智能化焊接技術在客車制造中的應用

目前中國人口紅利消失，社會普遍面臨勞動力老齡化，制造企業(yè)存在用工不足且熟練技能工緊缺等問題。因此在勞動強度大、環(huán)境條件差、質量要求高的工序應用自動化的智能裝備成為社會發(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“中國制造2025”的實施，將推動產業(yè)結構邁向中高端發(fā)展，因此客車產品的質量升級存在強勁的剛性需求和內在動力，也是驅動客車制造企業(yè)向智能化發(fā)展的必由之路。

項目背景

得益于國內主流客車制造企業(yè)與國外高端知名企業(yè)的長期合作積淀，中國相對廉價的勞動力成本，以及近幾年中國客車制造企業(yè)生產規(guī)模的迅速擴張，中國客車制造業(yè)正在逐步由大做強，目前產銷量稱霸全球。但我們也應該看到，客車產品由于受訂單差異性強、品種多、批量小的特點制約，自動化程度相對較低，勞動力也比較密集，批量訂單或同一產品一致性差，產品質量難以有突破性的提升，因此以“解放人力，提高效能與質量”的智能制造技術在現代制造企業(yè)中的應用顯得尤為迫切。

在步入工業(yè)4.0時代的今天，“智能制造”無處不在，無所不能。2015年德國漢諾威工業(yè)展，中國制造在傳統(tǒng)行業(yè)里已被“邊緣化”，“MADE IN CHINA”的產品被分布在了每個展館的最邊緣、最沒人氣的位置，中國制造在工業(yè)4.0高科技展館內無蹤跡可尋，這明顯與中國正在聲勢浩大的倡導由制造大國向制造強國邁進相悖。中國制造唯有全民行動、奮起直追，不斷創(chuàng)新驅動方式，大力推行智能化生產，方能在未來發(fā)展競爭中取得一席之地。目前國家對智能制造與兩化融合項目給予充分的政策扶持與引導，我們有理由堅信，引進智能制造裝備是搶占行業(yè)發(fā)展制高點，加速企業(yè)健康、良性發(fā)展的制勝法寶。

焊接機器人應用現狀

焊接機器人主要分為自動點焊與自動弧焊。采取機器人替代人工焊接，可確保產品質量的恒定一致，并且將員工從枯燥、繁重的重復性勞動中解放出來，使其聰明才智和應變能力得以釋放，從而產生更大的經濟回報。采取機器人作業(yè)還可適應高度柔性化的點單式客車生產，便于合理組織人力、物力等相關資源，因為傳統(tǒng)式的客車生產存在較大的訂單不均衡性，產量大時用工緊缺，而生產淡季時員工又會出現大量閑置，導致客車企業(yè)用工一直比較困難。

通過更換機頭的方式，同一機器人可分別實現搬運、焊接等多重功能。變位機是通過將待焊接工件翻轉、旋轉或傾斜實現焊槍與焊縫的接近，同時避免機器人本體與工件間發(fā)生碰撞或干涉，當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焊連接固定和工裝夾具固定或兩種方式的混合應用，其中，點焊連接固定需提前對物料進行人工焊接，然后再放置變位機對焊縫實施整體滿焊或間斷焊。

焊接機器人一般通過設置工作站的方式進行應用(見圖1)，若安裝在通用平臺上可實現便捷搬遷。工位站主要硬件包括：機器人本體、控制器、示教器、焊槍、變位機、清槍機構、識別系統(tǒng)及相應的定位工裝等。為實現工件的焊接功能，必須依據所焊接工件的形狀、結構、尺寸、精度和節(jié)拍等信息對其相關功能單元進行系統(tǒng)組合與集成，其中機器人本體間及與變位機間的協(xié)調配合非常關鍵，運行軌跡及相關動作通過在線或離線編程予以實現?？蛙嚠a品結構的復雜、多品種和小批量的特點，導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、模塊化和標準化對推行機器人焊接具有非常重要的實質性意義。

焊縫分布統(tǒng)一且具備一定批量的制件采用機器人焊接可操作性較強，并且工裝一般采用厚板料割洞、鏤空的方式，便于對工件姿態(tài)調整后的背面焊縫施焊(見圖2)。

全球知名焊接機器人制造商主要有德國庫卡(KUKA)、德國卡爾·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，德國卡爾·克魯斯公司在行業(yè)內素有頂級制造商的美譽，具有機器人、焊機、變位機及識別系統(tǒng)等全套功能模塊的自主研發(fā)與生產能力，在以色列MTC集團的客車工廠已有成熟應用，國內的宇通客車也正在與其合作，但目前在國內無生產基地(北京有辦事處)，價格昂貴。應用于以色列MTC公司的客車單片骨架組焊如圖3所示。帶識別系統(tǒng)的CLOOS機器人如圖4所示。

國內機器人近來發(fā)展也比較迅速，如時代、新松等，但處于發(fā)展的幼兒期，產品質量、性能及使用壽命等與國際品牌相比仍存在一定差距。

焊接機器人對來料精度(型鋼R弧的一致性)、下料精度(設備保障)和定位精度(工裝保障)要求頗高，一般要求公差范圍在2 mm以內。一直作為粗放型的客車生產推行機器人焊接對精度的保障存在很大的挑戰(zhàn)性，否則會出現碰撞、焊偏、不起弧和熔深淺等缺陷，影響焊接質量與工件強度。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控或激光下料設備。宇通客車申報的“節(jié)能與新能源客車模塊化、柔性化智能制造新模式”獲得國家工信部2015年智能制造專項的重點扶持(見圖5)，這無疑是加速行業(yè)內大面積推廣應用焊接機器人的一針助推劑。

裝配焊縫跟蹤識別系統(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題，但其成本高(與機器人本體相當或者更高)、數據處理量大(集視頻采集、分析，PLC運算)以及糾偏時間長(存在一定響應時間)，在多品種的復雜構件上應用也很難達到預期效果。為了防止機器人與系統(tǒng)間出現物理性碰撞，可通過安裝防碰撞傳感器的方式避免此類問題的出現。

多數機器人供應商僅生產不同荷重及活動范圍的機器人本體及控制系統(tǒng)，第七軸行走滑軌、變位機和信息通信則多由系統(tǒng)集成商進行制作，如宇通客車與德國KUKA公司的合作是通過上海君屹公司、北京艾森迪等公司進行系統(tǒng)集成。焊機系統(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KAIERDA和米林MILLER等品牌焊機。

在客車制造中的應用思路

隨著國家智能化與信息化項目的進一步推進與加速，焊接機器人作為具有強力后勁的延展項目已經成為客車企業(yè)的重點推廣應用課題，整體思路如下：

1.依托在行業(yè)內有一定應用經驗和具備較強實力的機器人制造商或集成商全新建站，采取“交鑰匙工程”的方式進行系統(tǒng)全面策劃，建站所需的所有配套附屬設施(含吊裝、柔性定位工裝、通風排煙、照明和監(jiān)視)及軟硬件控制系統(tǒng)打包一體，同時簽訂協(xié)議由集成商承擔一定的建站應用風險。圖6為格柵件機器人焊接工作站整體布置。

2.成立一線專門的機器人施工隊伍，統(tǒng)一籌劃與管理，盡早儲備機器人操作人員，提高機器人操作與編程人員的工資待遇與福利水平。在實施保底工資的基礎上，機器人作業(yè)人員與編程數量、工件完工數量相掛鉤，塑造智能化工作崗位的員工優(yōu)越感與榮耀感，激勵員工愿意從事機器人焊接作業(yè)。

3.對國內焊接機器人的應用現狀及相關資源進行充分調研，深入論證方案可行性，對應用細節(jié)進行細致推敲揣摩，力求方案的嚴謹、可行。

4.由點及面，按“單件→單片→整車”的遞進式思路進行推廣。需要說明的是：采取人工上料、夾緊和脫模，人工定位完畢在變位機處輸入確認等待信號，機器人按1～7的順序依次進行焊接，單工位焊接完畢可直接脫模、上料和夾緊固定，依次循環(huán)。變位機與機器人焊接如圖7所示。

5.系統(tǒng)構成包括但不僅限于：機器人、示教器、滑軌、變位機、信息通信與控制系統(tǒng)、工裝夾具、清剪絲機構、焊機系統(tǒng)、防碰撞傳感器、隔離罩、送風排煙、在線監(jiān)控以及工件/工裝吊裝系統(tǒng)等。

6.智能化焊接項目投資構成主要有精度保障(下料設備及工裝夾具)、信息化建設和機器人工作站三部分組成。

機器人焊接項目的順利實施必須以提高產品通用化水平、提高型鋼件下料及工裝保障精度為前提，減少工裝頻繁變更、重復編程等所帶來的人力、物力和效率的消耗及浪費，切實降低勞動強度，改善產品質量、提高工作效率。