郝 利，朱思河，林 通

（1.機科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044；2.江蘇安全技術職業(yè)學院，徐州 221000）

0 引言

高速列車是一種運行可靠、功能先進，同時載客量大、耗時較少的高密度交通運輸工具，具有顯著的經濟及社會效益[1]。側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產生振動和偏移，為保證焊接的穩(wěn)定性和成形尺寸偏差，側墻焊接需要在有效的工裝條件下進行。制造時所使用的工藝裝備極大地影響制造質量，直接關系到列車的安全性和使用壽命[2]。

側墻工裝系統(tǒng)的主要功能為實現(xiàn)各個組件的裝配、定位和夾緊。當前國內列車制造企業(yè)普遍采用的是剛性工裝系統(tǒng)，使用多組簡單夾具來進行側墻組焊。剛性工裝系統(tǒng)僅能用來焊接單一型號的側墻，并且需要人工對齊數(shù)十米的型材，勞動強度大。部分頭部企業(yè)設計了便捷的夾具換裝機構，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]。針對以上問題，本文設計了一套數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)，主要用于高速列車側墻的焊接變形控制，能夠滿足8種車型產品側墻的柔性化、數(shù)字化生產。本系統(tǒng)可根據制造過程中的生產需求完成不同車型的快速轉產，從而降低生產成本，提高生產效率。

1 側墻工裝系統(tǒng)和設計

側墻數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)是用于生產機車車體側墻的工裝設備，它可以根據不同型號的車體，控制伺服電機控制設備結構、液壓缸壓緊裝置，從而滿足不同型號車體側墻的生產需求，完成不同車型之間的切換自動化，實現(xiàn)工裝的柔性化生產。

1.1 硬件系統(tǒng)組成

高速列車車體側墻生產的主要載體為數(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、基礎梁單元、壓緊單元和預制撓度單元。其中，基礎梁單元固定至地面，根據現(xiàn)場空間進行鋪設。橫梁支撐單元可沿基礎梁長度方向移動，用于調整兩橫梁支撐單元之間的間距。壓緊單元采用油缸壓緊，安裝在基礎梁上，安裝位置根據壓緊位置可調。預制撓度單元設置在橫梁兩端，一端采用伺服電機進行定位，另一端采用油缸進行壓緊。

圖1 側墻數(shù)字化工裝整體圖

橫梁支撐單元：橫梁支撐單元由橫梁、水平驅動機構、升降驅動機構及34組支撐尼龍塊機構組成，其結構如圖2所示。橫梁支撐單元的功能為實現(xiàn)8種車型側墻和圓頂?shù)妮喞螤钫囱b的支撐。支撐尼龍塊機構采用T型絲杠和導向結構，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脫落。在支撐尼龍塊機構下方增加預緊力機構，保證其位置的穩(wěn)定性。支撐接觸部分形狀采用圓弧型，適應側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。水平驅動機構帶動升降驅動機構在橫梁長度方向上可精確定位到支撐的位置。升降驅動機構用于驅動橫梁支撐尼龍塊機構上下位置的精確移動和定位。每一根支撐具體的位置高度通過激光位移傳感器進行檢測，從而保證其位置的精度，進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：壓緊單元可實現(xiàn)懸臂結構整體旋轉，調節(jié)范圍為左右各0°～90°。懸臂實現(xiàn)伸出和縮回，伸縮距離0～500mm可調，油缸電磁閥兼容自動/手動完成對工件的壓緊。壓緊點的位置根據焊縫焊接順序預先設置，可根據實際情況手動變換。壓緊力范圍為1.25噸～2.5噸內可調。圖3給出了壓緊單元的機構圖。

圖3 壓緊單元

預制撓度單元：如圖4所示，預制撓度單元與支撐結構集成在橫梁上，實現(xiàn)工件的裝配定位和側墻的預制撓度自動調節(jié)，可調范圍為0～20mm。單元左側采用多組伺服電機和減速機，可對一側定位塊自動進行前后、上下及角度位置調整，調整后進行定位。右側預制撓度的實現(xiàn)方式為：定位塊上下和角度位置通過伺服電機和減速機調整，前后位置通過油缸壓緊實現(xiàn)。尼龍定位塊設計為可適應多類側墻的結構，從而節(jié)省工裝的調整時間，提升效率。

圖4 預制撓度單元

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，實現(xiàn)對工裝主體和液壓泵站的自動控制。

控制器將操作人員的意志轉化成機器指令，采集系統(tǒng)中激光測距儀、光電等的輸入信息，控制泵、液壓缸和伺服電機完成工裝的所有動作，完成側墻工裝對多種車型生產需求的自動切換?？刂破鲀炔看鎯?種型號車輛的數(shù)據信息，以便完成快速轉產。系統(tǒng)通過工業(yè)以太網與上級MES通信，完成數(shù)據信息的交互。

工控系統(tǒng)的流程控制和數(shù)據管理通過觸摸屏完成，實現(xiàn)與控制器的人機交互。觸摸屏實時顯示側墻工裝系統(tǒng)的運行狀態(tài)、網絡工作狀態(tài)、當前作業(yè)車型、以及其他車型的數(shù)據信息。操作人員通過操作觸摸屏定制多種車型側墻的柔性化工裝，可實現(xiàn)任意車型數(shù)據的輸入和保存，無車型限制，方便新車型的更新。面板設置有設備啟停、暫停及急停開關，實現(xiàn)系統(tǒng)的多狀態(tài)啟停。

2 工裝系統(tǒng)控制流程

在側墻數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)的功能需求及電氣控制系統(tǒng)設計基礎上，可得工裝系統(tǒng)的控制邏輯，圖5給出了側墻工裝系統(tǒng)的控制流程圖。

圖5 側墻工裝系統(tǒng)控制流程

車體側墻的制造過程中，首先進行生產前的準備，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，將設備上電，并確定列車型號是否為系統(tǒng)內預設的車型。若生產車型為新車型，操作員需在觸摸屏界面上手動將錄入該車型的各項信息，保存至工裝系統(tǒng)內。接著，由操作員指定生產車型。

指定生產車型后，將各伺服運動系統(tǒng)上電，啟動液壓站，使得柔性工裝系統(tǒng)中的橫梁支撐單元依照車體型號，驅動電機將各組水平驅動機構、升降驅動機構和支撐機構就位，以點陣式尼龍塊擬合出整體形狀輪廓，使其適應于該型號的側墻鋁型材接觸面形狀。

側墻鋁合金型材吊裝至焊接位置，依次放入柔性工裝設備中。壓緊單元通過旋轉和伸縮，調節(jié)壓緊位置，將側墻型材向下壓緊。驅動預制撓單元的各組電機，完成對工件的裝配定位，以及對側墻的預制撓度的自動調節(jié)。

型材組焊的順序為先正裝后反裝，正裝后完全松開各壓緊器和拉緊器，將工件平穩(wěn)起吊，調整反裝。重復上述流程，完成側墻的焊接。

3 實施效果

經過長時間的現(xiàn)場運行驗證，該數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)能夠兼容高速列車車體側墻的組焊變形控制，可以滿足8種以上列車產品側墻的柔性化生產。根據生產需求的變化，能夠實現(xiàn)不同產品之間的快速轉產，自動化轉產調整耗時不超過2小時。該工裝系統(tǒng)能夠滿足組焊前的撓度預制，即側向滿足預制撓度的尺寸為最大點撓度值和最小點差值在20mm范圍內。工裝調整或轉產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)達到了預期的效果。工裝系統(tǒng)現(xiàn)場照片如圖6所示。

圖6 數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)現(xiàn)場照片

4 結語

本文設計研發(fā)了高速列車車體側墻數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)，包括橫梁支撐單元、基礎梁單元、壓緊單元和預制撓度單元等機構，伺服運動控制、液壓及光電傳感器等外置裝置由主PLC控制器驅動，外置觸摸屏實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控和人機交互。該系統(tǒng)可以根據車體型號的變化，通過伺服電機調整位置及改變液壓缸壓緊裝置來完成不同型號車體側墻的生產需求。除內置的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化，實現(xiàn)工裝的柔性化生產。該系統(tǒng)操作便捷、自動化、柔性化、數(shù)字化程度高，極大地提高了列車車體側墻的生產效率和制造質量。