王林照

摘要： 本文主要闡述了客車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)焊接夾具模塊化設(shè)計的成因，并提出了客車頂模塊化設(shè)計焊接夾具設(shè)計總體思路以及能夠適用于多種型號客車骨架焊裝的模塊化焊接夾具系統(tǒng)設(shè)計具體方案，能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y、Z三個方向上的定位調(diào)節(jié)滿足多種型號客車骨架組焊定位夾緊要求，提高設(shè)備生產(chǎn)效率。

Abstract： This paper mainly expounds the causes of modular design in the bus industry， and puts forward the overall idea of modular design and the specific scheme of modular welding clamp system suitable for bus skeleton welding， X， Y and Z can meet the requirements of bus skeleton welding and improve the equipment production efficiency.

關(guān)鍵詞： 模塊化;焊接夾具;客車

Key words： modularity;welding clamps;bus

中圖分類號：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0088-03

0 ?引言

焊接夾具是一種按照一定技術(shù)標準將將焊接工件準確定位和牢固夾緊的工藝裝置，在制造業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)階段我國客運產(chǎn)業(yè)各樣發(fā)展迅速，客車種類和型號逐漸增多，這就要求車身骨架加工要在保證生產(chǎn)質(zhì)量的前提下，最大化的降低生產(chǎn)成本。而目前現(xiàn)有焊接夾具多是針對車身特殊位置的專用焊接夾具，多品種、小批量生產(chǎn)模式下的生產(chǎn)成本高居不下。為此，本文基于模塊化設(shè)計思想研究模塊化焊接夾具，以提高車身骨架焊接夾緊工藝的經(jīng)濟效益。

1 ?焊接夾具模塊化設(shè)計概述

1.1 焊接夾具的概念

焊接夾具是以“防止焊接變形，保證焊件尺寸大小”為使用目的的專用夾具。而且相較于普通夾具而言，專用夾具不僅可以保證零部件的加工精度，同時操作便捷。

1.2 模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計主要是指以功能模塊為系統(tǒng)框架進行系統(tǒng)設(shè)計的一種設(shè)計方案。模塊化設(shè)計下，系統(tǒng)功能模塊具有相對獨立性和互換性，一方面不同功能模塊在整個系統(tǒng)中相對獨立，能夠脫離其他模塊等單獨工作。另一方面相同設(shè)計參數(shù)的功能模塊可以互換，完成同類型產(chǎn)品的更新?lián)Q代和升級。

1.3 焊接夾具模塊化設(shè)計的成因

客車是我國重要的客運交通工具，按照用途可以劃分為長途、公交、旅游等，而不同種類客型號繁多，結(jié)構(gòu)各異，其焊接夾具結(jié)構(gòu)也存在較大差異?？蛙囍饕蠊羌埽謩e是前圍骨架、后圍骨架、頂蓋骨架、左右側(cè)圍骨架、地板骨架和全承載車架結(jié)構(gòu)[1]。而不同骨架按照不同的結(jié)構(gòu)特點又卡劃分為半球型、近似大平面型和立體排布型。再加上隨著我國客運行業(yè)的不斷發(fā)展和工業(yè)科技的進步，客車制造產(chǎn)業(yè)也在不斷完善。在此背景下，客車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給客車焊裝也帶來了一定挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段我國絕大部分客車焊接夾具都是傳統(tǒng)的單片焊接夾具，即按照圖紙設(shè)計出對應(yīng)客車車身結(jié)構(gòu)的專用焊接夾具。但隨著客車車身骨架愈加復雜，如果使用簡易的焊接夾具進行生產(chǎn)，則很難保證客車骨架焊接質(zhì)量，影響客車使用壽命[2]。但如果按照每款車身結(jié)構(gòu)制作對應(yīng)的專用焊接夾具，不僅需要耗費大量成本，還會影響整體的生產(chǎn)進度，得不償失。而模塊化焊接夾具本質(zhì)上屬于一種柔性化焊接夾具，其相互獨立的功能模塊不僅可以滿足客車骨架生產(chǎn)多樣化、差異性需求，同時也能降低投入成本，提高生產(chǎn)經(jīng)濟效益。

2 ?客車頂模塊化設(shè)計焊接夾具設(shè)計總體思路

相較于客車其他部位，客車車頂焊接夾具模塊化設(shè)計相對簡單。其主要原因在于不同型號、種類的客車車頂長度和橫梁間距變化較大，而車頂弧度和寬度變化不大。本文基于模塊化設(shè)計思想設(shè)計客車頂焊接夾具系統(tǒng)，該系統(tǒng)由基礎(chǔ)支撐部件、可換模塊和可調(diào)整定位塊組成。

2.1 基礎(chǔ)支撐部件

基礎(chǔ)支撐件可以結(jié)合車頂骨架特點設(shè)計成不同高度和長度的框架結(jié)構(gòu)?？蚣芤粋?cè)鋪設(shè)平面導軌，實現(xiàn)X方向上的定位調(diào)節(jié)，另一側(cè)安裝金屬滑輪，用于調(diào)節(jié)安裝在平面導軌上的橫梁寬度，以匹配不同長度的車身結(jié)構(gòu)。通常情況下，可以安裝伺服電機，用于控制橫梁調(diào)節(jié)，相較于人工調(diào)節(jié)更加方便。而且橫梁尺寸設(shè)計宜在150mm-200mm之間，且采用銷軸定位，橫梁兩端需要鉆孔。

2.2 可換模塊

可換模塊是T型槽結(jié)構(gòu)。而且為保證制造成本，可以使用三塊板材組合連接方式，通過在最上側(cè)鋪設(shè)寬板材，最下側(cè)鋪設(shè)一塊板材，中間鋪設(shè)窄板材，以形成簡單的T型槽結(jié)構(gòu)[3]?？蓳Q模塊的兩端需要打孔，通過銷軸固定在橫梁上。而且為提高可換模塊的使用性能，還應(yīng)在最下側(cè)板材的T型縫隙中挖出一排長孔，用于清理焊接工藝期間產(chǎn)生的飛濺物。

2.3 可調(diào)整定位塊

定位塊是焊接夾具定位的主要工具，主要材質(zhì)是Q345，由定位卡和靠山兩部分組成[4]。其中定位卡可以定位不同規(guī)格的工件，開頭大小依據(jù)定位工件進行設(shè)計。同時定位卡上會設(shè)置兩處U型導槽，通過螺栓鎖緊在靠山上，以上下調(diào)節(jié)高度是，實現(xiàn)Z方向上的定位調(diào)節(jié)，并且需要在定位卡下部增加支撐，以避免定位卡下移。而靠山則為標準的L形設(shè)計，可以利用T性螺栓裝配在模塊的槽內(nèi)，從而實現(xiàn)Y方向上的定位調(diào)節(jié)。與此同時，靠山與定位卡間還應(yīng)通過螺栓螺母機構(gòu)進行連接，螺栓螺母需焊接在靠山的豎直面上，從而托住定位卡，避免定位卡移動[5]。

3 ?客車焊接夾具頂模塊化設(shè)計具體方案

3.1 橫梁定位夾緊模塊

橫梁定位夾緊模塊由X、Y和Z向的定位夾緊模塊構(gòu)成，共同作用實現(xiàn)橫梁三個方向上的定位夾緊。其工作流程如下：當車身結(jié)構(gòu)相同時，首先X和Y向定位夾緊裝置會先向后移動3mm，將新車車身結(jié)構(gòu)橫梁至于定位夾緊模塊上。其次X向、X向和Y向定位夾緊裝置依次對橫梁進行三個方向上的定位微調(diào)并完整定位夾緊作業(yè)。而當車身結(jié)構(gòu)變化時，橫梁定位夾緊模塊復位到原點，再調(diào)整架構(gòu)到對應(yīng)的X、Y和Z向定位位置。

其中X向定位夾緊裝置由橫梁側(cè)端接觸部分及支撐板、橫梁下端接觸部分、壓力傳感器及支撐板、連接板、直線模組和帶剎車步進電機組成。當車身結(jié)構(gòu)相同時，X向定位需要將橫梁吊運到對應(yīng)模塊上，一側(cè)橫梁側(cè)端接觸部分與橫梁接觸，并在直線模組的驅(qū)動下，另一側(cè)橫梁側(cè)端接觸部分與橫梁接觸。此時壓力傳感器會檢測到兩個壓力變化信息，發(fā)送指令給步進電機，使其停轉(zhuǎn)，鎖止定位位置。當車身結(jié)構(gòu)變化時，步進電機會驅(qū)動X向定位裝置沿X方向移動，移動至原點和相應(yīng)的定位位置。

Z向定位裝置主要由直線軸承、渦輪絲桿舉升機、伺服電機、支撐板、膜片聯(lián)軸器和連接平臺等組成。當車身結(jié)構(gòu)相同時，Z向定位需要將橫梁吊運到對應(yīng)模塊上，以橫梁軸端面定位線為基準線進行找正定位，同時采取劃線找正法進行定位檢查，直到其符合橫梁Z向定位要求。當車身結(jié)構(gòu)不同時，伺服電機驅(qū)動渦輪絲桿舉升機沿Z方向進行移動，直到其到達指定定位位置。

Y向定位夾緊裝置主要由直線模組、壓力傳感器、帶剎車步進電機和壓力傳感器支撐板組成。當車身結(jié)構(gòu)相同時，Y向定位加緊裝置工作流程與X向定位加緊裝置工作流程大體一致，均是通過檢測到壓力傳感器信號以控制步進電機停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)定位位置鎖止。當車身結(jié)構(gòu)變化時，同樣是由步進電機驅(qū)動直線模組沿Y方向進行移動。

3.2 側(cè)梁定位夾緊模塊

側(cè)梁定位夾緊模塊主要由定位調(diào)整夾緊模塊、三軸平臺Z向動力模塊和三軸平臺模塊組成。

定位調(diào)整夾緊模塊由Z向定位裝置、X、Y向定位夾緊裝置、Z向手動操作裝置、側(cè)梁壓板和連接平臺組成，主要用于實現(xiàn)同種車身結(jié)構(gòu)側(cè)梁的定位調(diào)整和夾緊。其中Z向定位裝置由側(cè)梁壓板和Z向定位裝置兩部分構(gòu)成，側(cè)梁壓板可以通過螺母結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對側(cè)梁的Z向夾緊，而Z向定位裝置能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)梁Z向定位和鎖止。X向定位夾緊裝置由壓力傳感器和支撐板兩部分構(gòu)成。Y向定位夾緊裝置由螺旋錐齒輪轉(zhuǎn)向箱、直線模組、電機及轉(zhuǎn)向箱支撐座、帶剎車步進電機和壓力傳感器及其支撐板和連接板構(gòu)成。Z向手動操作裝置可以手動操作Z向定位鎖止和電機停轉(zhuǎn)，保證側(cè)梁定位夾緊模塊工作的安全性、穩(wěn)定性。連接平臺能夠為上述定位夾緊模塊各組成部分提供支撐和固定位置。當車身結(jié)構(gòu)相同時，首先將車輛吊運到夾緊模塊指定位置，并進行Z向定位檢查、Z向定位微調(diào)和Z向定位鎖止。其次待Y向定位夾緊裝置壓力傳感器檢測到兩個讀數(shù)變化時，裝置Y向移動停止，并進行Y向定位檢查、Y向定位微調(diào)和Y向定位鎖止。最后，采取相同方法進行X向的夾緊裝置控制。期間可以采取劃線找正法、定位基準法進行三個方向上的定位檢查。與此同時，側(cè)梁定位微調(diào)需要經(jīng)過Z向定位微調(diào)、Y向定位微調(diào)和X向定位微調(diào)三個基本步驟。Z向定位微調(diào)時需要對兩處位置單獨進行微調(diào)，依據(jù)拐尺刻線和Z向定位線之間的距離確定按鈕次數(shù)（按動上升/下降按鈕，側(cè)梁Z向定位裝置會向該測移動0.1mm。待一處Z向定位微調(diào)結(jié)束，步進電機制動器重新切換到制動狀態(tài)，實現(xiàn)Z向定位位置鎖止，再進行另一處定位微調(diào)。Y向定位微調(diào)時依據(jù)側(cè)梁距離Y向中心距離按確定鈕微調(diào)按鈕次數(shù)（按動左/右側(cè)微調(diào)按鈕，側(cè)梁會向該側(cè)移動0.5mm），再確定Y向定位位置。X向定位微調(diào)時，依據(jù)定位線與定位拐尺間距離確定按鈕次數(shù)（按動左/右側(cè)微調(diào)按鈕，側(cè)梁會向該側(cè)移動0.1mm），再確定X向定位位置。微調(diào)結(jié)束后，即可將側(cè)梁壓板壓緊側(cè)梁，并對側(cè)梁和橫梁進行定位尺寸檢查。如符合定位技術(shù)要求，則微調(diào)結(jié)束，如不符合，則需松開側(cè)梁壓板繼續(xù)進行微調(diào)，直至其符合要求。

三軸平臺Z向動力模塊由膜片聯(lián)軸器、T螺旋傘齒輪轉(zhuǎn)向箱、步進電機和傳動桿組成。其中膜片聯(lián)軸器能夠準確傳遞電機和舉升機間的轉(zhuǎn)動角度，T螺旋傘齒輪轉(zhuǎn)向箱能夠?qū)⒉竭M電機的轉(zhuǎn)動輸出轉(zhuǎn)化為平動輸出，步進電機提供Z平臺運作動力，傳動桿能夠在Z向平臺間傳遞動力。當車身結(jié)構(gòu)變化時，步進電機驅(qū)動T螺旋傘齒輪轉(zhuǎn)向箱，經(jīng)過第一級、第二級T螺旋傘齒輪換向箱換向使動力模塊的四個輸出軸端同步轉(zhuǎn)動，帶動Z向平臺同步升降。

三軸平臺模塊由Z向平臺、Y向平臺和X向平臺組成。其中Z向平臺由支撐架、直線軸承和渦輪絲桿舉升機組成，支撐架可以為Z平臺部件提供支撐，直線軸承能夠為Z平臺Z向移動提供導向并承載側(cè)梁調(diào)整時的Y向和X向的力，渦輪絲桿舉升機能夠?qū)崿F(xiàn)Z向平臺Z向移動和自鎖。Y向和X向平臺結(jié)合相同，均由直線模組、支撐板、膜片聯(lián)軸器、帶剎車步進電機和圓導軌組成，直線模組能夠轉(zhuǎn)換電機轉(zhuǎn)動輸入與Y向和X向平臺的平動輸出，支撐板提供輔助支撐作用，膜片聯(lián)軸器能夠準確傳遞電機轉(zhuǎn)動角度，帶剎車步進電機為平臺工作提供動力，圓導軌為平臺移動提供導向。

3.3 垂向減震器座定位夾緊模塊

垂向減震器座定位夾緊模塊由垂向減震器座Z向定位裝置和垂向減震器座壓板兩部分組成，前者能夠在車身結(jié)構(gòu)變化是實現(xiàn)垂向減震器座Z向調(diào)整和Z向定位微調(diào)，后者能夠夾緊垂向減震器座。當車身結(jié)構(gòu)相同時，首先將垂向減震器座裝配在垂向減震器座Z向定位裝置上，并采取劃線找正法調(diào)整垂向減震器座，確保Z向定位裝置上的X向、Y向定位孔對齊，實現(xiàn)垂向減震器座的X向、Y向定位。其次檢查垂向減震器座Z向定位是否符合技術(shù)要求，如符合，表示Z向定位結(jié)束。如不符合，則需要按動微調(diào)按鈕進行微調(diào)（按動上升/下降按鈕，垂向減震器座會向該側(cè)移動0.1mm），直至其符合Z向定位要求。而且為保證模塊化柔性焊接系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，可以采用放置墊片的方式進行手動調(diào)節(jié)，避免因電動系統(tǒng)出現(xiàn)故障而影響系統(tǒng)連續(xù)作業(yè)。再次調(diào)整垂向減震器座壓板，使之夾緊垂向減震器，同時檢查夾緊垂向減震器座Z向定位及其到系統(tǒng)Y向中心距離是否滿足技術(shù)要求。如滿足，則表示該處垂向減震器座定位夾緊作業(yè)完成，待其他三處垂向減震器座定位夾緊作業(yè)結(jié)束后即可實現(xiàn)垂向減震器座定位鎖止。如不滿足，則需要松開垂向減震器座壓板，繼續(xù)進行微調(diào)，直至其滿足要求。當車身結(jié)構(gòu)變化時，垂向減震器座定位夾緊模塊的X向、Y向定位無需調(diào)整，其會自動跟隨測量定位夾緊模塊調(diào)整，本環(huán)節(jié)只需要調(diào)整垂向減震器座Z向定位裝置移動到指定位置即可。

3.4 空氣彈簧支撐梁定位夾緊模塊

空氣彈簧支撐梁定位夾緊模塊由空氣彈簧支撐梁夾緊裝置、空簧孔定位銷、連接板、空氣彈簧支撐梁支撐板和側(cè)梁輔助支撐組成。其中空氣彈簧支撐梁夾緊裝置用于夾緊空氣彈簧支撐梁定位后夾緊作業(yè)，空簧孔定位銷用于空氣彈簧支撐梁和X向和Y向固定，連接板用于確定模塊各裝置位置，側(cè)梁輔助支撐能夠為側(cè)梁安裝提供Z向輔助支撐作用和導向。當車身結(jié)構(gòu)相同時，首先將空氣彈簧支撐梁放置于空氣彈簧支撐梁支撐板上，同時對齊兩部分上的定位孔，具體可采取劃線找正法進行對齊。其次進行空氣彈簧支撐梁的X向、Y向定位。檢查空氣彈簧支撐梁上是否存在空簧孔，如果不存在，則表示行空氣彈簧支撐梁的X向、Y向定位結(jié)束。如果存在，則調(diào)整該空簧孔定位銷伸出，固定空氣彈簧支梁撐，限制空氣彈簧支撐梁在X向和Y向上的移動。最后檢查空氣彈簧支撐梁Z向定位是否滿足技術(shù)要求。如滿足，則表示空氣彈簧支撐梁定位結(jié)束。如不滿足，則需對空氣彈簧支撐梁進行Z向定位微調(diào)（按動上升/下降按鈕，Z向定位裝置會向該側(cè)移動0.1mm。待一處空氣彈簧支撐梁Z向定位裝置微調(diào)結(jié)束后，步進電機制動器重新切換到制動狀態(tài)，實現(xiàn)Z向定位位置鎖止，再進行另一處定位微調(diào)。待兩處空氣彈簧支撐梁Z向定位裝置微調(diào)完成后，利用空氣彈簧支撐梁夾緊裝置夾緊空氣彈簧支撐梁，檢查其Z向定位是否符合要求，如符合，則表示定位結(jié)束。如不符合，則松開夾緊裝置繼續(xù)微調(diào)。當車身結(jié)構(gòu)變化時，空氣彈簧支撐梁夾緊定位模塊無需調(diào)整。

3.5 平臺模塊設(shè)計

平臺模塊由空氣彈簧支撐梁定位夾緊模塊支撐單元、整體支撐平臺、橫梁定位夾緊模塊支撐單元、側(cè)面護板、防護板、中心標尺等結(jié)構(gòu)組成。其中空氣彈簧支撐梁定位夾緊模塊支撐單元、橫梁定位夾緊模塊支撐單元和整體支撐平臺可以為空氣彈簧支撐梁定位夾緊模塊和橫梁定位夾緊模塊提供高度和載荷支撐。側(cè)面護板能夠為側(cè)梁定位夾緊模塊提供安全防護，避免工人作業(yè)時被劃傷。防護板同樣可以為工人提供安全防護，避免其不慎掉落至側(cè)梁定位夾緊模塊工作區(qū)域。中心標尺能夠為系統(tǒng)各模塊化焊接夾具定位提供基準。

3.6 模塊化焊接夾具組焊工藝流程

①橫梁定位夾緊。首先將橫梁吊運裝置放置于夾緊模塊的Z向支撐上。其次進行Z向找正夾緊定位。最后進行X和Y方向上的找正定位夾緊。

②側(cè)梁定位夾緊。首先以空氣彈簧支撐梁定位夾緊模塊的支撐板為輔助之城進行側(cè)梁吊運。其次將橫梁伸出軸端與側(cè)梁軸孔進行裝配。再次，進行Z向找正定位。從次進行X和Y方向上的找正定位夾緊。最后進行Z方向的夾緊，并檢查側(cè)梁高度是否符合技術(shù)要求。

③垂向減震器座定位夾緊。首先預裝垂向減震器，檢查垂向減震器是否與車身骨架匹配，是否存在尺寸誤差。如果存在誤差，則需要進行打磨修正。如果不存在，則直接進行后續(xù)操作。其次，將垂向減震器裝配在垂向減震器座定位夾緊模塊的Z向支撐端。再次按照定位孔進行X和Y方向上的找正定位和Z方向的定位調(diào)整。最后對Y方向上的定位尺寸進行檢查。如果不符合技術(shù)要求則需要手動調(diào)整。

④空氣彈簧支撐梁定位夾緊。首先調(diào)整空氣彈簧支撐梁定位夾緊模塊的Z向支撐部分，將其調(diào)整到基準高度。其次將空氣彈簧支撐梁裝配到對應(yīng)的Z向支撐部分。再次以定位孔作為基準孔進行X和Y向的找正定位。最后進行Z向的定位檢查，如果不符合技術(shù)要求，則需手動進行Z向定位調(diào)整，再進行夾緊操作。

⑤車身骨架連接處電焊。焊接橫梁、側(cè)梁、垂向減震器座、空氣彈簧支撐梁連接處，同時將各模塊的夾緊裝置復位，將完成組焊工序的部件吊離工作臺。

4 ?結(jié)論

模塊化焊接夾具的推廣應(yīng)用是推動新形勢下制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的有效途徑。本文主要基于模塊化設(shè)計思想從橫梁定位夾緊模塊、側(cè)梁定位夾緊模塊、垂向減震器座定位夾緊模塊、空氣彈簧支撐梁定位夾緊模塊和平臺模塊設(shè)計等幾部分闡述了客車模塊化焊接夾緊系統(tǒng)設(shè)計的具體方案，在保證焊接夾緊質(zhì)量的前提下提高設(shè)備生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。

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