一种地铁枕梁用自动化焊接装备的制作方法

1.本实用新型属于轨道车辆车体制造技术领域，涉及一种地铁枕梁用自动化焊接装备。


背景技术：

2.枕梁作为端部底架的重要承重部件，其功能是连接车体和转向架。枕梁位置如图1所示。枕梁主要承受以及传递车体与转向架之间的载荷和牵引，在车辆运行中承受车体自身及其振动载荷作用；枕梁也是二系悬挂空气弹簧气动系统的附加气室，其焊接质量和尺寸精度对车辆运行的安全性及使用寿命都有着重要影响，这就要求枕梁结构具有较高的焊接质量。而枕梁属于大型组焊件，组焊难度高、变形大，成为一直困扰着生产企业不能扩大产能的主要原因。
3.目前对枕梁的组焊技术为人工地手工组装以及手工焊接，手工组焊流程为：枕梁型材组装焊接、枕梁零部件人工组装、焊接，如图2和图3所示。其中枕梁的筋板还需要清根处理(使用风动铣削工具将反面焊缝铣削加工掉消除焊接缺陷)，如图4和图5所示。人工清根较危险且清根质量不能得到保证经常会出现清根不彻底造成双面焊缝未熔合、未焊透的情况发生。生产过程存在人员伤害的可能性很高，同时产品焊接质量存在一定的隐患。
4.此外，枕梁中零部件很多，其中尤以筋板1、筋板2、筋板3以及翼板1的加强筋板、翼板2的加强筋板的组装定位较困难，目前现有技术采取了样板划线人工组对的方式对上述零部件组装，组装的效率低而且存在组装尺寸偏差的问题。而筋板组装位置的偏差会影响后续物料对接的精准性，同时筋板位置的偏差直接影响枕梁部件受力位置的偏差，对于车辆运行存在一定的安全隐患。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种地铁枕梁用自动化焊接装备，可提高枕梁组装的一致性，提高装配精度，提升枕梁的焊接质量，减少人为因素对产品造成不可逆的受力状态偏差影响，提高枕梁生产安全系数。
6.本实用新型采取的技术方案是：
7.一种地铁枕梁用自动化焊接装备，其特征在于，所述装备包括焊接机器人、辅助机器人、变位机和焊接工装，变位机上设置焊接工装，焊接机器人、辅助机器人协同作用，对焊接工装上的型材进行焊接、预热、清根；
8.所述焊接工装包括枕梁边部型材与中部型材组焊工装，用于将边部型材与中部型材组装焊接，形成枕梁主体；枕梁翼板、筋板与枕梁主体组焊工装，用于将翼板、筋板与所述枕梁主体组装焊接，形成焊接有翼板、筋板的枕梁主体；过线管型材组焊工装，用于将过线管型材组焊至所述焊接有翼板、筋板的枕梁主体上。
9.进一步的，所述枕梁边部型材与中部型材组焊工装包括第一垂向压紧气缸、端部定位块、边部定位块、侧部推紧气缸；所述组焊工装的两端均设有端部定位块，组焊工装的
一侧设有边部定位块，组焊工装的另一侧设有侧部推紧气缸，从侧面将边部型材、中部型材推紧固定；组焊工装的上方设有多个第一垂向压紧气缸。
10.进一步的，所述枕梁翼板、筋板与枕梁主体组焊工装包括第二垂向压紧气缸、翼板二定位块、翼板一定位块、可移动筋板一定位块、可移动筋板二定位块、可移动筋板三定位块、可移动翼板加强筋板定位块；
11.第二垂向压紧气缸位于所述工装的上方，从上方压紧枕梁主体；翼板二定位块、翼板一定位块分别位于翼板二、翼板一的位置处，分别用于定位翼板二、翼板一的位置；可移动筋板一定位夹紧装置、可移动筋板二定位夹紧装置、可移动筋板三定位夹紧装置、可移动翼板加强筋板定位夹紧装置分别位于筋板一、筋板二、筋板三、翼板一加强筋板或翼板二加强筋板的侧面。
12.更进一步的，所述可移动筋板一定位夹紧装置、可移动筋板二定位夹紧装置、可移动筋板三定位夹紧装置、可移动翼板加强筋板定位夹紧装置均包括仿形块、夹紧开闭机构、夹紧气缸、滑动气缸和滑动导轨；其中，仿形块与筋板一、筋板二、筋板三或翼板加强筋板的镂空结构仿形设置，夹紧开闭机构与夹紧气缸连接，夹紧开闭机构用于将筋板一、筋板二、筋板三或翼板加强筋板夹紧；滑动导轨上设置滑动气缸，滑动气缸可在滑动导轨上前后移动，滑动气缸上设置夹紧气缸。
13.进一步的，所述过线管型材组焊工装包括第三垂向压紧气缸和可移动过线管定位块；第三垂向压紧气缸位于所述工装的上方，用于从上方压紧枕梁主体。可移动过线管定位块的结构设为阶梯状，过线管型材和边部型材相互垂直设置，且过线管型材和边部型材均卡接入所述阶梯中，实现定位过线管型材。
14.更进一步的，所述可移动过线管定位块与滑动气缸连接配合。
15.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
16.(1)操作人员数量明显减少；
17.生产操作人员可减少50％(原手工焊需要4人，目前只需2人)，且焊接操作人员不再需要技能过硬人员只需要懂得操作设备会处理常见焊接缺陷人员即可满足生产要求。通过对比可明显发现生产操作人员明显较少，人员的减少降低了人工成本。且工作环境、劳动强度得到改善。
18.(2)生产节拍大幅提升(按生产焊接工序计)；
19.采用现有人工焊接的方式对枕梁边部型材与中部型材组焊，需要180分钟/件，而利用本实用新型装备对枕梁边部型材与中部型材组焊，需要85分钟/件，效率提升47％；
20.采用现有人工焊接的方式对枕梁翼板、筋板组焊，需要120分钟/件，而利用本实用新型装备对枕梁翼板、筋板组焊，需要60分钟/件，效率提升50％；
21.采用现有人工焊接的方式对过线管型材组焊，需要30分钟/件；而利用本实用新型装备对过线管型材组焊，需要15分钟/件，效率提升50％；
22.通过对比可明显发现生产效率得到了较大的提高，提高了单日产能，能够满足产品的交付需求同时进一步节约了人工成本。
23.(3)焊接质量提高、适合流水线作业；
24.自动焊焊接的产品一致性较好，适合大批量流水线生产；
25.自动焊焊缝熔深大，焊接质量好，有利于提升车辆使用寿命提高乘坐安全系数；
26.每种物料都由相应的定位块进行定位，只需将部件按照工序放置在相应位置，与手工焊相比物料装配精度得到显著提升；
27.清根由设备完成且整体设备有相关安全保护，生产过程更安全。
附图说明
28.图1是枕梁位置示意图；
29.图2是枕梁示意图一；
30.图3是枕梁示意图二；
31.图4是枕梁焊缝示意图；
32.图5是枕梁焊缝清根对比图：(a)未清根；(b)清根后；
33.图6是本实用新型装备示意图；
34.图7是变位机示意图；
35.图8是枕梁边部型材与中部型材组焊工装示意图；
36.图9是枕梁翼板、筋板与枕梁主体组焊工装示意图一；
37.图10是枕梁翼板、筋板与枕梁主体组焊工装示意图二；
38.图11是过线管型材组焊工装示意图；
39.图12是过线管型材定位块与过线管型材、枕梁边部型材的位置关系示意图；
40.图13是变位机旋转示意图；
41.图14是可移动筋板一定位夹紧装置示意图；
42.图15是筋板一仿形块示意图；
43.其中，a、底架，b、枕梁，c、牵引梁，d、车钩；
44.b1、翼板一，b2、翼板二，b3、边部型材一，b4、边部型材二，b5、筋板一，b6、筋板二，b7、中部型材，b8、翼板二加强筋板，b9、翼板一加强筋板，b10、筋板三，b11、过线管型材；
45.1、焊接机器人，2、辅助机器人，3、变位机，31、驱动端，32、从动端；
46.4、焊接工装；
47.41、枕梁边部型材与中部型材组焊工装，411、第一垂向压紧气缸，412、端部定位块，413、边部定位块，414、侧部推紧气缸；
48.42、枕梁翼板、筋板与枕梁主体组焊工装，421、第二垂向压紧气缸，422、翼板二定位块，423、翼板一定位块，424、可移动筋板一定位夹紧装置；
49.4241、筋板一仿形块，4242、滑动导轨，4243、夹紧开闭机构，4244、夹紧气缸，4245、滑动气缸；
50.425、可移动筋板二定位夹紧装置，426、可移动筋板三定位夹紧装置，427、可移动翼板加强筋板定位夹紧装置；
51.43、过线管型材组焊工装，431、第三垂向压紧气缸，432、可移动过线管定位块。
具体实施方式
52.下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。
53.参照图6所示，本实施例的地铁枕梁用自动化焊接装备包括焊接机器人1、辅助机器人2、变位机3和焊接工装4，变位机3上设置焊接工装4，焊接机器人1和辅助机器人2对焊
接工装4上的待组装工件进行焊接、预热、清根等操作。
54.其中，焊接机器人1和辅助机器人2，具备焊前检测功能；自动清枪功能；自动装夹及物料检测功能；自动焊前及焊接层间清理功能；自动火焰预热功能；变位机联动功能；断丝监测功能；焊接计数功能；自动清根功能。
55.具体的，焊接机器人1专职负责焊接作业，焊前会使用激光寻位设备对工件进行扫描确定工件位置，通过计算得到组装偏差量并能够自动修正焊接轨迹。激光寻位技术结合机器人偏移量技术，可减小枕梁b工件自动化组焊对工装夹具的依赖对设备成本控制有利，同时简化了检测流程节约了生产时间对生产效率提升起积极作用。
56.辅助机器人2(清理、预热、清根机器人)通过更换不同的工具实现：
①
焊前、层间激光清理工作；
②
火焰预热；
③
清根作业。
57.以上两台机器人能够协同工作，实现机器人使用率实现最大化。当焊接机器人1作业时辅助机器人2可对已焊接完成的焊缝进行层间清理作业，能够将机器人的利用率提高33％左右。
58.根据枕梁b生产工艺分析，得出枕梁b全部自动化焊接生产需要执行3个步骤，即：枕梁边部型材(左右件各1件)与中部型材b7优先组焊，将枕梁b的主体焊接完成；枕梁翼板、筋板与枕梁主体进行组焊；最后将过线管型材b11进行组焊。由于分成3个步骤，故焊接工装4需要制作3套相应的工装。
59.一、枕梁边部型材与中部型材组焊工装41，用于将边部型材一b3、边部型材二b4、与中部型材b7进行组装焊接，形成枕梁主体。
60.如图8所示，枕梁边部型材与中部型材组焊工装41包括第一垂向压紧气缸411、端部定位块412、边部定位块413、侧部推紧气缸414，
61.工装的两端均设有端部定位块412，工装的一侧设有边部定位块413，工装的另一侧设有侧部推紧气缸414，从而从侧面将边部型材一b3、中部型材b7、边部型材二b4推紧固定；工装的上方设有多个第一垂向压紧气缸411，从上方施加作用力进行压紧固定。
62.焊接作业流程：将型材放置在枕梁边部型材与中部型材组焊工装41上，并与端部定位块412、边部定位块413紧密贴合后；启动侧部推紧气缸414，将3件型材推紧固定；而后启动第一垂向压紧气缸411，将3件型材固定在工装上。待所有组装并定位结束后，焊接机器人1携带激光寻位设备对图8所示的枕梁主体面内的两条焊缝进行寻位检测(检测按照左端、中部、右端检测3个位置)；检测结束后辅助机器人2携带激光清洗设备将焊接区域铝合金表面的氧化层清除干净、携带火焰预热设备将焊接区域预热至60-80℃，预热完成后焊接机器人1开始焊接作业，焊接作业间隙辅助机器人2携带激光清洗设备将层间焊缝表面黑灰清理干净，通过变位机3水平面内的翻转实现两侧焊缝焊接(翻转方向见图13)，直至完成所有焊缝的焊接作业。
63.二、枕梁翼板、筋板与枕梁主体组焊工装42，用于将翼板、筋板与枕梁主体组装焊接。
64.如图9和图10所示，枕梁翼板、筋板与枕梁主体组焊工装42包括第二垂向压紧气缸421、翼板二定位块422、翼板一定位块423、可移动筋板一定位块424、可移动筋板二定位块425、可移动筋板三定位块426、可移动翼板加强筋板定位块427；
65.第二垂向压紧气缸421位于工装的上方，用于从上方压紧枕梁主体。翼板二定位块
422、翼板一定位块423分别位于翼板二b2、翼板一b1的位置(具体是镂空处)，分别用于定位翼板二b2、翼板一b1的位置。可移动筋板一定位夹紧装置424、可移动筋板二定位夹紧装置425、可移动筋板三定位夹紧装置426、可移动翼板加强筋板定位夹紧装置427分别位于筋板一b5、筋板二b6、筋板三b10、翼板一加强筋板b9或翼板二加强筋板b8的侧面。以筋板一b5为例，可移动筋板一定位夹紧装置424包括筋板一仿形块4241、夹紧开闭机构4243、夹紧气缸4244、滑动气缸4245滑动导轨4242，如图14所示。筋板一仿形块4241与筋板一b5的镂空结构仿形设置，夹紧开闭机构4243与夹紧气缸4244连接，夹紧开闭机构4243用于将筋板一b5夹紧；滑动导轨4242上设置滑动气缸4245，滑动气缸4245可在滑动导轨4242上前后移动，滑动气缸4245上设置夹紧气缸4244。
66.每个定位夹紧装置上均根据枕梁筋板镂空处做了仿形块用于筋板定位(如图15所示)，仿形块嵌入到筋板镂空处即可以将筋板固定在定位夹紧装置上，定位后通过夹紧气缸4244、夹紧开闭机构4243将筋板夹紧(避免移动时筋板晃动影响定位尺寸)，再通过滑动气缸4245的伸缩动作将筋板组装到位。筋板物料与枕梁主体组装结束后夹紧开闭机构4243打开同时滑动气缸4245带着夹紧气缸4244退出焊接区域，完成筋板的组成。
67.焊接工装作业流程：将枕梁主体放置在工装上，并启动第二垂向压紧气缸421将枕梁主体紧固在工装上。启动可移动筋板一定位夹紧装置424、可移动筋板二定位夹紧装置425、可移动筋板三定位夹紧装置426、可移动翼板加强筋板定位夹紧装置427至指定位置后，人工将各筋板等物料紧靠各定位块放置，并启动夹紧装置(即定位夹紧装置中的夹紧气缸)将筋板紧固在定位块上。最后将各翼板按照翼板定位块位置进行组装；待所有物料组装并定位结束后，辅助机器人2携带激光清洗设备将焊接区域铝合金表面的氧化层清除干净、携带火焰预热设备将焊接区域预热至60-80℃；预热完成后，焊接机器人1开始焊接作业，焊接作业间隙辅助机器人2携带激光清洗设备将层间焊缝表面黑灰清理干净，通过变位机3水平面内的翻转实现两侧焊缝焊接(翻转方向见图10)，直至完成所有焊缝的焊接作业。注：由于物料定位位置准确，故此工序不需激光寻位进行物料位置检测。
68.三、过线管型材组焊工装43，用于组焊过线管型材b11。如图11所示，过线管型材组焊工装43包括第三垂向压紧气缸431和可移动过线管定位块432，第三垂向压紧气缸431位于工装的上方，用于从上方压紧枕梁主体。可移动过线管定位块432的结构设为阶梯状，如图12所示，过线管型材b11和边部型材一b3相互垂直设置，且过线管型材b11和边部型材一b3均卡接入可移动过线管定位块432的阶梯中，先人工将过线管型材b11插入边部型材一b3的孔中，通过滑动气缸的推动将过线管型材b11组装到位从而实现定位过线管型材b11。过线管型材b11定位后，通过滑动气缸收缩将可移动过线管定位块432退出焊接区域。
69.焊接工装作业流程：将筋板、翼板焊接结束的枕梁主体放置在工装上，并启动第三垂向压紧气缸431将枕梁主体紧固在工装上(压紧位置与第二工序相同)。启动可移动过线管定位块432装至指定位置后，人工将过线管型材b11从可移动过线管定位块432的另一侧组装到位(组装位置关系如图12所示)，阶梯状的定位块预留了过线管型材b11的厚度，组装时将过线管型材b11插入定位块中即可完成定位并可以实现物料紧固。待所有物料组装并定位结束后焊接机器人1携带激光寻位设备对枕梁过线管位置焊缝进行寻位检测(检测位置为圆弧处)；检测结束后辅助机器人2携带激光清洗设备将焊接区域铝合金表面的氧化层清除干净、携带火焰预热设备将焊接区域预热至60-80℃，预热完成后焊接机器人开始焊接
作业，焊接作业间隙辅助机器人2携带激光清洗设备将层间焊缝表面黑灰清理干净，通过变位机3水平面内的翻转实现两侧焊缝焊接(翻转方向见图10)，直至完成所有焊缝的焊接作业。
70.整个装备的工作流程：
①
人工将零件或部件放置在工装对应位置上，并通过各定位块进行定位，通过按钮启动设备；
②
设备启动后零件或部件先被气缸压紧，而后焊接机器人1携带激光寻位装置对零件或部件进行位置检查并计算偏差量(该偏差量会在后续焊接过程中自动进行修正)；
③
焊前零件或部件位置检测完成后，辅助机器人2携带激光清理设备(清理铝合金表面氧化层)对零件或部件的焊接区域进行全面清理工作；
④
清理完成后辅助机器人2通过快换装置将激光清理设备更换成火焰预热装置，使用火焰预热装置对零件或部件进行整体预热，预热后设备会使用红外测温仪进行预热温度测量，达到工艺要求时才会执行焊接命令，如预热温度未达标则会继续实施预热程序，直至预热温度满足要求；
⑤
由于枕梁b为厚板焊接存在层间清理流程，每焊接完一条焊缝后辅助机器人2都会携带激光清理设备对焊接的焊缝进行层间清理工作；
⑥
需要背面清根的枕梁筋板三b10则随着变位机3旋转翻转至焊接操作侧，由辅助机器人2携带清根设备先进行清根处理后，按照第
③
至第
⑤
步完成清根侧焊缝的焊接；
⑦
由于为双机器人模式的设备，两个机器人可在同一工位进行协同工作，进一步的提高生产效率。
71.以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本实用新型的保范围内。

技术特征：
1.一种地铁枕梁用自动化焊接装备，其特征在于，所述装备包括焊接机器人、辅助机器人、变位机和焊接工装，变位机上设置焊接工装，焊接机器人、辅助机器人协同作用，对焊接工装上的型材进行焊接、预热、清根；所述焊接工装包括枕梁边部型材与中部型材组焊工装，用于将边部型材与中部型材组装焊接，形成枕梁主体；枕梁翼板、筋板与枕梁主体组焊工装，用于将翼板、筋板与所述枕梁主体组装焊接，形成焊接有翼板、筋板的枕梁主体；过线管型材组焊工装，用于将过线管型材组焊至所述焊接有翼板、筋板的枕梁主体上。2.如权利要求1所述的一种地铁枕梁用自动化焊接装备，其特征在于，所述枕梁边部型材与中部型材组焊工装包括第一垂向压紧气缸、端部定位块、边部定位块、侧部推紧气缸；所述组焊工装的两端均设有端部定位块，组焊工装的一侧设有边部定位块，组焊工装的另一侧设有侧部推紧气缸，从侧面将边部型材、中部型材推紧固定；组焊工装的上方设有多个第一垂向压紧气缸。3.如权利要求1或2所述的一种地铁枕梁用自动化焊接装备，其特征在于，所述枕梁翼板、筋板与枕梁主体组焊工装包括第二垂向压紧气缸、翼板二定位块、翼板一定位块、可移动筋板一定位块、可移动筋板二定位块、可移动筋板三定位块、可移动翼板加强筋板定位块；第二垂向压紧气缸位于所述工装的上方，从上方压紧枕梁主体；翼板二定位块、翼板一定位块分别位于翼板二、翼板一的位置处，分别用于定位翼板二、翼板一的位置；可移动筋板一定位夹紧装置、可移动筋板二定位夹紧装置、可移动筋板三定位夹紧装置、可移动翼板加强筋板定位夹紧装置分别位于筋板一、筋板二、筋板三、翼板一加强筋板或翼板二加强筋板的侧面。4.如权利要求3所述的一种地铁枕梁用自动化焊接装备，其特征在于，所述可移动筋板一定位夹紧装置、可移动筋板二定位夹紧装置、可移动筋板三定位夹紧装置、可移动翼板加强筋板定位夹紧装置均包括仿形块、夹紧开闭机构、夹紧气缸、滑动气缸和滑动导轨；其中，仿形块与筋板一、筋板二、筋板三或翼板加强筋板的镂空结构仿形设置，夹紧开闭机构与夹紧气缸连接，夹紧开闭机构用于将筋板一、筋板二、筋板三或翼板加强筋板夹紧；滑动导轨上设置滑动气缸，滑动气缸可在滑动导轨上前后移动，滑动气缸上设置夹紧气缸。5.如权利要求1或2所述的一种地铁枕梁用自动化焊接装备，其特征在于，所述过线管型材组焊工装包括第三垂向压紧气缸和可移动过线管定位块；第三垂向压紧气缸位于所述工装的上方，用于从上方压紧枕梁主体;可移动过线管定位块的结构设为阶梯状，过线管型材和边部型材相互垂直设置，且过线管型材和边部型材均卡接入所述阶梯中，实现定位过线管型材。6.如权利要求5所述的一种地铁枕梁用自动化焊接装备，其特征在于，所述可移动过线管定位块与滑动气缸连接配合。

技术总结
本实用新型公开了一种地铁枕梁用自动化焊接装备，所述装备包括焊接机器人、辅助机器人、变位机和焊接工装，变位机上设置焊接工装，焊接机器人、辅助机器人协同作用，对焊接工装上的型材进行焊接、预热、清根；焊接工装包括枕梁边部型材与中部型材组焊工装，用于将边部型材与中部型材组装焊接，形成枕梁主体；枕梁翼板、筋板与枕梁主体组焊工装，用于将翼板、筋板与所述枕梁主体组装焊接，形成焊接有翼板、筋板的枕梁主体；过线管型材组焊工装，用于将过线管型材组焊至所述焊接有翼板、筋板的枕梁主体上。利用本实用新型的装备，具有操作人员数量明显减少、生产节拍大幅提升、焊接质量提高、适合流水线作业的优点。适合流水线作业的优点。适合流水线作业的优点。


技术研发人员：杨代立 于馨智
受保护的技术使用者：南京雷尔伟新技术股份有限公司
技术研发日：2023.02.15
技术公布日：2023/7/17