一种用于轨道交通门框的柔性焊接工装

郭希峰

摘要：本文阐述了一种用于轨道交通门框焊接的柔性焊接工装，从设计原理到机械和电气功能实现，到应用成效，粗略展现了柔性工装在智能制造中的重要作用。

-关键词：焊接门框;柔性工装; 智能制造;

0 引言

近年来，由于我国各大城市轨道交通建设的不断深入，轨道交通车体的外观和形状不断刷新人们的感官。给城市和城际间出行带来便捷的同时，轨道交通已成为国家和各城市的一张靓丽名片。由于各城市的地铁外观是由最终业主，也就是当地的地铁运营公司决定，造成各城市的地铁形状各不相同，甚至同一个城市的各条线路也相差较大，可谓五花八门，百花齐放！与日俱增的车型种类也造成轨道交通门体的种类水涨船高，康尼公司作为国内轨道交通门系统主要供方，深感压力。由于产品种类多，工装模具仓库不断扩张。仓储占地居高不下的同时，上百套的焊接工装对资金的占用也不容忽视。设计和制造一种柔性焊接工装，减少焊接工装的数量，以压缩工装模具库存，成为越来越迫切的需求。

1 柔性焊接工装的设计

1.1 柔性焊接工装目标产品选取

柔性焊接工装相比传统的专业工装，适应性强，自动化程度高，但造价也高。所以，目标产品必须具备以下几个特点：

1）产品具有类似的曲线轮廓，可以实现参数化建模;

2）产品族覆盖范围广，产值高、数量大;

综合以上，选取了城市轨道交通地铁乘客室门门板框架作为柔性焊接工装的目标产品，最终成功研制和量产应用在焊接机器人工作站中，2年就收回了投资，实现了较好的经济效益。

1.2 参数化建模

城轨地铁门框的轮廓曲线大多数采用两条线段加一段圆弧组成。两条线段有一定角度，由一段圆弧曲线连接起来，圆弧曲线与两侧线段都相切。结合城轨地铁门框的曲线结构特点，参数化建模确定了几条设计原则：

1）轮廓曲线中，以两条线段的延长线相交点为设计尺寸基准点和角度旋转轴心;

2）长度方向从基准点出发，沿线段向上档方向为正方向，向下档方向为负方向，计算尺寸;

3）宽度方向以门框的前档边线为基准，向后档方向为正方向，计算尺寸;

4）角度以两条线段0度起始，向内弯曲为角度正向，转化为伺服电机的直线运动;

通过参数化建模，将各档的定位尺寸转化为坐标值，为伺服电机的布置提供了蓝图。

1.3 机械结构设计

结合参数化建模的主要设计原则，对各零件的自由度实现进行了分析，以前档为锚定零件，最终通过6个伺服电机实现了后档、上档、下档、中间支撑的位置移动和角度的柔性调整。

1. 前档是基准点所在的零件，所以固定前档工装定位块的位置，保证前档的装配位置固定不变。角度的变化有单独的伺服电机，依据实际产品做变化。

2. 后档在宽度方向上相对前档平行运动，以2个伺服电机分别实现两段直线段的移动，圆弧部位避让，直线段部位各自两个定位块和相应的压紧气缸。

3. 上档、下档和中间支撑档在长度方向上互相平行，沿轮廓曲线的直线段运动，以3个伺服电机实现移动，各档都有两个定位块和相应压紧气缸。

4. 不同产品的角度不同，以两段直线的相交点为圆心，延宽度方向延长形成旋转轴，1个伺服电机带动一边直线段绕旋转轴转动，达到角度变化的目的。

伺服电机移动机构，采用丝杆螺母副，带动定位模块在直线导轨上移动。导轨的极限位置安装激光传感器，用于定位伺服电机返回机械零点。

由于焊接飞溅较大，各伺服电机的电源和信号线都需要进行防高温保护，防止飞溅把导线绝缘层熔穿，造成短路。同时，飞溅也会在导轨和丝杠等运动部件上积聚，时间长了导轨与滑块间隙被飞溅阻塞，最终导致丝杆卡死无法运动。为解决以上问题，采用可伸缩金属波紋管做护套，可以有效解决导线的防护问题。但运动部件的表面防护还没有较好的措施，只能靠增加清理频次解决。

工件的压紧采用旋转气缸压紧，压紧时，在上升和下降动作的同时，压头以气缸中心做90度旋转，保证在压紧时压住工件，松开时又能让开定位块位置，方便工件装夹。气缸的供气管线也要用金属护套防护，防止被焊接飞溅击穿。

1.4 电气功能实现

电气系统采用PLC控制，实现了5个线性变量和1个角度变量的可视化参数编辑控制。系统为可触摸显示屏，具有多组参数记忆功能，在不同项目进行柔性切换时，能够实现一键换型，大大提高了工装的自动化水平。

新项目时，将电气控制箱与工装相连，首先一键回机械零点，再根据图纸设定6个参数值，经过零件安装调试微调后，以图纸编号保存参数。换型确定后，断掉电源，将信号线从工装的航空插头上拔下来。项目相互切换时，首先连接信号线，打开电气箱电源，首先一键回机械零点，调出待换型的图纸编号，一键换型。一键换型时，需要注意检查工装表面无干涉，所有压紧器打开，防止换型时撞坏。

需要提到的一点是，6个伺服变量的零点控制是实现系统控制的关键。如果不能准确回零点，在不同产品进行柔性切换时就会产生误差。

2 柔性焊接工装的应用

2.1 经济效益

柔性焊接工装的投入使用，直接减少了专用焊接工装的投入数量，当年就减少投入12套专用焊接工装，节省工装投入成本20多万元。

2.2 生产效率的提高

柔性焊接工装的使用，实现了不同型号产品的一键换型，大大缩短了传统专用工装的换型时间，将换型时间由120分钟压缩到了20分钟，提高了单班的焊接产能。

2.3 不足与改进

虽然柔性焊接工装有很多优点，但相比传统专用工装也不是毫无瑕疵。

因为过多的考虑柔性，在设计时需要满足很多型号的产品，所以限制条件较多，牺牲了部分工装的性能，比如底部支撑的刚性，压紧装置的刚性，长期使用后体现的抗变形能力差就是集中的体现。由于多采用丝杆、导轨和滑块结构保证模块间的柔性运动，丝杠的配合间隙随着使用时间的延长会越来越大，导致精度下降。

改进方式在后面的机型上得到应用。一方面从设计源头上优化产品结构，尽力减少结构的差异化，进行产品统型。单面焊缝的集中设计，使焊接机器人从一个面就可以完成，从而给加固刚性提供了可能。另一方面，结合实际应用经验，对易发生问题的部位进行加固和防护设计。经过以上两个方面的努力，柔性工装的性能得到了提升。

3 展望

“中国制造2025”的实现越来越近，机器换人和智能制造的浪潮势不可挡，在未来制造业向柔性化定制化发展的方向上，柔性工装设备会越来越多的出现在工业生产中。随着柔性工装的不断升级换代，柔性制造工艺和智能制造必将迎来辉煌的明天！