摘 要：文章旨在將動車組車下設(shè)備艙組裝的焊接生產(chǎn)模式從過去的單一化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗥贩N共線生產(chǎn)，以降低組裝工裝調(diào)整任務(wù)量，提高調(diào)整效率和精度，并實現(xiàn)多種車型設(shè)備艙組裝的順暢切換，便于批量生產(chǎn)并提高產(chǎn)品質(zhì)量。故而為動車組車下設(shè)備艙組裝焊接生產(chǎn)提出一種柔性化智能制造焊接工裝，以及側(cè)梁、橫梁、構(gòu)架總成等關(guān)鍵部件的生產(chǎn)工藝和工藝布局。通過現(xiàn)代控制技術(shù)尋求最優(yōu)化的控制向量，使系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)達到預(yù)先設(shè)定的優(yōu)化準(zhǔn)則。通過柔性化生產(chǎn)減少冗余和不必要的損耗，力求為企業(yè)創(chuàng)造更大的利潤。通過RS 485總線N個運動單元相連，檢測電壓是否存在異常，當(dāng)電壓異常時，低電壓檢測電路切斷對驅(qū)動部件的供電，從而降低工裝調(diào)整任務(wù)量和企業(yè)成本，提高調(diào)整效率和精度。由此可見，該研究有利于項目的利益最大化。

關(guān)鍵詞：焊接工裝設(shè)備系統(tǒng)；柔性化設(shè)計；智能裝備制造；柔性化生產(chǎn)；現(xiàn)代控制技術(shù)；人機交互

中圖分類號：TP29 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-0-03

0 引 言

隨著批量生產(chǎn)逐漸被適應(yīng)市場動態(tài)變化的生產(chǎn)替代，適應(yīng)市場動態(tài)的制造業(yè)正在逐步取代大規(guī)模生產(chǎn)。在互聯(lián)網(wǎng)智能制造等一系列戰(zhàn)略規(guī)劃和發(fā)展策略的支持和推動下，傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)逐步實現(xiàn)了現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，智能制造領(lǐng)域發(fā)展迅速。然而，在柔性制造、生產(chǎn)節(jié)奏要求較高的制造車間中，由于需要滿足焊接后產(chǎn)品的穩(wěn)定狀態(tài)，保證承載工裝的傳輸設(shè)備的強度、重復(fù)性和安全性，以及焊接過程中工裝的穩(wěn)定性等要求，機械基礎(chǔ)設(shè)計周期會更長，需要使用更多的高強度材料，甚至更多輔助設(shè)備。這將導(dǎo)致項目規(guī)劃設(shè)計周期延長，需要采購多種類型的外部標(biāo)準(zhǔn)件，大幅增加了不確定性和后期安裝的難度。這些因素將消耗過多的資源，直接或間接地增加項目開支。此外，此舉還會增加生產(chǎn)線的數(shù)量、后期運行的維護以及設(shè)備管理的難度，甚至?xí)下\營進程。

1 整體設(shè)計理念

1.1 項目運用現(xiàn)代控制技術(shù)

在給定系統(tǒng)狀態(tài)方程、初始條件以及具體的限制條件下，尋求最優(yōu)化的控制向量，使得系統(tǒng)的輸出狀態(tài)達到預(yù)先設(shè)定的優(yōu)化準(zhǔn)則[1]，或者在給定的指數(shù)函數(shù)中找到一個最佳的結(jié)果。將這些限制和目標(biāo)需求通過數(shù)學(xué)形式表達出來，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化，將這些問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化控制的問題。而當(dāng)被控對象受外界因素影響時，最優(yōu)化控制器的設(shè)計參數(shù)需要不斷地修正，以確保其在全過程中都能夠達到最佳目標(biāo)?；谀Ｊ絽⒖嫉淖赃m應(yīng)控制技術(shù)就是通過調(diào)整系統(tǒng)的輸入/輸出狀態(tài)向量，對其進行修正或者生成附加信號，使其具有更好的特性。而以上也是近年來這一學(xué)科得到快速發(fā)展、成為現(xiàn)代控制研究領(lǐng)域一個重要發(fā)展方向的原因。

1.2 項目運用智能制造理念

智能制造是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)。它在制造過程中能進行許多智能活動，如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等[2]。通過人與智能機器的合作，智能制造將擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。智能制造理念更新了制造自動化的概念，可將其擴展到柔性化、智能化和高度集成化領(lǐng)域。

1.3 項目運用柔性化工裝技術(shù)

柔性工裝的定義是指通過調(diào)整、控制等手段來動態(tài)實現(xiàn)所需的工裝定位的彈性體曲面柔性定位技術(shù)。柔性工裝技術(shù)基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系可重組的模塊化、自動化、裝配、工裝化特性，旨在免除設(shè)計和制造各種零部件裝配所需的專用固定型架、夾具等。企業(yè)可以利用智能化工裝技術(shù)提高工裝精度，減少工裝調(diào)整時間，節(jié)省工裝調(diào)整經(jīng)費，實現(xiàn)工裝柔性化、智能化等，從而降低工裝制造成本，縮短工裝準(zhǔn)備周期，減少生產(chǎn)用地，大幅度提高裝配生產(chǎn)效率。

2 總體方案設(shè)計

總體方案設(shè)計選用了穩(wěn)定可靠的工業(yè)級單片機來作為主要載體實現(xiàn)控制。將車型數(shù)據(jù)錄入控制系統(tǒng)，由工人選擇車型，然后點擊“執(zhí)行”，執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)驅(qū)動靠模完成調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)要求具備大量數(shù)據(jù)存儲能力、友好的人機界面、可靠的通信系統(tǒng)，并預(yù)留MES接口，執(zhí)行機構(gòu)需具備精準(zhǔn)的運行能力、強大的自鎖能力，重復(fù)精度高，并以低功耗運行保證使用壽命。通過提供一種動車組車下設(shè)備艙組裝工裝控制系統(tǒng)及控制方法，能夠降低組裝工裝調(diào)整任務(wù)量，提高調(diào)整效率及精度，并且實現(xiàn)多種車型設(shè)備艙組裝順暢切換，便于批量生產(chǎn)并提高產(chǎn)品質(zhì)量?？傮w設(shè)計流程如圖1所示。

3 控制系統(tǒng)及執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

3.1 總體設(shè)計方案

該方案控制系統(tǒng)的功能由人工和機器相互配合才能實現(xiàn)。項目的主要器件是帶有人機交互界面的主控制器，系統(tǒng)通過RS 485總線將N個運動單元相連接，在操作界面上進行人工操作，加之?dāng)?shù)據(jù)及運動機構(gòu)機械鎖的輔助[3]，從而保證操作的便捷性和穩(wěn)定性。它的運行模式是先將電源和傳感器接口與RS 485接口連在一起，再將控制系統(tǒng)通過RS 485接口電路與執(zhí)行機構(gòu)主板連在一起，從而與位置測量傳感器和接近傳感器等共同形成閉環(huán)控制，達到最終的執(zhí)行目的。

3.2 系統(tǒng)使用的具體方式

3.2.1 柔性化生產(chǎn)

柔性化生產(chǎn)要求在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人員組織、運作方式和銷售方式上進行變革[4]，同時還需采用一種將自動材料儲運系統(tǒng)和統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)相結(jié)合的工藝裝備，在不停工的條件下對多個零件的變形問題進行處理。因此，制造系統(tǒng)可以快速對不斷變化的市場要求做出反應(yīng)，在減少冗余和不必要損耗的情況下，力求為企業(yè)創(chuàng)造更大的利潤。

3.2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用帶有人機交互界面的主控制器，其通過RS 485總線將N個運動單元相連，采用該設(shè)計的主要目的是考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以選取RS 485總線作為通信載體，以簡化操作流程。RS 485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。再加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)；并且RS 485用于多點互聯(lián)時非常方便，可以節(jié)省信號線。控制系統(tǒng)實物和原理如圖2和圖3所示。

3.2.3 執(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)通過RS 485接口電路連接至執(zhí)行機構(gòu)主板，由主板驅(qū)動電機實現(xiàn)單元移動，然后與接近傳感器、位置測量傳感器形成閉環(huán)控制[5]。但是關(guān)于位置信息反饋方式的確定，考慮了傳感器式反饋和自反饋兩種形式，而這兩種形式都因成本過高或其他原因無法達到要求。所以，本文選用了一種新型步進減速電機，它兼顧了步進電機和伺服電機的特點，其輸出端帶有100∶1的兩級星形減速器[6]，尾部采用光學(xué)編碼器，可以每50 μs完成一次高速采樣與位置反饋，實現(xiàn)偏差自修正，并且由于采用了大減速比，使得其可在不上電的情況下保持強力自鎖。執(zhí)行機構(gòu)原理如圖4所示。

4 項目創(chuàng)新點

（1）采用相對坐標(biāo)組校準(zhǔn)代替零點坐標(biāo)校準(zhǔn)[7]。相對坐標(biāo)是指相對于前一坐標(biāo)點的坐標(biāo)，選用該校準(zhǔn)方式能夠降低錯誤率，提高準(zhǔn)確性。

（2）采用任務(wù)完成記憶和掉電記憶兩種方式確保對位置信息的精準(zhǔn)記憶。掉電記憶電路包含IC芯片，擁有電壓檢測電容記憶單元以及可擦寫存儲單元[8]。其中的IC芯片可用于控制記憶單元中電壓檢測電容的電壓，可擦寫存儲單元用于掉電記憶，當(dāng)電路在使用過程中掉電時可保護IC芯片的當(dāng)前參數(shù)。工作原理：掉電后通電，通過IC芯片將檢測電容的電壓與預(yù)定電壓進行對比，根據(jù)預(yù)定的電壓值，檢測電容的電壓是否不小于預(yù)定電壓，依據(jù)對比結(jié)果來判斷是否調(diào)用可擦寫儲存單元內(nèi)保存的當(dāng)前工作參數(shù)。由于電壓檢測電容并未向IC芯片[9]供電來維持當(dāng)前工作狀態(tài)，因此降低了環(huán)境溫度和濕度的影響，進而減小了工作參數(shù)記憶時間的波動。

（3）選用帶反饋的步進減速電機驅(qū)動靠模運行，實現(xiàn)閉環(huán)反饋。新型步進減速電機兼顧了步進電機和伺服電機的特點，其輸出端帶有100∶1的兩級星形減速器，尾部采用光學(xué)編碼器，可以每隔50 μs便采樣位置反饋，實現(xiàn)偏差自修正，并且由于采用了大減速比，使得其可在不上電的情況下保持強力自鎖。帶反饋的步進減速電機實物如圖5所示。

（4）簡化操作界面，技術(shù)人員錄入信息后，即可實現(xiàn)一鍵操作?？刂葡到y(tǒng)實物的部件從上到下包括人機控制界面（實物顯示屏）、數(shù)據(jù)及運動機構(gòu)機械鎖（運動單元、坐標(biāo)數(shù)據(jù)）主控制器、線性電源。技術(shù)人員錄入信息后，工人無需反復(fù)調(diào)試，只需找到相關(guān)按鍵即可實現(xiàn)一鍵操作，可避免因工人“不了解”而造成不必要的影響。

（5）采用機械鑰匙數(shù)據(jù)鎖和運動機構(gòu)鎖能夠有效防止誤操作。采用機械鑰匙數(shù)據(jù)鎖和運動機構(gòu)鎖雙保險設(shè)置，當(dāng)人為操作失誤時可迅速鎖死數(shù)據(jù)并挽救，避免或減輕誤操作帶來的影響。

（6）采用低功耗設(shè)計，待機功耗小于200 W。裝置系統(tǒng)采用降低供給電壓、電容和減少翻轉(zhuǎn)次數(shù)等方法來降低靜態(tài)功耗、動態(tài)功耗、翻轉(zhuǎn)功耗、內(nèi)部功耗，保證能源的有效利用。

5 安裝及使用

運動單元的安裝、控制機柜信息顯示、原車型切換與現(xiàn)車型切換如圖6、圖7、圖8所示。

6 結(jié) 語

本文將柔性化、智能化的思維成功應(yīng)用到企業(yè)項目上，設(shè)計了一種適用于多單元運動機構(gòu)的穩(wěn)定、快速、高精度的協(xié)調(diào)控制方法，并且縮短了工藝準(zhǔn)備周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省了成本，同時預(yù)留MES接口，為公司實現(xiàn)智能化工廠積累寶貴的經(jīng)驗[10]。由此可見，現(xiàn)方式與原方式相比，從費用、時間、精度等方面考慮，現(xiàn)有方式更有利于實現(xiàn)項目的利益最大化。

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作者簡介：孫佳慶（2003—），男，研究方向為自動化。

孟繁星（1993—），男，碩士，講師，研究方向為電氣工程。

收稿日期：2023-12-06 修回日期：2024-02-01

基金項目：2023年大連理工大學(xué)城市學(xué)院教育教學(xué)研究基金立項課題：“互聯(lián)網(wǎng)+”校企合作新模式的研究─以電氣工程及其自動化專業(yè)為例（JXYJ2023012）；遼寧省民辦教育協(xié)會教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度立項課題：民辦高?！靶Ｆ蠛献鳌毙履Ｊ降难芯浚↙MJX2023201遼民教協(xié)發(fā)[2023]2號）