石成義

(中通客車控股股份有限公司， 山東 聊城 252000)

PLC[1]合裝胎具是一種非標(biāo)設(shè)備，它的推廣應(yīng)用與客車產(chǎn)品特性和本體集成設(shè)計(jì)密不可分。使用PLC數(shù)控合裝胎具合裝客車骨架能夠保證骨架精度，適用于多品種車型的生產(chǎn)。本文介紹PLC合裝胎具的組成、技術(shù)要求及實(shí)際應(yīng)用。

1 PLC合裝胎具的組成及應(yīng)用特點(diǎn)

PLC，意為可編程邏輯控制器[2]，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算和提供各類機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的核心。提供機(jī)械運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來自伺服電機(jī)，再經(jīng)過一系列的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將骨架限位夾緊推送到預(yù)設(shè)的位置實(shí)現(xiàn)正確夾裝。因此，PLC的合裝胎具與傳統(tǒng)機(jī)械式合裝胎具相比，最大的特點(diǎn)就是人工機(jī)械調(diào)整的換型可直接通過設(shè)備本體自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。PLC合裝胎具是在傳統(tǒng)合裝設(shè)備中嵌入可編程邏輯控制器，除具有傳統(tǒng)胎體系統(tǒng)以外，增加了更多的控制系統(tǒng)。其組成如圖1所示，主要包括軟硬件系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)主要是控制系統(tǒng)，包括電源、中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊等。其中PLC合裝胎具上的控制系統(tǒng)[3]采用可編程邏輯控制器作為CPU，進(jìn)行胎體運(yùn)動(dòng)需求的適應(yīng)性組網(wǎng)，根據(jù)需要對交換的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃，以滿足各分塊傳輸類型、時(shí)間，并充分考慮后期維護(hù)的合理性和擴(kuò)展升級的便利性。運(yùn)動(dòng)執(zhí)行采用CANopen通信方式[4]，確保控制系統(tǒng)對伺服驅(qū)動(dòng)裝置的有效控制，PLC與觸摸屏采用Modbus通訊方式[5]，確保車型參數(shù)變換處理的有效性，從而實(shí)現(xiàn)多品種小批量產(chǎn)品的適時(shí)應(yīng)用功能。

圖1 PLC合裝胎胎體主要組成

硬件系統(tǒng)主要是胎體系統(tǒng)，胎體的制作采用模塊化劃分，主體分為左右側(cè)，每側(cè)均帶有主體骨架、限位夾緊系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、推進(jìn)平移系統(tǒng)以及中間升降系統(tǒng)等。

與傳統(tǒng)合裝胎具采用液、氣傳動(dòng)，機(jī)械換型不同，PLC合裝胎具采用電力傳動(dòng)，伺服控制自動(dòng)換型，具備換型速度快、定位精度高、操作便捷控制靈活、故障率低、系統(tǒng)安全性高、合裝精度穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。具體應(yīng)用特點(diǎn)有：

1) PLC骨架合裝胎采用觸摸式人機(jī)界面[6]進(jìn)行車型數(shù)據(jù)的編輯、修改、存儲，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)整與快換車型的功能。

2) 采用伺服驅(qū)動(dòng)裝置精確控制伺服電機(jī)，保證恒力矩[7]和高精度輸出，通過精密導(dǎo)軌、絲杠無損傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

3) CPU由雙PLC組成，采用冗余控制[8]確保左右兩側(cè)主體同步控制，避免合裝胎兩主體出現(xiàn)竄動(dòng)、扭動(dòng)、運(yùn)動(dòng)不均勻等現(xiàn)象。

4) 低壓部分每個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行過壓、欠壓、過載、過流等全面電氣安全保護(hù)，每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)單元都進(jìn)行原點(diǎn)和終點(diǎn)保護(hù)，提高了使用安全性。

5) 整體保證骨架合裝精度在龍門對角線偏差≤3 mm、總長偏差≤4 mm、高度偏差≤2 mm、車寬偏差≤2 mm、車身大對角線偏差≤5 mm的范圍內(nèi)。

6) 確保節(jié)拍效率每次合裝時(shí)間控制在60 min之內(nèi)，定位機(jī)構(gòu)換型調(diào)整時(shí)間控制在10 min之內(nèi)。

2 對客車產(chǎn)品兼容性的實(shí)現(xiàn)及實(shí)際應(yīng)用

2.1 PLC合裝技術(shù)對客車產(chǎn)品兼容性的實(shí)現(xiàn)

2.1.1 PLC合裝技術(shù)對客車產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求

PLC合裝胎具的最大范圍應(yīng)考慮客車產(chǎn)品的兼容性，但也不可能實(shí)現(xiàn)完全通用化，只有在有效應(yīng)用范圍內(nèi)的客車產(chǎn)品，才能應(yīng)用PLC合裝技術(shù)。因此對應(yīng)用PLC合裝技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了如下要求：

1) 各系列車型的整車外輪廓要符合W1、W2、W3等關(guān)鍵參數(shù)范圍，整車長度一般沒有特殊限制。

2) 滿足側(cè)圍縱梁為高度基準(zhǔn)的前提下，產(chǎn)品的合裝高度要符合H1的參數(shù)要求。

3) 各系列車型側(cè)圍縱梁(一般為高度基準(zhǔn))型材截面形狀盡量相同或相似。

4) 各系列車型底架結(jié)構(gòu)影響不大，但其整體高度要在H2范圍內(nèi)。

5) 對于存在超出參數(shù)浮動(dòng)范圍的特殊車型不適合用PLC合裝胎具施工。

對本公司客車產(chǎn)品輪廓參數(shù)進(jìn)行整理，其關(guān)鍵參數(shù)浮動(dòng)范圍見表1。本公司的PLC合裝胎具的初始設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地滿足表1中的參數(shù)要求。

表1 關(guān)鍵參數(shù)浮動(dòng)范圍參考表 mm

2.1.2 PLC合裝技術(shù)對客車產(chǎn)品兼容性的實(shí)現(xiàn)方式

PLC合裝技術(shù)達(dá)到客車產(chǎn)品技術(shù)需求主要從以下幾點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)：

1) 盡管客車各系列車型整體結(jié)構(gòu)各不相同，但骨架合裝時(shí)需要以側(cè)圍縱梁為高度基準(zhǔn)，同時(shí)考慮兩側(cè)圍骨架最外緣之間的尺寸即整車寬度尺寸。如圖2所示，圖中W1為腰梁處整車寬度、W2為窗下沿處整車寬度，W3為上緣輔助寬度,H1為合裝高度，H2下緣輔助高度。在相應(yīng)的胎具硬件支撐上，要充分考慮兩個(gè)方面的因素：一是定位夾緊[9]，客車側(cè)圍骨架縱梁長度在6 000～11 000 mm之間，一般需配置2到3個(gè)限位點(diǎn)或鉤掛裝置，并配備相應(yīng)的夾緊系統(tǒng)，在PLC合裝胎具上對于定位夾緊與傳統(tǒng)合裝沒有顯著變化，依然可采用氣動(dòng)、液壓方式，僅在整體布置與夾頭限位進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化即可；二是移動(dòng)范圍，根據(jù)各系列產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析，作為側(cè)圍縱梁基準(zhǔn)的限位系統(tǒng)，如果實(shí)現(xiàn)各系列產(chǎn)品的合裝，就要有足夠大的上下(也可以定義為Z向)移動(dòng)空間，在PLC合裝胎具上能夠很好地體現(xiàn)這方面的機(jī)動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)同步向上或向下移動(dòng)。

圖2 客車橫截面例圖

骨架合裝在寬度上的需求，可以延續(xù)機(jī)械式合胎的結(jié)構(gòu)方式，主體仍然為左右兩側(cè)，合裝推進(jìn)系統(tǒng)可以采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，具有更高精度的定位重復(fù)性。

2) 而對于W2、W3數(shù)據(jù)要求，則需要由主體骨架來實(shí)現(xiàn)，主體骨架上部一般采用模塊化設(shè)計(jì)，W1分別與W2和W3的數(shù)值之差，就是通過其模塊內(nèi)的伺服電機(jī)與絲杠系統(tǒng)完成整體內(nèi)外方向上的運(yùn)動(dòng)(也可以定義為X向)。

3) 車型不同，也就存在著各種高度的底架，為了滿足側(cè)圍縱梁的基準(zhǔn)要求，就需要提供實(shí)現(xiàn)各系列產(chǎn)品任意高度的舉升裝置，通常采用前中后三段可獨(dú)立升降舉升臺，運(yùn)用蝸桿舉升機(jī)結(jié)構(gòu)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)升降，一般舉升總重量除考慮底架自重外，還要考慮六大片合裝后的總重，一般不小于6 t。

4) 側(cè)圍、底架應(yīng)該加裝前后基準(zhǔn)限位，滿足骨架合裝各大片縱向方向的相對位置(也可以定義為Y向)。而前后圍骨架要滿足整體周正，貼合相符，也有必要增加一定的限位夾緊約束。

2.2 PLC合裝胎具的實(shí)際應(yīng)用

骨架合裝是客車制造生產(chǎn)主線首個(gè)工序，是焊裝工藝[10]的重要起點(diǎn)與基礎(chǔ)，配套PLC合裝胎具的技術(shù)研究與應(yīng)用，在整個(gè)客車車身成型過程中占有非常重要的地位。

1) 在骨架合裝前合裝胎兩側(cè)主體骨架位置處于最大分開狀態(tài)，根據(jù)車型參數(shù)，在控制面板上輸入相應(yīng)參數(shù)：W1(2 485 mm)、W2(2 450 mm)、H1(716 mm)、H2(1 002 mm)、裙邊梁寬度、第一立柱上下夾點(diǎn)高度、寬度等。參數(shù)可預(yù)存在PLC存儲器中，使用時(shí)調(diào)出即可。在觸摸屏上調(diào)入相應(yīng)車型后，依次按下總控制面板上的各操作按鈕，使各定位移動(dòng)到位(參數(shù)指定位置)。

2) 依次將左右側(cè)圍骨架吊入合裝胎中間，將側(cè)圍分別掛在左右主體高度定位上，同時(shí)調(diào)整到前后定位件處，按夾緊按鈕，同時(shí)將側(cè)圍骨架推靠合裝胎主體骨架上各定位面，固定側(cè)圍骨架。

3) 將底架吊放在合裝胎中舉升臺上，使用固定裝置固定車架前后位置與側(cè)圍骨架對應(yīng)。

4) 按下合攏按鈕，將左右側(cè)圍骨架與車架貼靠，即可進(jìn)行焊接作業(yè)。吊放前圍骨架到指定位置，確保夾持狀態(tài)到位后，進(jìn)行施焊作業(yè)。同理裝配頂蓋及后圍骨架。

5) 焊接工作完成后，松開各夾緊裝置，吊起車身骨架，分開左右主體胎體。車身骨架完工移走。

3 結(jié)束語

PLC客車骨架數(shù)控合裝胎具應(yīng)用技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，其實(shí)就是遵循了從產(chǎn)品形體的結(jié)構(gòu)裝配需求對其提出非標(biāo)要求，通過軟硬件的開發(fā)設(shè)計(jì)、整合兼容滿足系列產(chǎn)品需求支持，從而確保該合裝胎運(yùn)動(dòng)單元完成運(yùn)動(dòng)、保持穩(wěn)定，同時(shí)又具備各類產(chǎn)品之間快速切換的功能。