朱志民，方孝鐘，周勇，王亞婷，高云龍，苗冬冬

1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇南京 210031

2.北京艾捷默機器人系統(tǒng)有限公司 北京 102202

3.克魯斯焊接技術北京有限公司 北京 101300

1 序言

目前，中國經(jīng)濟正處于從“高速度發(fā)展”邁進“高質量發(fā)展”階段，對制造業(yè)提出了更高更新的要求。憑借生產(chǎn)操作穩(wěn)定、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率等特點[1]，工業(yè)機器人被廣泛應用于汽車、鐵路裝備及工程機械等各個行業(yè)，并逐漸走向系統(tǒng)化、規(guī)?；椭悄芑Ｖ袊熊囎鳛槲覈冗M軌道交通裝備領域的主要代表，為更好地貫徹落實“中國制造2025”戰(zhàn)略部署，提出“中車智造2025”，以標準化、精益化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化作為“中車智造2025”的實施路徑，按照夯實標準化基礎、強化精益化管理、加快數(shù)字化進程、創(chuàng)新網(wǎng)絡化模式，以及探索智能化轉型的策略穩(wěn)步推進。本文結合中車智能化轉型中工業(yè)機器人的應用，對目前市場上應用較多的焊接機器人、打磨機器人、組對工業(yè)機器人，以及將不同單功能機器人整合的柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)等工業(yè)機器人應用現(xiàn)狀進行分析介紹，并從企業(yè)發(fā)展和技術革新角度出發(fā)，展望工業(yè)機器人在未來軌道交通制造中的發(fā)展趨勢。

2 常見工業(yè)機器人應用現(xiàn)狀

2.1 焊接機器人的應用

焊接作為軌道車輛制造的關鍵一環(huán)，也面臨著轉型升級，焊接數(shù)字化、智能化是推動先進軌道交通裝備發(fā)展的新動力。目前，國內(nèi)外軌道交通企業(yè)的焊接作業(yè)，都是在沿用傳統(tǒng)制造模式的同時，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機器人及數(shù)字焊機等技術的發(fā)展，開展自動化、數(shù)字化制造生產(chǎn)線應用研究及生產(chǎn)實踐，使產(chǎn)品質量、管理水平、生產(chǎn)效率也得到了大幅提升，起到了良好的示范效應。

焊接機器人的應用如圖1所示，可以取得以下效果。

1）保證焊接過程穩(wěn)定，提高產(chǎn)品制造過程的受控程度。機器人焊接時焊縫的焊接參數(shù)恒定，人為因素影響較小。

圖1 焊接機器人的應用

2）改善操作工的職業(yè)健康條件。用機器人焊接時，工人遠離焊接弧光、煙霧和飛濺等危害。

3）機器人操作動作、生產(chǎn)節(jié)拍固定，生產(chǎn)周期明確。隨著離線編程的應用，工人還可以遠程操控，為進一步打造全自動的無人化工廠創(chuàng)造了條件。

4）機器人可以連續(xù)生產(chǎn)，每天作業(yè)20h，極大地提升了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

5）除了弧焊，在攪拌摩擦焊領域，攪拌摩擦焊機器人應用也是未來攪拌摩擦焊裝備發(fā)展的一個重要方向[2]。

2.2 打磨機器人的應用

中車唐山機車車輛有限公司（以下簡稱中車唐山）、中車株洲電力機車有限公司（以下簡稱中車株機）等分別在動車轉向架、機車司機室焊縫打磨中開展打磨機器人應用研究[3，4]。對于較大長直焊縫的打磨，可以利用大型工具的快速打磨能力在較短時間內(nèi)完成大部分打磨量；對于較小的弧形焊縫，可以利用小型工具的靈活處理來完成復雜焊縫的打磨；而校準參考工具可以通過傳感器對工件和工具的偏移量進行精準計算和補償修正，既避免了硬件偏差對打磨質量的影響，也省去了人工校準所需的大量時間，如圖2所示。

圖2 打磨機器人的應用

以igm打磨機器人為例，配備了自適應接觸法蘭，確保打磨過程中打磨工具與被加工表面始終保持恒定。同時可以起到砂輪砂帶磨損自動補償作用，適用于各種復雜曲面的打磨。同時igm打磨機器人可以選配不同規(guī)格的打磨工具和校準參考工具。用戶程序編程方面，自動打磨機器人使用igm成熟的離線編程方式，在離線軟件中模擬出最合理的機器人運行路徑、打磨路徑和打磨量，同時也避免了現(xiàn)場示教編程的設備和人員的安全隱患。

2.3 組對機器人的應用

在軌道交通車輛產(chǎn)品的制造過程中，有的組對工藝過程也可以利用機器人來替代人工操作，實現(xiàn)自動化的組對安裝，如構架焊接組對機器人，可實現(xiàn)轉向架構架側梁內(nèi)腔等結構的自動組裝，如圖3所示。

圖3 組對機器人的應用

由于不同車型的橫梁構造不一，組對機器人可通過提前設定的不同程序來適應多種類型的橫梁結構。通過機器人靈活的搬運、拼點，借助工裝結構件更高效地完成組對，可節(jié)省人工成本，成功解決了生產(chǎn)線系統(tǒng)中的瓶頸難題。

2.4 噴涂機器人的應用

噴涂機器人基本由智能控制系統(tǒng)、智能視覺系統(tǒng)、防爆噴涂機器人三部分組成，可以通過自動離線編程軟件，生成打磨、拋光程序，如圖4所示。噴涂機器人能夠實現(xiàn)工藝及過程控制的自動化、智能控制，完成車體、構架等自動噴涂，使噴涂過程更加智能、簡單，可視化、再現(xiàn)性高，涂膜控制更加精準，顏色更加鮮艷。同樣通過對機器人結構的靜動態(tài)剛度、運動學動力學分析，建立設計仿真分析平臺，也可以采用機器人進行恒力打磨，完成軌道交通車體機器人膩子打磨。

圖4 噴涂機器人

2.5 組裝機器人的應用

在車輛組裝過程中，機器人被廣泛地應用于零部件自動化裝配或壓裝、螺栓自動擰緊、內(nèi)部物料轉運等方面，主要是采用機械臂代替人工進行裝配、自動選取扳手和套筒、打扭力、記錄扭力數(shù)值，以及自動生成裝配記錄并上傳云端保存等工作，如圖5、圖6所示。

圖5 組裝機器人的應用

圖6 立柱式擰緊機器人的應用

3 以構架焊接為例的柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)

3.1 柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)概況

隨著企業(yè)人力資源成本的不斷增加，安全環(huán)保、職業(yè)健康的管理難度越來越大，在不斷成熟的工業(yè)機器人技術支撐下，企業(yè)越來越意識到使用機器人代替人工是制造業(yè)發(fā)展的趨勢。企業(yè)希望工業(yè)機器人可以覆蓋整個生產(chǎn)流水線，越來越多的柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)開始應運而生，借助5G、數(shù)字化、信息化將各個功能的機器人整合起來，使整個生產(chǎn)過程連續(xù)、靈活起來。圖7是igm設計的FMS柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)，圖8是CLOOS設計的構架自動化生產(chǎn)線。

圖7 igm的FMS柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)

圖8 CLOOS構架自動化生產(chǎn)線

柔性自動化生產(chǎn)線可以實現(xiàn)多種型號的產(chǎn)品自動切換生產(chǎn)，主要構成包括：①生產(chǎn)線控制：用于生產(chǎn)線內(nèi)信息溝通。②立體庫：用于存放待焊件、焊后成品、夾具等。③組裝線：用于組裝側梁。④焊接工作站：用于焊接側梁內(nèi)腔、側梁外焊縫、橫梁及構架等。⑤物流線：用于生產(chǎn)線內(nèi)物流，生產(chǎn)線外的進料和出料。⑥手工線：產(chǎn)品修整、手工組裝等。⑦檢測設備：用于產(chǎn)品檢測。

3.2 柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)功能實現(xiàn)

借助中央控制系統(tǒng)，整條生產(chǎn)線成為了一個統(tǒng)一、和諧的整體，如圖9所示。柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)主要可以實現(xiàn)以下功能：①承接上游信息系統(tǒng)傳遞的生產(chǎn)工單信息，將相應的作業(yè)指令分配到具體的作業(yè)設備，自動調度物料、自動加工。②獲取工單傳遞的物料信息，并與檢測的物料進行比對。③設備具有二維碼掃描功能，可以掃描工件上的二維碼。④能接收上游信息系統(tǒng)下達的質檢要求，并反饋質檢信息。⑤可以解析工單中傳遞的工藝參數(shù)、工藝要求、焊接參數(shù)等，形成設備的控制指令，驅動設備完成制作執(zhí)行及工藝防糾錯的過程。⑥能將機器人作業(yè)的實際參數(shù)及時采集上傳信息系統(tǒng)，所有設備的生產(chǎn)日志數(shù)據(jù)自動存儲并自動傳送到上游系統(tǒng)服務器中。⑦設備可以根據(jù)信息系統(tǒng)傳遞的產(chǎn)品信息、工藝要求做到柔性切換。⑧可以承接上游系統(tǒng)傳遞的焊接程序，并驅動焊接生產(chǎn)過程的執(zhí)行。

圖9 柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)的全面生產(chǎn)過程管理

4 中車部分子公司的構架焊接自動化生產(chǎn)線

轉向架構架生產(chǎn)主要以焊接為主，焊接質量的穩(wěn)定是決定構架產(chǎn)品質量的關鍵。利用先進的數(shù)字化智能制造技術，實現(xiàn)產(chǎn)品制造全過程的追溯，并且利用信息化物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)自動檢測記錄，取消紙質記錄；利用機器替代人，減少作業(yè)人員投入，關鍵主要焊縫實現(xiàn)工業(yè)機器人自動化焊接，減少人為因素的影響，降低質量風險，提高產(chǎn)品質量的穩(wěn)定性；同時實現(xiàn)節(jié)拍化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。中車四方、中車株機、中車唐山、中車浦鎮(zhèn)等公司均開展了構架焊接智能化生產(chǎn)線建設工作，見表1。

表1 中車某些企業(yè)構架焊接智能化生產(chǎn)線建設情況

雖然工業(yè)機器人被各企業(yè)普遍應用，但是仍然存在以下一些問題：①梁體內(nèi)部、外部局部等可達性不好，焊接機器人不能完全覆蓋。②自動化裝配穩(wěn)定性有待驗證，小部件裝配、構架等結構受限。③磁粉檢測可以自動磁化及噴灑磁懸液，判定則需要人工完成。④自動化打磨技術不太成熟，效果不理想，只適合粗磨。⑤自動尺寸檢測技術還需要進一步驗證。

5 工業(yè)機器人在軌道交通制造中的發(fā)展趨勢

5.1 工業(yè)機器人與數(shù)字工廠

當前全球制造業(yè)與信息科技深度融合，數(shù)字工廠技術作為數(shù)字孿生分支領域，是全球先進智能制造研究熱點，并廣泛應用于航空航天、造船、汽車等重點工業(yè)領域[5]。數(shù)字工廠技術與制造裝備有機結合，正引領著第四次信息工業(yè)革命。伴隨工業(yè)信息化與機器人化，工業(yè)機器人勢必成為數(shù)字工廠的重要角色，通過數(shù)字孿生技術集成智能傳感技術、聯(lián)合仿真技術、數(shù)據(jù)分析技術以及智能控制技術等，可以有效地融合、集成和同步虛擬產(chǎn)品與物理產(chǎn)品，并支持它們之間巨大的數(shù)據(jù)互動[6]，實現(xiàn)軌道交通制造全流程數(shù)字化開發(fā)。同時，維護生產(chǎn)管理，持續(xù)不斷地提升產(chǎn)品品質、生產(chǎn)工藝及管理水平。達到這樣的智慧化程度，不僅需要大幅提升機器人集成技術，更需要企業(yè)精益生產(chǎn)管理能力與機器人集成技術的緊密融合[7]。

5.2 工業(yè)機器人與智能制造

現(xiàn)在智能制造是當前世界制造業(yè)的共同發(fā)展趨勢， 中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司高速動車組齒輪傳動系統(tǒng)智能裝配車間、中車株機軌道交通轉向架智能制造車間等都是軌道交通行業(yè)在智能制造方面進行探索而結出的碩果[8]。雖然相比汽車部件的定型制造，軌道交通裝備屬于客戶個性定制產(chǎn)品，智能制造實現(xiàn)的難度更大，但是伴隨工業(yè)機器人標準化、精益化、智能化的發(fā)展，必然會促進軌道交通裝備智能制造的進一步發(fā)展。如以轉向架為例的智能制造，工業(yè)機器人的應用應該立足于全制造流程的每個方面（見圖10），助力于智能制造的每一個階段。

圖10 以轉向架為例的智能制造設計思路

5.3 工業(yè)機器人與精益制造

中國中車在深入推進生產(chǎn)線轉型升級的過程中，不是為了數(shù)字化而數(shù)字化，而是依托精益制造理念，打造符合企業(yè)實際情況的精益制造生產(chǎn)線，并根據(jù)生產(chǎn)線上的需要精益地使用工業(yè)機器人。

總體來看，未來以下4種情況的工業(yè)機器人應用會比較廣泛。

1）人工不適合作業(yè)的動作：如打砂、油漆、防腐、高空作業(yè)及有毒有害氣體泄漏檢測等，對操作者的健康傷害比較大，作業(yè)員工也難招聘、難培養(yǎng)。

2）人工作業(yè)不經(jīng)濟的動作：如焊接、無損檢測等，招聘并培訓員工的成本比較高，且存在職業(yè)健康風險。

3）對人的技能要求比較高的動作：如長大焊縫的焊接、高精度的尺寸檢測、高空維護作業(yè)等，機器人作業(yè)更加穩(wěn)定、可靠，還可以實現(xiàn)作業(yè)記錄自動生成并上傳云端。

4）簡單重復的動作：如記錄填寫、打磨、簡單的目測等，機器人可以快速地達到工作成效。

5.4 工業(yè)機器人與專職人才

工業(yè)機器人的大量使用，必定造成機器人功能開發(fā)、實況應用、日常維保都需要專職人才?；谄髽I(yè)發(fā)展的需要，應加強校企聯(lián)合育人機制，相應地培養(yǎng)一線員工、中等技能技術人員以及高端技能人才，組建一支高素質人才隊伍，搭建全面型人才培養(yǎng)體系，為生產(chǎn)企業(yè)智能制造的推進提供幫助和支持。

6 結束語

1）隨著軌道交通裝備制造企業(yè)高質量發(fā)展的要求不斷深入、工業(yè)機器人技術的發(fā)展，以及5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的應用，利用工業(yè)機器人進行智能制造的應用會越來越深入。

2）伴隨著工業(yè)機器人的應用，不合適工人作業(yè)的動作，工人作業(yè)不經(jīng)濟的動作，對操作者技能要求過高的動作，重復簡單、技術含量低的動作，都會逐步被工業(yè)機器人所替代。

3）中國中車部分子公司已經(jīng)開展智能化生產(chǎn)線建設，為工業(yè)機器人在軌道交通制造業(yè)的應用提供了發(fā)展機遇。

4）5G技術、大數(shù)據(jù)、人工智能AI及云服務等終將和實體經(jīng)濟進行深度融合，帶來生產(chǎn)方式的深刻變革，也會給企業(yè)的員工隊伍建設和高技能人才的培養(yǎng)儲備帶來新的思考。