和米林MILLER等品牌焊機(jī)。隨著國(guó)家智能化與信息化項(xiàng)目的進(jìn)一步推進(jìn)與加速，焊接機(jī)器人作為具有強(qiáng)力后勁的延展項(xiàng)目已經(jīng)成為客車企業(yè)的重點(diǎn)推廣應(yīng)用課題，整體思路如下：依托在行業(yè)內(nèi)有一定應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和具備較強(qiáng)實(shí)力的機(jī)器人制造商或集成商全新建站，采取〃交鑰匙工程”的方式進(jìn)行系統(tǒng)全面策劃，建站所需的所有配套附屬設(shè)施（含吊裝、柔性定位工裝、通風(fēng)排煙、照明和監(jiān)視）及軟硬件控制系統(tǒng)打包一體，同時(shí)簽訂協(xié)議由集成商承擔(dān)一定的建站應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。圖6為格柵件機(jī)器人焊接工作站整體布置。成立一線專門的機(jī)器人施工隊(duì)伍，統(tǒng)一籌劃與管理，盡早儲(chǔ)備機(jī)器人操作人員，提高機(jī)器人操作與編程人員的工資待遇與福利水平。在實(shí)施保底工資的基礎(chǔ)上，機(jī)器人作業(yè)人員與編程數(shù)量、工件完工數(shù)量相掛鉤，塑造智能化工作崗位的員工優(yōu)越感與榮耀感，激勵(lì)員工愿意從事機(jī)器人焊接作業(yè)。對(duì)國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀及相關(guān)資源進(jìn)行充分調(diào)研，深入論證方案可行性，對(duì)應(yīng)用細(xì)節(jié)進(jìn)行細(xì)致推敲揣摩，力求方案的嚴(yán)謹(jǐn)、可行。由點(diǎn)及面，按〃單件-單片-整車”的遞進(jìn)式思路進(jìn)行推廣。需要說(shuō)明的是：采取人工上料、夾緊和脫模，人工定位完畢在變位機(jī)處輸入確認(rèn)等待信號(hào)，機(jī)器人按1~7的順序依次進(jìn)行焊接，單工位焊接完畢可直接脫模、上料和夾緊固定，依次循環(huán)。變位機(jī)與機(jī)器人焊接如圖7所示。系統(tǒng)構(gòu)成包括但不僅限于：機(jī)器人、示教器、滑軌、變位機(jī)、信息通信與控制系統(tǒng)、工裝夾具、清剪絲機(jī)構(gòu)、焊機(jī)系統(tǒng)、防碰撞傳感器