机器人在铁路货车制造行业应用历史及趋势

 　　摘要：从机器人技术的发展历程和技术现状出发，针对铁路货车制造工艺特点，回顾了机器人在铁路货车制造行业应用的历史，分析机器人技术在铁路货车制造过程应用的发展趋势。

　　关键词：机器人;铁路货车;应用;趋势;

　　《现代信息科技》杂志，于2017年经国家新闻出版总署批准正式创刊，CN:44-1736/TN，本刊在国内外有广泛的覆盖面，题材新颖，信息量大、时效性强的特点，其中主要栏目有：计算机科学、信息安全、互联网等。

　　1 背景

　　机器人作为20世纪人类最伟大的发明之一，从诞生之日起就在各个领域得到了迅猛的发展。1965年，随着美国麻省理工学院的Roborts研发了带视觉系统、具有简单识别和定位功能的机器人，机器人开始进入工业领域。进入21世纪后，工业制造开始向自动化生产、智能化制造方面进行转型升级，导致机器人产业的发展上升到国家战略层面，美国、德国、日本等制造业强国先后制订了机器人发展方面的国家战略，并推动机器人技术在工业制造领域中的应用，先后出现了如丰田公司全自动化汽车生产线、富士康公司"黑灯工厂"、发那科公司的机器人制造机器人等机器人应用的成功案例。

　　我国从20世纪80年代开始进行机器人方面的研究，并在1987年将机器人技术的研究列入国家"863"高技术发展计划。进入21世纪，我国面临着从工业制造大国向工业制造强国转变的历史机遇，2014年，两院院士大会指出"机器人革命"有望成为"第三次工业革命"的一个切入点和重要增长点，将影响全球制造业格局;机器人是"制造业皇冠顶端的明珠",其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。这表明我国已意识到机器人技术在科技革命和产业升级中所扮演的重要角色，也在政策层面上推动了机器人技术在我国的研发和应用。

　　2 机器人技术在铁路货车制造过程中的应用历程

　　尽管机器人技术已经在汽车、电子电器、金属加工、橡胶塑料和食品饮料等行业实现了大规模的应用，并取得了较好的效果，特别是在汽车制造行业，其拥有机器人的数量占全部工业机器人数量的50%以上，机器人已广泛应用于汽车制造的下料、压型、焊接、喷涂、组装等各个环节，个别工厂的自动化率已达到97%以上。但是，作为同样由下料、压型、焊接、喷涂、组装等工序组成的铁路货车制造业，机器人应用的进展却非常缓慢。

　　铁路货车制造行业属于典型的劳动密集型行业，从业人员数量多、劳动强度大、工作中存在大量的简单重复劳动，这些都是利用机器人替代人工的理想所在，但是机器人并没有在铁路货车制造行业得到大规模的应用，只是在局部的工序中进行过一些探索和尝试。

　　2000年左右，德国卡尔克鲁斯焊接技术有限公司率先进军中国铁路货车制造领域，利用CLOOS焊接机器人实现了侧架支撑座的自动焊接，随后该项技术被推广到整个铁路货车制造企业。

　　在2003年左右，国内铁路货车制造企业先后利用CLOOS焊接机器人进行棚车车顶的焊接和利用ABB机器人进行整车油漆喷涂，但由于铁路货车零部件的制造精度差、组装定位夹具柔性不足、机器人定位和跟踪技术不成熟、编程困难等原因，致使这些项目设备在短暂使用后都闲置了，这也导致以后的10多年，国内铁路货车制造企业在机器人应用方面的尝试和探索都显得小心翼翼，谨小慎微，这也是机器人技术目前依然没有在铁路货车制造行业得到大规模应用的主要原因之一。

　　3 机器人技术在铁路货车制造过程中应用的未来

　　3.1 机器人技术在铁路货车制造中大规模的应用成为可能

　　(1)机器人的精度得到了提升。以发那科公司的FANUC Robot M-710ic/70机器人为例，其控制轴数为6轴，腕部可搬运重量为70 kg,回转半径达2050 mm,其重复定位精度达到了±0.04 mm,这样的精度等级完全能够满足铁路货车车体和零部件制造的需要。

　　(2)机器人的负重能力得到了提升。以发那科公司的M-2000iA/1200机器人为例，其回转半径达3730 mm,最大负重能力达1200 kg,也就是说这样的机器人负重能力可以满足90%以上的铁路货车制造零部件的搬运需要，如果采用双机联动方式，可以满足98%以上的铁路货车零部件的搬运需要。

　　(3)机器人的定位和跟踪技术得到了提升。机器人应用的关键技术除了定位精度和负重能力外，还包括定位和跟踪技术，因为在制造过程中工件不可避免的存在加工精度和定位组装精度偏差，特别是在铁路货车制造领域，工件同一焊缝的位置误差一般在1~20 mm,如果没有可靠的定位和跟踪技术，基本不可能生产出合格的产品。目前机器人焊接领域常用的起始点寻位功能，以及电弧跟踪和激光跟踪技术都非常成熟，在实验室条件下，电弧跟踪功能在焊接长度为350 mm,焊接起点位置不变，终点沿水平面向外偏移60 mm的情况下能够跟踪焊缝，并且焊接效果和无偏移时相比没有明显区别，完全能够满足工件焊接纠偏的需要，而激光跟踪技术在跟踪精度和速度方面更优于电弧跟踪。

　　(4)机器人的编程技术得到了提升。以前的机器人编程技术为示教编程，工人用示教器或者直接握住机器人手臂，让机器人按所需轨迹走一遍，这样机器人就能够记录该运动轨迹并重复执行，但这种示教的编程方式对于复杂零部件的加工和自动化生产来说就不适用了。目前绝大多数厂家的机器人都具有离线编程功能，技术人员可以利用离线编程软件进行三维仿真编程，编程的难度大大降低。

　　(5)机器人的集成技术得到了提升。随着机器人应用范围的扩大，机器人按功能分类越来越细化，如Fanuc机器人就按功能细分为点焊机器人，弧焊机器人、装配机器人、码垛机器人、材料加工机器人、机床上下料机器人、喷涂和涂装机器人、物流搬运机器人、拾取及包装机器人等。通过个性化定制和功能集成，如机器人技术与焊接设备的集成、机器人技术与喷涂设备的集成等，再配上各种特定功能的软件包，让机器人的功能越来越强大，使用越来越方便。

　　(6)机器人辅助设备的制造技术得到了提升。如目前机器人滑台等移动机构的重复定位精度达到了±0.1 mm,变位机重复定位精度达到了±0.1 mm.另外夹具、伺服转台、伺服柔性定位装置、端拾器等辅助设备的制造精度也得到了大幅提升，几乎达到了机床级的精度范围。

　　3.2 机器人技术在铁路货车制造领域具有广阔的应用空间

　　铁路货车制造企业是典型的劳动密集型企业，人员需求多、劳动强度大、作业环境中存在焊接烟尘、铸造粉尘、噪声、漆雾和有机废气污染等，亟需实现"以机代人"把工人从繁重的劳动和恶劣的工作环境中解放出来。同时在铁路货车各制造环节中存在大量如焊接、喷涂、切割、搬运等可用机器人实现的工序，以80 t级通用铁路货运敞车为例，每台敞车包含了约2114条焊缝，焊缝总长度达1027 m;有165种，共562件剪切件;有114种，共325件折压件，数控切割长度为180 m,油漆使用量达289.9 kg,这些工序为机器人的应用提供了广阔的空间。

　　3.3 铁路货车制造行业的产业升级使机器人技术的应用成为必然

　　近年来，铁路货车制造企业由于产能严重过剩，市场竞争异常激烈，绝大多数企业长期处于亏损或微利状态。同时，机械制造企业"用工荒"的出现和劳动力成本的大幅上升又使企业的生产经营雪上加霜。在这样的环境下进行产业升级，提高生产效率，降低用工成本是铁路货车制造企业面临的首要任务，而在制造环节使用机器人，实现"以机代人"就成为绝大多数企业的必然选择。

　　3.4 机器人技术在铁路货车制造行业应用的强大动力

　　随着机器人产能的扩大，机器人的价格出现了较大的下滑，以世界机器人领域的日本安川电机、发那科、德国库卡、瑞士ABB为例，在近10年工业机器人价格由平均50万元左右下降到目前的15~20万元，而新松、埃夫特、埃斯顿等国产机器人的价格已到8万元以下，对于经济效益普遍不好的铁路货车制造企业来说，机器人价格的大幅度下降无疑在推动机器人应用的决策中起到了关键作用。

　　另外，国内汽车行业已经处于饱和期，汽车需求的下滑和汽车行业的全面调整已经到来，这使得原服务于汽车行业的大量机器人集成供应商不得不另谋出路，导致资金和技术流向铁路货车制造这样的机器人应用洼地，无形之中推动了铁路货车制造行业机器人的应用。

　　4 实施建议

　　尽管无论从机器人应用技术的发展还是铁路货车制造企业自身的需求看，机器人进入铁路货车制造行业的机遇已经到来，但是由于铁路货车制造企业在机器人应用方面的技术积累较少，铁路货车制造企业的经济效益较差，因此铁路货车制造企业在机器人应用方面应采取先试点后推广的谨慎态度。在焊接、喷涂、搬运等作业中选择作业人员多、劳动强度大、工作环境恶劣的工序进行试点。通过试点，积累经验，培养人才，从而实现机器人应用从点到线、从线到面的突破。

　　5 结语

　　综上所述，随着机器人技术的发展和铁路货车制造企业自身发展的需要，机器人技术在铁路货车制造过程中应用的时机已经成熟，铁路货车制造行业将成为继汽车、家电、物流之后又一个机器人应用的重要领域，也将随着机器人技术的应用和普及实现生产效率的提升、产品质量的提高和制造成本的降低，从而实现铁路货车制造企业核心竞争力的提升和产业升级。

《机器人在铁路货车制造行业应用历史及趋势》

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