面向高速动车组转向架的智能焊接打磨系统

姜 斌，宋学毅，李敬宝，白福瑞，张乙宙

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山063035）

0 前言

近年来，智能制造已成为世界各国技术创新和经济发展竞争的焦点，在“中国制造2025”规划中，智能制造是未来制造业发展的重大趋势和核心内容，也是促进我国制造业由大变强的根本路径。

焊接作为高速动车组转向架制造中重要的工艺技术，应用广泛。焊接过程中由于工件结构形式特点以及对焊缝外形的要求，焊后打磨的工作量巨大。以往的焊后打磨均由人工完成，受人为因素的影响，打磨后焊缝外形的一致性及修磨质量难以保证[1]。尽管自动打磨技术在机械制造领域已有应用，但多针对结构简单、一致性较高的工件的表面打磨，自适应程度较低。针对轨道车辆转向架的焊缝打磨多为示教式编程，智能化水平有待提高[2-5]。

本研究针对转向架构架这一典型焊接结构件，设计了一套智能打磨系统，分析系统组成及功能，研究焊缝智能打磨技术，并成功应用于动车组转向架产品上，为提升产品质量、提高生产效率和降低劳动强度提供了解决方案。

1 焊缝智能打磨方案

1.1 主要功能

焊缝智能打磨系统以工作站形式体现。该工作站可作为动车组转向架自动化生产线的一部分，实现对工件焊缝表面的自动化打磨，工件上下料及工件的转运由AGV完成。系统能与现有生产管理系统进行数据发送、接收，实现对设备的集中监控和管理。

1.2 系统构成

工作站由6轴打磨机器人、桁架搬运机械手、单轴工装变位机、工装夹持系统、自动换刀系统、防护系统、除尘排屑系统、视觉系统及控制系统组成。

系统整体分为2个区域，即自动上下料缓存区域及自动打磨区域，如图1所示。

1.3 系统主要功能模块

1.3.1 打磨机器人

打磨机器人为系统核心机械结构，是实现自动化焊缝打磨的主要工具。系统采用6轴机器人，该机器人响应快、动作灵敏、负载大、刚性好、定位精度高，为工件的高精度打磨加工提供保障。机器人结构如图2所示。

1.3.2 电主轴

打磨机器人端部安装电主轴，实现对目标焊缝的打磨，电主轴特点如下：①采用磨削专用主轴，切削力大，振动小，寿命长；②液压自动拉刀，拉刀力大，加工可靠；③主轴具有转速检测、温度检测、拉刀到位检测、松刀到位检测，安全可靠；④前端具有气幕功能，提高主轴寿命；⑤采用油冷切方式，主轴冷切更充分，提高寿命。

图1 智能打磨系统结构

图2 机器人结构

1.3.3 视觉系统

视觉系统可以准确测量工件的表面高度信息。配合视觉数据处理软件，能够修正原始数据，得到真实的工件表面形状及位置坐标，并将这些信息传输到机器人控制器，引导机器人执行切割、磨削等操作。

机器人携带视觉传感器对工件中所有待加工部位进行移动式扫描，获得所有待加工焊缝的坐标信息、形状信息、长度信息及焊缝表面形状信息，再将这些数据与离线编程生成的标准模型数据进行匹配和修正，得到最终的加工路径和加工参数，由机器人执行加工。

1.3.4 控制系统

整个控制系统由触摸屏工控机、PLC、视觉系统、机器人控制系统、变频器、伺服控制器、定位传感器、安全防护等部分组成。控制系统结构如图3所示。

控制系统根据客户的需求预留以太网接口，支持TCP/IP协议，可实时与数据处中心交换数据，实现远程监控。

2 焊缝智能打磨实例

机器人的智能打磨技术主要包括视觉扫描技术及磨削刀具技术，相关附属设备包括柔性变位机、桁架转运机械手、除尘防护相关设备等。针对转向架构架横梁组成这一工件，运用智能打磨系统对其关键焊缝进行打磨处理。

智能打磨系统中的打磨机器人由视觉系统进行引导，并由控制系统进行路径优化及打磨效果优化，打磨工艺过程如下。

工序1：采用柱状刀具去除焊缝正面及两侧面的不规则焊缝，如图4所示。

工序2：采用百叶片粗磨焊缝表面，如图5所示。

工序3：采用百叶片去除焊缝与横梁管处的残留，如图6所示。

工序4：采用千叶轮精磨焊缝表面，如图7所示。

图3 控制系统结构

图4 柱状刀具对焊缝表面的打磨

图5 百叶片粗磨焊缝表面的打磨

图6 百叶片去除焊缝表面的打磨

图7 千叶轮精磨焊缝表面的打磨

3 结论

详细分析焊缝智能打磨系统的结构组成及功能，说明本系统在焊缝打磨领域的适用性和优越性。针对动车组转向架这一典型焊接产品，制定详细的打磨工艺方案并成功应用，充分证明了智能打磨系统在转向架智能制造领域具有如下优势：

（1）系统智能化程度高。通过视觉检测系统可将实物外形状态与控制系统模型进行实时比较计算，并规划打磨路径和切削进给参数，实现精准打磨。

（2）系统自动化程度高。系统通过程序控制，实现全程无人化工作，最大限度地降低操作者的劳动强度。

（3）系统信息化程度高。控制系统具备与转向架智能化生产线通讯的接口，可完全融入自动化生产线，实现信息的传输和数据采集，实现产品智能生产。

参考文献：

[1]周丹麦，周世恒，戴虹.一种高精度的钢轨焊接接头仿形打磨系统[J].电焊机，2013，43（12）：49-51.

[2]杨萍，赵丹，李鹤岐，等.专用焊接打磨机器人视觉系统的研究[J].兰州理工大学学报，2004，30（3）：41-43.

[3]高猛.半球形封头焊接及焊缝打磨设备介绍[J].科技视界，2016（4）：126-128.

[4]涂江洋，戴虹，周世恒.多功能钢轨自动打磨设备研制[J].电焊机，2015，45（10）：63-65.

[5]尹保亮，任科生.机器人自动打磨系统在机车大型构件的应用[J].工业设计，2017（5）：155-157.