郝 利，朱思河，林 通

（1.機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044；2.江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，徐州 221000）

0 引言

高速列車是一種運(yùn)行可靠、功能先進(jìn)，同時(shí)載客量大、耗時(shí)較少的高密度交通運(yùn)輸工具，具有顯著的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益[1]。側(cè)墻是高鐵車體的重要組成部分，一般由多組鋁合金型材焊接而成。由于型材在外力作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和偏移，為保證焊接的穩(wěn)定性和成形尺寸偏差，側(cè)墻焊接需要在有效的工裝條件下進(jìn)行。制造時(shí)所使用的工藝裝備極大地影響制造質(zhì)量，直接關(guān)系到列車的安全性和使用壽命[2]。

側(cè)墻工裝系統(tǒng)的主要功能為實(shí)現(xiàn)各個(gè)組件的裝配、定位和夾緊。當(dāng)前國內(nèi)列車制造企業(yè)普遍采用的是剛性工裝系統(tǒng)，使用多組簡(jiǎn)單夾具來進(jìn)行側(cè)墻組焊。剛性工裝系統(tǒng)僅能用來焊接單一型號(hào)的側(cè)墻，并且需要人工對(duì)齊數(shù)十米的型材，勞動(dòng)強(qiáng)度大。部分頭部企業(yè)設(shè)計(jì)了便捷的夾具換裝機(jī)構(gòu)，使得工裝系統(tǒng)具備一定程度的柔性，可以滿足少數(shù)幾種車型的側(cè)墻制造需求，但距離真正的數(shù)字化、柔性化系統(tǒng)仍有較大差距[3，4]。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一套數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)，主要用于高速列車側(cè)墻的焊接變形控制，能夠滿足8種車型產(chǎn)品側(cè)墻的柔性化、數(shù)字化生產(chǎn)。本系統(tǒng)可根據(jù)制造過程中的生產(chǎn)需求完成不同車型的快速轉(zhuǎn)產(chǎn)，從而降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

1 側(cè)墻工裝系統(tǒng)和設(shè)計(jì)

側(cè)墻數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)是用于生產(chǎn)機(jī)車車體側(cè)墻的工裝設(shè)備，它可以根據(jù)不同型號(hào)的車體，控制伺服電機(jī)控制設(shè)備結(jié)構(gòu)、液壓缸壓緊裝置，從而滿足不同型號(hào)車體側(cè)墻的生產(chǎn)需求，完成不同車型之間的切換自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)工裝的柔性化生產(chǎn)。

1.1 硬件系統(tǒng)組成

高速列車車體側(cè)墻生產(chǎn)的主要載體為數(shù)字化柔性工裝主體。如圖1所示，工裝主體由四部分組成，包括橫梁支撐單元、基礎(chǔ)梁?jiǎn)卧壕o單元和預(yù)制撓度單元。其中，基礎(chǔ)梁?jiǎn)卧潭ㄖ恋孛?，根?jù)現(xiàn)場(chǎng)空間進(jìn)行鋪設(shè)。橫梁支撐單元可沿基礎(chǔ)梁長度方向移動(dòng)，用于調(diào)整兩橫梁支撐單元之間的間距。壓緊單元采用油缸壓緊，安裝在基礎(chǔ)梁上，安裝位置根據(jù)壓緊位置可調(diào)。預(yù)制撓度單元設(shè)置在橫梁兩端，一端采用伺服電機(jī)進(jìn)行定位，另一端采用油缸進(jìn)行壓緊。

圖1 側(cè)墻數(shù)字化工裝整體圖

橫梁支撐單元：橫梁支撐單元由橫梁、水平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及34組支撐尼龍塊機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。橫梁支撐單元的功能為實(shí)現(xiàn)8種車型側(cè)墻和圓頂?shù)妮喞螤钫囱b的支撐。支撐尼龍塊機(jī)構(gòu)采用T型絲杠和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，定位之后利用T型絲杠的自鎖功能，保證支撐塊在有受力的情況下不會(huì)脫落。在支撐尼龍塊機(jī)構(gòu)下方增加預(yù)緊力機(jī)構(gòu)，保證其位置的穩(wěn)定性。支撐接觸部分形狀采用圓弧型，適應(yīng)側(cè)墻鋁型材接觸面的任意形狀。接觸部分材料采用尼龍，不影響鋁型材的表面精度。水平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在橫梁長度方向上可精確定位到支撐的位置。升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)橫梁支撐尼龍塊機(jī)構(gòu)上下位置的精確移動(dòng)和定位。每一根支撐具體的位置高度通過激光位移傳感器進(jìn)行檢測(cè)，從而保證其位置的精度，進(jìn)而保證整體形狀輪廓的擬合度。

圖2 橫梁支撐單元

壓緊單元：壓緊單元可實(shí)現(xiàn)懸臂結(jié)構(gòu)整體旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)范圍為左右各0°～90°。懸臂實(shí)現(xiàn)伸出和縮回，伸縮距離0～500mm可調(diào)，油缸電磁閥兼容自動(dòng)/手動(dòng)完成對(duì)工件的壓緊。壓緊點(diǎn)的位置根據(jù)焊縫焊接順序預(yù)先設(shè)置，可根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)變換。壓緊力范圍為1.25噸～2.5噸內(nèi)可調(diào)。圖3給出了壓緊單元的機(jī)構(gòu)圖。

圖3 壓緊單元

預(yù)制撓度單元：如圖4所示，預(yù)制撓度單元與支撐結(jié)構(gòu)集成在橫梁上，實(shí)現(xiàn)工件的裝配定位和側(cè)墻的預(yù)制撓度自動(dòng)調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍為0～20mm。單元左側(cè)采用多組伺服電機(jī)和減速機(jī)，可對(duì)一側(cè)定位塊自動(dòng)進(jìn)行前后、上下及角度位置調(diào)整，調(diào)整后進(jìn)行定位。右側(cè)預(yù)制撓度的實(shí)現(xiàn)方式為：定位塊上下和角度位置通過伺服電機(jī)和減速機(jī)調(diào)整，前后位置通過油缸壓緊實(shí)現(xiàn)。尼龍定位塊設(shè)計(jì)為可適應(yīng)多類側(cè)墻的結(jié)構(gòu)，從而節(jié)省工裝的調(diào)整時(shí)間，提升效率。

圖4 預(yù)制撓度單元

1.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)以Siemens PLC為主控制器，外部配置伺服系統(tǒng)、觸摸屏及各類型光電傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)工裝主體和液壓泵站的自動(dòng)控制。

控制器將操作人員的意志轉(zhuǎn)化成機(jī)器指令，采集系統(tǒng)中激光測(cè)距儀、光電等的輸入信息，控制泵、液壓缸和伺服電機(jī)完成工裝的所有動(dòng)作，完成側(cè)墻工裝對(duì)多種車型生產(chǎn)需求的自動(dòng)切換?？刂破鲀?nèi)部存儲(chǔ)8種型號(hào)車輛的數(shù)據(jù)信息，以便完成快速轉(zhuǎn)產(chǎn)。系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與上級(jí)MES通信，完成數(shù)據(jù)信息的交互。

工控系統(tǒng)的流程控制和數(shù)據(jù)管理通過觸摸屏完成，實(shí)現(xiàn)與控制器的人機(jī)交互。觸摸屏實(shí)時(shí)顯示側(cè)墻工裝系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)、當(dāng)前作業(yè)車型、以及其他車型的數(shù)據(jù)信息。操作人員通過操作觸摸屏定制多種車型側(cè)墻的柔性化工裝，可實(shí)現(xiàn)任意車型數(shù)據(jù)的輸入和保存，無車型限制，方便新車型的更新。面板設(shè)置有設(shè)備啟停、暫停及急停開關(guān)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多狀態(tài)啟停。

2 工裝系統(tǒng)控制流程

在側(cè)墻數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)的功能需求及電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，可得工裝系統(tǒng)的控制邏輯，圖5給出了側(cè)墻工裝系統(tǒng)的控制流程圖。

圖5 側(cè)墻工裝系統(tǒng)控制流程

車體側(cè)墻的制造過程中，首先進(jìn)行生產(chǎn)前的準(zhǔn)備，包括檢查工裝系統(tǒng)中的電氣及液壓系統(tǒng)是否處于工作狀態(tài)，檢查來料是否與物料清單相符。系統(tǒng)就緒后，將設(shè)備上電，并確定列車型號(hào)是否為系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的車型。若生產(chǎn)車型為新車型，操作員需在觸摸屏界面上手動(dòng)將錄入該車型的各項(xiàng)信息，保存至工裝系統(tǒng)內(nèi)。接著，由操作員指定生產(chǎn)車型。

指定生產(chǎn)車型后，將各伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上電，啟動(dòng)液壓站，使得柔性工裝系統(tǒng)中的橫梁支撐單元依照車體型號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將各組水平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)就位，以點(diǎn)陣式尼龍塊擬合出整體形狀輪廓，使其適應(yīng)于該型號(hào)的側(cè)墻鋁型材接觸面形狀。

側(cè)墻鋁合金型材吊裝至焊接位置，依次放入柔性工裝設(shè)備中。壓緊單元通過旋轉(zhuǎn)和伸縮，調(diào)節(jié)壓緊位置，將側(cè)墻型材向下壓緊。驅(qū)動(dòng)預(yù)制撓單元的各組電機(jī)，完成對(duì)工件的裝配定位，以及對(duì)側(cè)墻的預(yù)制撓度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

型材組焊的順序?yàn)橄日b后反裝，正裝后完全松開各壓緊器和拉緊器，將工件平穩(wěn)起吊，調(diào)整反裝。重復(fù)上述流程，完成側(cè)墻的焊接。

3 實(shí)施效果

經(jīng)過長時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證，該數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)能夠兼容高速列車車體側(cè)墻的組焊變形控制，可以滿足8種以上列車產(chǎn)品側(cè)墻的柔性化生產(chǎn)。根據(jù)生產(chǎn)需求的變化，能夠?qū)崿F(xiàn)不同產(chǎn)品之間的快速轉(zhuǎn)產(chǎn)，自動(dòng)化轉(zhuǎn)產(chǎn)調(diào)整耗時(shí)不超過2小時(shí)。該工裝系統(tǒng)能夠滿足組焊前的撓度預(yù)制，即側(cè)向滿足預(yù)制撓度的尺寸為最大點(diǎn)撓度值和最小點(diǎn)差值在20mm范圍內(nèi)。工裝調(diào)整或轉(zhuǎn)產(chǎn)后輪廓度擬合度控制在±0.3mm以下。綜上，數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。工裝系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6所示。

圖6 數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)研發(fā)了高速列車車體側(cè)墻數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)，包括橫梁支撐單元、基礎(chǔ)梁?jiǎn)卧?、壓緊單元和預(yù)制撓度單元等機(jī)構(gòu)，伺服運(yùn)動(dòng)控制、液壓及光電傳感器等外置裝置由主PLC控制器驅(qū)動(dòng)，外置觸摸屏實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控和人機(jī)交互。該系統(tǒng)可以根據(jù)車體型號(hào)的變化，通過伺服電機(jī)調(diào)整位置及改變液壓缸壓緊裝置來完成不同型號(hào)車體側(cè)墻的生產(chǎn)需求。除內(nèi)置的8種車型工裝外，還可由操作員鍵入新型車體的工裝參數(shù)。不同車型之間的切換自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)工裝的柔性化生產(chǎn)。該系統(tǒng)操作便捷、自動(dòng)化、柔性化、數(shù)字化程度高，極大地提高了列車車體側(cè)墻的生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量。