王浩 ，趙民，何曉龍，孫禹，齊淑林，劉東,*

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580）

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)快速發(fā)展，信息化、智能化、便捷化的生產(chǎn)方式逐步成為各制造企業(yè)的追求[1]。中車青島四方股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“四方股份公司”)作為軌道交通車輛生產(chǎn)的龍頭企業(yè)，為落實(shí)“以人為本”的宗旨，迎合綠色、環(huán)保、智能制造的理念，于“十三五”期間成功研制出一套高鐵白車身膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨的連續(xù)生產(chǎn)，提高了工作效率，節(jié)省了人工成本，同時(shí)極大降低了打磨粉塵對(duì)施工人員的危害。四方股份公司目前已針對(duì)膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨的相關(guān)技術(shù)申請(qǐng)了數(shù)項(xiàng)專利，在軌道交通領(lǐng)域可謂首屈一指，大大提高了公司品牌的競(jìng)爭(zhēng)力。

膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨系統(tǒng)所采用的自應(yīng)力控制技術(shù)突破了傳統(tǒng)的恒力打磨方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)車身的柔性打磨。該系統(tǒng)擁有的平整度測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷部位的自動(dòng)檢測(cè)，機(jī)械手臂可根據(jù)砂紙磨損量自動(dòng)更換磨片，同時(shí)自動(dòng)吸附打磨后產(chǎn)生的粉塵。自動(dòng)打磨系統(tǒng)因多機(jī)聯(lián)動(dòng)而避免了母材的損傷，提高了打磨后膩?zhàn)拥钠秸燃爱a(chǎn)品的合格率，降低了返修次數(shù)。車體自動(dòng)打磨過(guò)程中通過(guò)自動(dòng)除塵系統(tǒng)令粉塵飄散量大大減少，改善了廠房作業(yè)環(huán)境及清掃難度。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

高鐵白車身膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨系統(tǒng)的主要設(shè)備包括六軸工業(yè)機(jī)器人、平整度測(cè)量系統(tǒng)、恒力打磨系統(tǒng)、磨片自動(dòng)更換裝置、車體位置標(biāo)定系統(tǒng)、中央除塵系統(tǒng)、電控系統(tǒng)，以及離線編程軟件、總控軟件等，系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨系統(tǒng)布置圖Figure 1 Layout of automatic putty sanding system

高鐵白車身膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨系統(tǒng)占地長(zhǎng)31.5 m、寬6.5 m，高4.5 m。每個(gè)臺(tái)位含4個(gè)機(jī)器人，每個(gè)機(jī)器人裝配1個(gè)打磨頭，機(jī)器人可根據(jù)操縱室中設(shè)定的程序在2條平行導(dǎo)軌間滑動(dòng)，車體兩側(cè)各安裝一套平整度測(cè)量系統(tǒng)。在打磨過(guò)程中，系統(tǒng)可檢測(cè)出膩?zhàn)痈唿c(diǎn)部位，同時(shí)打磨頭可自動(dòng)規(guī)避門區(qū)及窗區(qū)，集塵系統(tǒng)、平整度測(cè)量系統(tǒng)、磨片更換系統(tǒng)等在打磨過(guò)程中實(shí)現(xiàn)多級(jí)聯(lián)動(dòng)，共同完成膩?zhàn)哟蚰プ鳂I(yè)。

1.1 平整度檢測(cè)系統(tǒng)

平整度檢測(cè)系統(tǒng)基于3D激光測(cè)量技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)車體表面平整度的精確測(cè)量，以判斷打磨后車體平整度是否滿足≤0.5 mm/m的精度要求，其主要構(gòu)成包括結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量設(shè)備、設(shè)備安裝支架、高性能計(jì)算機(jī)、平整度分析軟件等。

如圖2所示，平整度檢測(cè)系統(tǒng)首先掃描車體，收集膩?zhàn)颖砻嫫秸葦?shù)據(jù)，對(duì)膩?zhàn)痈唿c(diǎn)、麻點(diǎn)等缺陷部位進(jìn)行記錄，然后通過(guò)核心算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接融合、去噪、計(jì)算分析等處理，獲得車體表面的缺陷和平整度數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)可視化。

圖2 平整度檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成Figure 2 Composition of flatness detection system

1.2 恒力打磨系統(tǒng)

恒力打磨系統(tǒng)采取柔順接觸法蘭，關(guān)鍵位置增加檢測(cè)傳感器，并結(jié)合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)打磨過(guò)程的力位混合控制，達(dá)到恒力打磨的要求。驗(yàn)證表明，接觸力波動(dòng)在±1 N以內(nèi)[2]。

如圖3所示，在打磨過(guò)程中機(jī)器人可控制進(jìn)給速率和打磨軌跡，恒力控制裝置控制打磨時(shí)的接觸壓力，打磨工具控制打磨盤轉(zhuǎn)速。恒力打磨系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵打磨工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)量化控制，保證了打磨過(guò)程的可控性和打磨質(zhì)量的一致性。

圖3 恒力打磨系統(tǒng)的構(gòu)成Figure 3 Composition of constant force sanding system

1.3 砂紙自動(dòng)更換裝置

如圖4所示，砂紙自動(dòng)更換裝置包括撕砂紙機(jī)構(gòu)、砂紙供料機(jī)構(gòu)、砂紙有無(wú)檢測(cè)機(jī)構(gòu)等。更換流程為：撕砂紙→檢測(cè)砂紙是否已撕掉→粘砂紙→檢測(cè)砂紙是否已粘上。如果砂紙未被成功撕下或粘上，機(jī)器人將自動(dòng)重做，直至換砂紙成功。

磨片自動(dòng)裝置可根據(jù)打磨程度確定磨片使用的穩(wěn)定時(shí)間，再加上打磨質(zhì)量的檢測(cè)和系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算邏輯，綜合確定磨片的使用壽命。磨片在自動(dòng)更換過(guò)程中使用傳感器進(jìn)行檢測(cè)，以保證更換過(guò)程的準(zhǔn)確執(zhí)行和成功率。

1.4 車體位置標(biāo)定系統(tǒng)

每臺(tái)機(jī)器人末端均安裝有激光位移傳感器，車體進(jìn)到打磨工位后首先利用激光位移傳感器測(cè)量車體的實(shí)際停車位置，并根據(jù)停車位置的偏差來(lái)調(diào)整離線生成的打磨程序，保證打磨過(guò)程中打磨工具與車體的良好貼合[3]。

如圖5所示，在機(jī)器人自動(dòng)打磨車體前，車體位置標(biāo)定系統(tǒng)分別測(cè)量車體端墻、車體下沿、車體表面等位置，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)反饋，自動(dòng)計(jì)算出車體實(shí)際位置與理論位置的偏差，用于對(duì)打磨程序的補(bǔ)償。

圖5 車體位置標(biāo)定系統(tǒng)Figure 5 Train body position calibration system

1.5 除塵系統(tǒng)

如圖6所示，膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨系統(tǒng)采用中央集塵方案，在集塵主機(jī)產(chǎn)生的高真空氣流作用下，通過(guò)集塵管路系統(tǒng)將粉塵連續(xù)不斷地輸送到主機(jī)過(guò)濾系統(tǒng)，使其吸附在系統(tǒng)濾芯表面，實(shí)現(xiàn)邊打磨、邊除塵的目的[4-5]。濾芯表面的粉塵通過(guò)反吹系統(tǒng)自動(dòng)將其吹至集塵袋中，過(guò)濾達(dá)標(biāo)后通過(guò)專用管道排放至大氣之中。

圖6 中央集塵主機(jī)簡(jiǎn)圖Figure 6 Sketch of the main unit of central dust collector

1.6 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，總體電氣方案可簡(jiǎn)化為“總控臺(tái) + 滑車子系統(tǒng)”。如圖7所示，總控臺(tái)根據(jù)車型及車輛位置向各子系統(tǒng)發(fā)布指令。遇到非正常作業(yè)時(shí)，總控臺(tái)自動(dòng)切斷電源，并開(kāi)啟臨時(shí)報(bào)警裝置，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行?；囎酉到y(tǒng)由機(jī)器人控制模塊、導(dǎo)軌以及配套模塊、打磨工具模塊和激光測(cè)量模塊組成。

圖7 電控系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Figure 7 Diagram of electric control system

1.7 離線編程

膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨系統(tǒng)采用自主開(kāi)發(fā)的高鐵打磨離線編程軟件，可根據(jù)高鐵車體模型快速生成機(jī)器人打磨程序，具有多機(jī)器人打磨區(qū)域自動(dòng)劃分、導(dǎo)軌位置規(guī)劃、工藝集成、文件輸入輸出等功能。

離線編程流程如圖8所示，首先將不同車型的三維模型導(dǎo)入離線編程系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別車型的長(zhǎng)、寬、高等參數(shù)，通常以車體的一位側(cè)一位端為基點(diǎn)來(lái)標(biāo)定車體及4臺(tái)機(jī)器人的相關(guān)坐標(biāo)，通過(guò)解讀車型側(cè)墻、端墻、車頂?shù)奶攸c(diǎn)，篩除門區(qū)、窗區(qū)、空調(diào)區(qū)等非打磨區(qū)域，然后設(shè)定自動(dòng)打磨的軌跡參數(shù)及工藝動(dòng)作，通過(guò)系統(tǒng)預(yù)演，對(duì)設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行逐一矯正，預(yù)演完畢后生成最終的膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨程序。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨用時(shí)統(tǒng)計(jì)

在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化及人工成本不斷攀升、操作者安保意識(shí)日漸增強(qiáng)的現(xiàn)狀下，膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨技術(shù)可極大改善作業(yè)環(huán)境，降低企業(yè)經(jīng)營(yíng)成本，縮短單車打磨時(shí)間。由表1可知，單車打磨時(shí)間為130 min，相對(duì)于人工打磨需耗時(shí)4 h而言，節(jié)省了將近2 h。

表1 膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨用時(shí)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Time for different operations during automatic putty sanding

2.2 產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

通過(guò)表2可知，相對(duì)于人工打磨后的狀態(tài)，膩?zhàn)咏?jīng)自動(dòng)系統(tǒng)打磨后，表面平整度更高，改善了涂層的表觀狀態(tài)，增強(qiáng)了涂層美觀度及飽滿度。另外，自動(dòng)打磨過(guò)程中除塵率更高，改善了廠房的作業(yè)環(huán)境，避免了粉塵大量外泄，滿足職業(yè)健康及環(huán)保的需求。自動(dòng)打磨系統(tǒng)采用柔性打磨頭，因此極大地提高了產(chǎn)品的合格率，降低了涂層的返修頻次。

表2 產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of product quality

2.3 系統(tǒng)安全性

人工打磨車體側(cè)墻過(guò)程中，施工人員需手持高轉(zhuǎn)速的氣動(dòng)打磨機(jī)站立在車體兩側(cè)的升降架上進(jìn)行操作，因氣管跟隨人體進(jìn)行移動(dòng)，在一定情況下會(huì)對(duì)人體形成一定的纏繞，若操作不當(dāng)，存在高空墜落的風(fēng)險(xiǎn)。膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨系統(tǒng)無(wú)需施工人員處于打磨現(xiàn)場(chǎng)，在打磨車間裝配監(jiān)控系統(tǒng)便可在控制室內(nèi)通過(guò)視頻監(jiān)控打磨過(guò)程及打磨狀態(tài)，極大降低了安全隱患。

3 結(jié)語(yǔ)

膩?zhàn)幼詣?dòng)打磨技術(shù)在軌道車輛制造中的應(yīng)用適應(yīng)了國(guó)家環(huán)保政策，降低了有害粉塵的排放量，提高了工作效率，符合綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念，滿足公司職業(yè)健康的需求，充分落實(shí)了“以人為本”的宗旨，是在作業(yè)環(huán)境惡劣區(qū)域作出的嘗試性改進(jìn)，同時(shí)也是四方股份公司朝向自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的典型之作。