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铁路机车构架机器人焊接应用现状几何?

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1. 概述

目前,世界及我国铁路机车转向架构架(本文简称构架)结构大致分为目字型、日字型和H型结构三种,如图1所示,长度在4~6.5m之间不等,宽度一般3m左右,属较大型的钢结构产品。

(a)目字型                         (b)日字型                            (c)H型

图1构架结构分类

由于构架承担铁路机车运行的走行功能,强度要求较高,主体材质一般焊接性好的低合金钢(主流为Q345C和16MnDR),主体结构板厚一般在8~20mm之间,常规焊接工艺为多层多道焊接。 

 

2. 国内主流焊接机器人选择

由于构架为大型结构件,国内机车制造行业多采用IGM、Panosonic和CLOOS等大型工业焊接机器人系统,焊接机器人系统主要由以6轴为主的机械手、变位机、焊接电源、工装等通过控制系统集成而成一体,其中影响机器人在构架焊接应用的主要是机械手及变位机的适应性,下面以IGM机器人系统的机械手及变位机为例进行讨论。

 

(1)机械手分类及讨论 如图2所示,一般分为悬臂式焊接机械手(见图2a)和滑轨式焊接机械手(见图2b)

(a)悬臂式焊接机械手              (b)滑轨式焊接机械手

图2 大型机械手分类

由上可知,悬臂式焊接机械手一般为底座不可移动状态,更适用于焊接工件表面积较小的工件,滑轨式机械手其焊接手臂安装在可移动的滑轨上,其焊接覆盖区域更为宽广,且由于其可以装置2套焊接手臂实现对称焊接,更有利于控制焊接变形,故大部分机车制造行业选择滑轨式机械手。

 

(2)焊接变位机分类及讨论  变位机的基本形态根据其可旋转角度大致可分为360°变位机(见图3a)和720°变位机(见图3b),以及由这两种基本形态组合而成的复合变位机,由于机车构架焊接位置相对复杂,且大部分焊接位置可达性不良,目前大部分采用的是720°变位机或复合变位机。

(a)360º变位机                          (b)720º变位机

图3 变位机分类

3. 构架机器人焊接应用情况

近十年来,工业机器人的通用化得到快速发展,极大地促进了各行业的自动化程度。焊接工业机器人已普遍运用于国内机车车辆行业的构架等产品生产,目前,各厂家的构架各大部件均已实现机器人焊接,各大部件焊后表现出焊缝质量高且稳定、变形小、焊缝起终点一致性较好等优点,但构架整体框架受结构、焊缝空间位置及尺寸限制,构架框架的机器人焊接仅有我公司在内的少数几家开始应用,推广应用难度较大。

 

4. 构架框架机器人焊接分析及解决方案

构架框架如图1示,主要由横、纵梁组焊而成,结构为空间形状,焊缝尺寸一般较短(最低的仅100mm)。采用机器人焊接的难度较大,特别是有较多的三条相互垂直相交于一点的墙角三焊缝,焊接可达性差,焊接时电流、电压与机械手移动速度、摆动范围、旋转及角度等参数配合要求高,还需要变位机的密切配合,机器人焊接难度大,焊接成形差、焊接质量难以保证。

 

(1)构架正面和背面对接焊缝  由于整条焊缝外露,焊接可达性良好,机械手可以正常进行焊接,这也是国内机车行业采用焊接机器人焊接实现率最高的部位。

 

(2)构架内侧面焊缝  如图4所示,由于大部分焊缝布置于构架内侧面,基本以三条相互垂直相交于一点的墙角三联焊缝为主,机械手焊枪可达性差,需采用特制焊枪,如加长且带一定角度的焊枪。

 

常规360°焊接变位机无法实现所有焊缝的平位置焊接(见图4中的焊缝1),即使根据焊接位置(PC)编制相应的摆动动作,其焊后焊缝多数由于制造误差等综合因素,仍达不到要求,故构架焊接机器人多采用720°变位机进行。

 

图4 构架内侧焊缝布置

各横梁立板与侧梁翼板、立板之间三联焊缝拐角处,如图4所示,由于转角太小,涉及到的焊接参数多及编程复杂,目前通用机械手由于关节原因,柔韧度不足、无法进行连续焊接,多数采用胎下人工刨除清理、最后进行人工焊接收尾方式,工作量相对较大,这也是制约构架框架完全实现机器人焊接自动化的主要因素。

 

5. 在组装质量适应性方面

由于各单梁部件和构架整体组装时,各误差的累加,导致构架框架组装后,焊缝间隙存在一定差异值,从而影响机器人的焊接质量,对此,国内制造企业目前有两种不同的处置方式。

 

(1)大部分制造商采用的是:在间隙偏差不大的情况下,对间隙超标焊缝进行人工打底焊接,以此来弥补机器人焊接打底时可能导致的质量问题;对间隙超标严重的单独编制焊接参数或采用手动模式进行补充焊接处理,在焊接过程中对参数进行微调。

 

(2)国内先进企业在机械手焊枪增加一个微型探头,对焊接间隙进行扫描,针对不同的间隙调用相应的焊接参数,以此实现实时跟踪调整焊接,达到保证焊接质量的目的。

 

虽然两种方法都能解决构架组装累积误差带来的影响,但无疑第二种方法的智能化程度更高和操作方式更为科学,是焊接机器人未来的发展方向。

 

6. 建议

(1)构架设计结构优化。通过结构设计的优化,与机械手关节相配合,减少小角度、小曲率半径的结构使之平缓过渡,尽量保证有足够的机械手操作空间,获得连续的机器人焊接通道。

 

(2)更加小巧、智能化、通用的工业机器人及部件的开发及应用,配置本文所提及的间隙扫描探头等感触元件,增加焊接过程中对工作部位形状、空间结构相对位置、物物干涉性判断及决策的智能化功能,减少人工干预量。

 

(3)多功能变位机的适应性应用。变位机必须具有位置变换的精准度并与整个机器人焊接系统形成整体才能发挥作用。

 

(4)多轴机械手的更新换代是发展方向。如目前CLOOS新型的7轴和IGM机械手的9轴机械手替代目前市场主流的6轴机械手。7轴机械手模拟人手运动关节结构,更符合人机工程学,具有更好的柔韧性和自由度,更易实现小角度、小曲率半径及相对狭小空间的焊接,将方便编程和保证机械手的可达性,实现构架整体的机器人智能焊接。

                                                                                                                      文章转自焊接切割联盟

2019年8月28日 09:03
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