高铁车体端墙腻子自动打磨工艺研究.pdf

文章编号:():./.高铁车体端墙腻子自动打磨工艺研究王 浩李 丽 张 静何晓龙齐淑林(中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东 青岛)摘 要:文章通过仿真计算可知高铁白车身腻子打磨系统对高铁模型车端墙区域的打磨覆盖率为.无碰撞风险通过正交试验确定了端墙打磨时的最优工艺参数:轨迹行距 法向压力 打磨速度 /磨盘转速 /砂纸粒径 目 经打磨工艺参数设计、路径设计、程序设计完成了自动打磨系统端墙区域的打磨打磨后涂层外观良好符合要求且打磨效率及砂纸利用率较高单车端墙打磨可控制在 砂纸可连续打磨 关键词:高铁车体腻子打磨系统端墙正交试验打磨工艺中图分类号:.文献标识码:参考文献引用格式:王浩李丽张静等.高铁车体端墙腻子自动打磨工艺研究.轨道交通材料():.基金项目:国家重点研发计划资助项目()收稿日期:作者简介:王 浩()男博士工程师从事表面处理工艺技术研究工作 引言高铁列车的生产主要分为 个环节:车体生产、涂装、组装和调试 为保障车体表面外观状态涂装过程需要进行多次刮涂腻子及喷漆处理以满足高铁车体对平整度、防腐及色彩等的需求 车体表面的涂装质量不仅直接影响车辆的美观性而且关系到涂层的附着力和使用寿命 为了提高涂层耐久性减少脱落、开裂风险需要对车体的侧墙、端墙和车顶等部位进行多次的涂装每次涂装前均需要进行打磨作业打磨作业是涂装过程中劳动力和工作时间消耗最多的工序同时油漆、腻子等有机涂层在打磨过程中会产生大量粉尘污染无法满足职业健康的需求 我国生产高铁的骨干企业在车身涂装工序仍以手工作业为主虽然有部分企业开始逐渐采用自动化装备但是涂层打磨作业基本采用手工方式打磨劳动强度大、效率较低且容易受作业者情绪、体力、熟练程度等主观因素影响操作随意性大打磨去除量难以稳定控制极易出现打磨不良区域 采用自动化打磨技术能够将操作人员从恶劣的施工环境中解脱出来减少打磨过程中粉尘对施工人员的伤害有效地降低用工成本提高生产效率和技术参数的稳定性同时提升打磨质量减少涂层失效的风险 目前通过国家重点研发计划“高铁白车身机器人自动化生产线”项目的实施在中车青岛四方机车车辆股份有限公司已经安装一套高铁车体腻子涂层自动打磨系统在高铁白车身腻子自动打磨系统一文中详细介绍了该系统的设备组成、功能、应用状况同时对比了自动打磨较人工打磨的效果优势在项目实施过程中研发团队也针对车体侧墙腻子进行了自动打磨验证以粗糙度为质量项点分别通过正交试验和单因素试验优化了系统的打磨压力、转速、砂纸粒径等工艺参数保障了侧墙腻子打磨质量的一致性 但针对车体端墙、侧顶区域在机械手臂不发生碰撞、不出现机器人奇异点状态下如何进行打磨作业均未进行有效的验证本研究继续以腻子自动打磨系统为研究对象通过仿真软件对 台机器人在高铁端墙区域的打磨覆盖性及碰撞风险性进行分析确认系统在端墙区域可安全打磨的理论范围通过正交试验优化砂纸粒径、打磨转速、法向压力、打磨速度、轨迹行距等系列工艺参数以期扩展系统的可打磨区域更加降低人工作业的时间提高系统自动化作业的水平 端墙自动打磨仿真分析.打磨覆盖率分析自动化打磨系统机器人竖直升降导轨的移动范围为 机器人与车体中心的距离为 高铁端墙宽度和高度分别为 和 打磨高铁端墙时将竖直升降导轨的外侧面与车体端面平齐如图 所示加工工艺 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月图 打磨端面时水平导轨位置 根据机器人运行及伸展姿态对称分布的 台机器人可充分打磨端门左右两侧的大部分区域如图 所示当机器人继续向车体中心线伸展到距中心 位置则会到达机器人、轴的奇异点位置引发系统报警 为保障设备安全避免事故现明确距车体中心线左右各 的区域不再进行自动打磨作业通过上述仿真计算可知自动打磨系统对端墙区域的打磨覆盖率为.具体计算过程见公式 图 端面打磨时覆盖范围 .().碰撞风险性分析当机器人对端墙区域进行打磨时除防止机器人自身出现奇异点外还应避免机械手臂旋转时与厂房墙体、竖直导轨、车体端墙发生碰撞针对端墙特点将端墙分为上、下两部分区域机器人通过竖直导轨移动高度位置实现端墙上下两部分区域的打磨.端墙下部仿真当机器人打磨车体端墙下部位置时通过 仿真软件设置了打磨头 条打磨路径路径间隔为 当机器人通过竖直导轨升高到 时仿真结果显示端墙下部所有位点均可实现打磨 如图 所示在距离机器人中心 的位置安装一个虚拟平面用于模拟厂房端部墙体位置碰撞监控接近丢失值为 时系统没有发生警告说明此时机器人与厂房端部墙壁间不会发生碰撞在与水平导轨平行位置距机器人中心 处安装一个虚拟平面用于模拟厂房长度方向墙体位置碰撞监控接近丢失值为 时系统没有发生警告说明此时机器人与厂房长度方向墙体不会发生碰撞在距离机器人中心 的位置建立一个虚拟立柱用于模拟竖直导轨的内侧面碰撞监控接近丢失值为 时系统没有发生警告说明此时机器人与竖直导轨立柱之间不会发生碰撞图 端墙下部仿真图.端墙上部仿真当机器人打磨车体端墙上部位置时仍设置 条打磨路径路径间隔不变当机器人通过竖直导轨升高到 时仿真结果显示端墙上部所有位点均可实现打磨 如图 所示按照上述相同位置设置虚拟平面和虚拟立柱碰撞监控接近丢失值为 时系统均未发生警告说明端墙上部打磨时机器人不会出现碰撞的风险王 浩李 丽 张 静等 高铁车体端墙腻子自动打磨工艺研究 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月图 端墙上部仿真图 端墙自动打磨工艺试验.打磨工艺参数设计端墙表面涂层状态和侧墙不同侧墙整个平面均刮涂了不饱和聚酯腻子但端墙除部分焊缝及缺陷位置外其他区域仍以底漆为主因此前期优化的适用于侧墙自动打磨的工艺参数并不适用于端墙区域仍需通过正交试验优化端墙的自动打磨工艺现以高铁模型车端墙为研究对象以粗糙度 为指标通过示教手柄控制机器人的相关运动分别选择轨迹行距、法向压力、打磨速度、磨盘转速、砂纸粒径为因素、按()正交表中的前 列进行试验以优化端墙区域的自动打磨工艺参数结果见表 其中涂层的粗糙度通过三丰 粗糙度仪进行测量每个时间点选取相距 的两点进行测试并取其平均值作为该时间点的粗糙度砂纸磨片选用多孔性锆刚玉型紫砂纸 从表 可知各因素对端墙区域涂层粗糙度影响的主次顺序为:法向压力 轨迹行距 砂纸粒径 打磨速度 磨盘转速 从均值分析可知端墙打磨时系统的最优组合为:即:轨迹行距 法向压力 打磨速度 /磨盘转速 /砂纸粒径 目 示教手柄按最优组合 进行设置控制机器人打磨模型车端墙区域并对打磨位置的粗糙度进行测试得到其粗糙度为.确实比表 中所有正交试验组的结果都要好.打磨路径设计如图 所示打磨路径采用循环往复方式选用的砂纸直径 为 路径重叠区域 为 因此有效打磨宽度为 采用该打磨路径打磨后涂层高点、积瘤、流痕的去除量远远大于大面打磨去除量同时可最大限度地减少机器人空跑时间提高自动打磨效率表 正交试验结果试验号因素 因素 因素 因素 因素/.均值.均值.均值.极差.图 打磨程序路径设置.打磨程序设计按照上述正交试验结果通过离线编程软件对端墙自动打磨程序进行编程确定机器人在端墙部位的运行轨迹编程前首先通过 软件制作高铁端墙区域三维模型三维模型应扣除端墙风挡安装座、线束固定座等异型非打磨位置确保打磨头上下或左右运动时不与异型位置相抗将制作好的三维模型导入离线编程软件选择不同机器人对应的打磨面设置相应的工艺参数、打磨路径走向、分割比例等然后保存路径生成机器人的打磨程序如图 所示王 浩李 丽 张 静等 高铁车体端墙腻子自动打磨工艺研究 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月图 打磨程序路径设置 生成的打磨程序不能立马用于机器人端墙的自动打磨应先通过示教手柄进行实车验证手动模式下控制机器人在端墙行进验证打磨头能否避开安装座、门框等位置如果打磨头触及上述部位应重新修订程序或手动校正确保机器人端墙打磨时安全可靠.端墙自动打磨程序校准完成后于控制室内开启腻子自动打磨系统 台机器人依次完成两端墙位置定位、端墙下部区域打磨、端墙上部区域打磨等步骤同步系统开启集尘功能降低打磨后粉尘浓度机器人打磨端墙时位姿状态如图 所示 端墙打磨完毕检查涂层状态涂层表面平整、光滑无波浪感无可见疤痕、积瘤、流坠痕迹等弊病满足质量要求图 端墙打磨机器人状态图 端墙自动打磨时间及砂纸寿命核算.端墙自动打磨时间核算以标准动车组车体为例端墙具体参数值如表 所示通过计算可知机器人可打磨面积为.因机器人设定打磨速度为 /单条打磨路径有效打磨宽度为 故 台机器人同时作业的工作效率为./具体计算过程见公式 由此可得端墙打磨时间为 其效率明显高于人工作业满足端墙自动打磨设计需求./()表 端墙尺寸尺寸端墙端墙门机器人奇异点区域宽/.高/.数量/个面积/.打磨面积/.砂纸寿命核算腻子自动打磨系统安装了砂纸自动切换装置该装置可根据涂层打磨程度确定磨片使用的稳定时间同时通过打磨质量的检测和系统内部的计算逻辑综合确定磨片的使用寿命 通过端墙打磨工艺验证单片砂纸可连续打磨 根据.中的计算结果可知一片新磨片可连续打磨 台车的端墙涂层如继续使用涂层打磨的外观效果将会越来越差粗糙度大幅度降低并且打磨接触方式也将从砂纸磨料与端墙腻子的接触磨损转变为砂纸的胶黏结构与腻子之间的摩擦根据验证结果在砂纸切换程序 命令中将单片砂纸打磨时间定为 同时在检查砂纸寿命程序 命令中设置了更换砂纸 后即刻检查涂层表面质量的指令如表面状态不满足要求立马调用换砂纸命令更换新砂纸 该程序的设置可充分提高砂纸的利用率降低打磨耗材的浪费节约制造成本 结论()通过仿真计算可知自动打磨系统对高铁模型车端墙区域的打磨覆盖率为.且机器人不会出现碰撞风险()端墙打磨时系统的最优工艺参数为:轨迹行距 法向压力 打磨速度 /磨王 浩李 丽 张 静等 高铁车体端墙腻子自动打磨工艺研究 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月盘转速 /砂纸粒径 目()通过打磨工艺参数设计、路径设计、程序设计完成了自动打磨系统端墙区域的打磨打磨后涂层外观良好满足质量要求()以标准动车组端墙为例可得端墙打磨时间为 单片砂纸使用寿命为 工作效率高砂纸利用率较强满足端墙自动打磨设计需求参考文献:齐淑林王慧翠.动车组涂层涂装工艺对涂层附着力影响的试验研究.涂料工业():.仵小军刘琦周成刚等.自动化涂装设备在轨道交通产品上的应用.现代涂料与涂装():.王浩赵民何晓龙等.高铁白车身腻子自动打磨系统.电镀与涂饰():.苗新芳李建轩张海洋等.高铁白车身腻子打磨工艺研究.涂料工业():.夏海渤郑权赵梦华等.高铁白车身表面腻子打磨质量一致性研究.涂料工业():.任丰兰.基于 的自动砌墙系统设计及其仿真.电工技术():.(.):.:/.:王 浩李 丽 张 静等 高铁车体端墙腻子自动打磨工艺研究 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月