郭希峰

摘要：本文闡述了一種用于軌道交通門框焊接的柔性焊接工裝，從設計原理到機械和電氣功能實現(xiàn)，到應用成效，粗略展現(xiàn)了柔性工裝在智能制造中的重要作用。

-關鍵詞：焊接門框;柔性工裝; 智能制造;

0 引言

近年來，由于我國各大城市軌道交通建設的不斷深入，軌道交通車體的外觀和形狀不斷刷新人們的感官。給城市和城際間出行帶來便捷的同時，軌道交通已成為國家和各城市的一張靚麗名片。由于各城市的地鐵外觀是由最終業(yè)主，也就是當?shù)氐牡罔F運營公司決定，造成各城市的地鐵形狀各不相同，甚至同一個城市的各條線路也相差較大，可謂五花八門，百花齊放！與日俱增的車型種類也造成軌道交通門體的種類水漲船高，康尼公司作為國內軌道交通門系統(tǒng)主要供方，深感壓力。由于產品種類多，工裝模具倉庫不斷擴張。倉儲占地居高不下的同時，上百套的焊接工裝對資金的占用也不容忽視。設計和制造一種柔性焊接工裝，減少焊接工裝的數(shù)量，以壓縮工裝模具庫存，成為越來越迫切的需求。

1 柔性焊接工裝的設計

1.1 柔性焊接工裝目標產品選取

柔性焊接工裝相比傳統(tǒng)的專業(yè)工裝，適應性強，自動化程度高，但造價也高。所以，目標產品必須具備以下幾個特點：

1）產品具有類似的曲線輪廓，可以實現(xiàn)參數(shù)化建模;

2）產品族覆蓋范圍廣，產值高、數(shù)量大;

綜合以上，選取了城市軌道交通地鐵乘客室門門板框架作為柔性焊接工裝的目標產品，最終成功研制和量產應用在焊接機器人工作站中，2年就收回了投資，實現(xiàn)了較好的經濟效益。

1.2 參數(shù)化建模

城軌地鐵門框的輪廓曲線大多數(shù)采用兩條線段加一段圓弧組成。兩條線段有一定角度，由一段圓弧曲線連接起來，圓弧曲線與兩側線段都相切。結合城軌地鐵門框的曲線結構特點，參數(shù)化建模確定了幾條設計原則：

1）輪廓曲線中，以兩條線段的延長線相交點為設計尺寸基準點和角度旋轉軸心;

2）長度方向從基準點出發(fā)，沿線段向上檔方向為正方向，向下檔方向為負方向，計算尺寸;

3）寬度方向以門框的前檔邊線為基準，向后檔方向為正方向，計算尺寸;

4）角度以兩條線段0度起始，向內彎曲為角度正向，轉化為伺服電機的直線運動;

通過參數(shù)化建模，將各檔的定位尺寸轉化為坐標值，為伺服電機的布置提供了藍圖。

1.3 機械結構設計

結合參數(shù)化建模的主要設計原則，對各零件的自由度實現(xiàn)進行了分析，以前檔為錨定零件，最終通過6個伺服電機實現(xiàn)了后檔、上檔、下檔、中間支撐的位置移動和角度的柔性調整。

1. 前檔是基準點所在的零件，所以固定前檔工裝定位塊的位置，保證前檔的裝配位置固定不變。角度的變化有單獨的伺服電機，依據(jù)實際產品做變化。

2. 后檔在寬度方向上相對前檔平行運動，以2個伺服電機分別實現(xiàn)兩段直線段的移動，圓弧部位避讓，直線段部位各自兩個定位塊和相應的壓緊氣缸。

3. 上檔、下檔和中間支撐檔在長度方向上互相平行，沿輪廓曲線的直線段運動，以3個伺服電機實現(xiàn)移動，各檔都有兩個定位塊和相應壓緊氣缸。

4. 不同產品的角度不同，以兩段直線的相交點為圓心，延寬度方向延長形成旋轉軸，1個伺服電機帶動一邊直線段繞旋轉軸轉動，達到角度變化的目的。

伺服電機移動機構，采用絲桿螺母副，帶動定位模塊在直線導軌上移動。導軌的極限位置安裝激光傳感器，用于定位伺服電機返回機械零點。

由于焊接飛濺較大，各伺服電機的電源和信號線都需要進行防高溫保護，防止飛濺把導線絕緣層熔穿，造成短路。同時，飛濺也會在導軌和絲杠等運動部件上積聚，時間長了導軌與滑塊間隙被飛濺阻塞，最終導致絲桿卡死無法運動。為解決以上問題，采用可伸縮金屬波紋管做護套，可以有效解決導線的防護問題。但運動部件的表面防護還沒有較好的措施，只能靠增加清理頻次解決。

工件的壓緊采用旋轉氣缸壓緊，壓緊時，在上升和下降動作的同時，壓頭以氣缸中心做90度旋轉，保證在壓緊時壓住工件，松開時又能讓開定位塊位置，方便工件裝夾。氣缸的供氣管線也要用金屬護套防護，防止被焊接飛濺擊穿。

1.4 電氣功能實現(xiàn)

電氣系統(tǒng)采用PLC控制，實現(xiàn)了5個線性變量和1個角度變量的可視化參數(shù)編輯控制。系統(tǒng)為可觸摸顯示屏，具有多組參數(shù)記憶功能，在不同項目進行柔性切換時，能夠實現(xiàn)一鍵換型，大大提高了工裝的自動化水平。

新項目時，將電氣控制箱與工裝相連，首先一鍵回機械零點，再根據(jù)圖紙設定6個參數(shù)值，經過零件安裝調試微調后，以圖紙編號保存參數(shù)。換型確定后，斷掉電源，將信號線從工裝的航空插頭上拔下來。項目相互切換時，首先連接信號線，打開電氣箱電源，首先一鍵回機械零點，調出待換型的圖紙編號，一鍵換型。一鍵換型時，需要注意檢查工裝表面無干涉，所有壓緊器打開，防止換型時撞壞。

需要提到的一點是，6個伺服變量的零點控制是實現(xiàn)系統(tǒng)控制的關鍵。如果不能準確回零點，在不同產品進行柔性切換時就會產生誤差。

2 柔性焊接工裝的應用

2.1 經濟效益

柔性焊接工裝的投入使用，直接減少了專用焊接工裝的投入數(shù)量，當年就減少投入12套專用焊接工裝，節(jié)省工裝投入成本20多萬元。

2.2 生產效率的提高

柔性焊接工裝的使用，實現(xiàn)了不同型號產品的一鍵換型，大大縮短了傳統(tǒng)專用工裝的換型時間，將換型時間由120分鐘壓縮到了20分鐘，提高了單班的焊接產能。

2.3 不足與改進

雖然柔性焊接工裝有很多優(yōu)點，但相比傳統(tǒng)專用工裝也不是毫無瑕疵。

因為過多的考慮柔性，在設計時需要滿足很多型號的產品，所以限制條件較多，犧牲了部分工裝的性能，比如底部支撐的剛性，壓緊裝置的剛性，長期使用后體現(xiàn)的抗變形能力差就是集中的體現(xiàn)。由于多采用絲桿、導軌和滑塊結構保證模塊間的柔性運動，絲杠的配合間隙隨著使用時間的延長會越來越大，導致精度下降。

改進方式在后面的機型上得到應用。一方面從設計源頭上優(yōu)化產品結構，盡力減少結構的差異化，進行產品統(tǒng)型。單面焊縫的集中設計，使焊接機器人從一個面就可以完成，從而給加固剛性提供了可能。另一方面，結合實際應用經驗，對易發(fā)生問題的部位進行加固和防護設計。經過以上兩個方面的努力，柔性工裝的性能得到了提升。

3 展望

“中國制造2025”的實現(xiàn)越來越近，機器換人和智能制造的浪潮勢不可擋，在未來制造業(yè)向柔性化定制化發(fā)展的方向上，柔性工裝設備會越來越多的出現(xiàn)在工業(yè)生產中。隨著柔性工裝的不斷升級換代，柔性制造工藝和智能制造必將迎來輝煌的明天！