基于轮廓防错的侧梁组装工装设计

李 颖，张国龙，柳士强，佟国臣

(中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035)

0 引言

结构设计是工装设计的基础，巧妙的机械结构不仅能降低成本、简化操作，而且能增强制造的可靠性，提高产品质量。铁路车辆的转向架构架侧梁是一个焊接的箱型结构，生产中主要采用手工装配的方式。传统组装工艺为方便工件放入和取出组装胎，采用一侧固定定位、另一侧开放的定位方式。此种定位方式只能保证一侧的组装精度，另一侧的组装精度需要通过手工检测等其他的检测方式来保证，导致装配效率低，劳动强度大；并且如果操作者疏忽未对其进行检查，容易造成错装，影响产品质量。在汽车制造、航天等领域，多采用检测系统对装配过程进行防错检测，如徐丽夫等提出的发动机活塞环装配机能够在发动机装配中自动检测活塞环的正反面[1]，尹旭悦等提出的动态手势识别对乱序操作和延迟操作有较好的防错效果[2]，李佳林等提出的变速箱生产线物料装配拧紧防错系统可对整个拧紧过程进行监控[3]，Westerfield G 提出采用增强现实技术对工件进行追踪[4]，Dudek-Burlikowska M等提出了过程改进的质量方法[5]。上述这些检测主要是保证制造过程中的工艺顺序不出错，针对是否执行了操作进行了检测，而没有对来件的实物质量及装配结果进行检测；并且由于电器结构较为复杂，前期投入和后期使用维护成本均较高。为了能够对待组装件准确定位并对不合格件进行检测，设计了基于轮廓防错的组装工装，通过简单合理的结构设计，用传统机械方法，不仅能够更加准确的定位，而且有效防止了组装错误的蔓延和产生。

1 侧梁结构及工艺分析

构架侧梁主要由上盖板、下盖板、两个形状相同的立板以及多个用于连接两个立板的筋板等零件组成，立板与上盖板、下盖板相互垂直[6]。生产时，需要先将立板与筋板组装成框架结构后再组装上盖板、下盖板，为保证各部件尺寸达到设计要求，首先要确保两立板组装时相互平行且对齐，不允许错位。生产中采用侧装的方式，即将立板板面水平放置于组装胎的水平基准面上，为保证两立板对齐，在组装胎上设置了三个垂直于水平基准面的定位档，两个设置在立板上盖板一侧，另一个设置在立板一端，用这三个定位档将两个立板找正；在与定位档相对的一侧设置顶紧装置，将组装完成的立板压紧。这种方式工件的出胎、入胎都很方便，但是对组装人员的作业过程要求极多，需要组装人员沿着立板外形轮廓，用方尺逐一位置的检测两立板是否对齐，受人为因素影响较大。为此，设计制作了防错的组装工装，具有以下优点：①固定定位档、定位器和压紧装置的配合使用，完成了对工件的准确定位，不需要使用方尺逐一检测，避免了由于疏忽、遗忘造成的人为差错；②定位器由固定定位部件、活动定位部件以及压紧部件组成，方便了工件在组装胎的放入和取出；③各个定位档的位置按照零件的外形轮廓间隔设置，能够对来料的外形轮廓进行检测，防止不合格零件的非预期使用。

2 工装的结构设计

为了提高产品制造的可靠性，有效保证侧梁的产品质量，坚持结构简化的原则[7]，工装采用了全封闭式结构设计，按照工件的外形轮廓，在决定产品外形轮廓的关键位置设置定位档，对上一道加工周边工序的产品质量进行检测的同时，为产品组装工序进行了准确的定位，为下一步生产提供了基础保证。

2.1 工装的整体结构

此侧梁组装工装如图1所示，采用模块化设计[8]，由四个模块组成：用于支撑各个部件并提供水平基准的工作台；为工件半周提供定位作用的固定定位档；在另外半周(与固定定位档相对的一侧)提供定位作用的定位器；用于压紧工件的压紧装置。其中，平台、固定定位档、压紧装置与传统设计一致，工装通过定位器的结构设计和灵活使用，解决了工件在全封闭工装中出胎难的问题，使工装在准确定位的同时，实现了防错功能。

图1 组装工装

2.2 定位器

定位器(如图2所示)既提供了固定定位，又通过结构转换，让固定定位与工件保持了距离，是工装的全封闭结构得以实现的关键部件。定位器由固定定位部件、活动定位部以及压紧部件组成。压紧部件通过一个连接臂将丝杠固定于固定定位部件上，并通过旋动丝杠将活动定位部件靠近或远离固定定位部件。固定定位部件固定安装于工装的工作台面上，与工件外形保持固定距离，并为活动定位部件提供基准(基准a1、a2)。活动定位部件主体为T型结构，提供3个基准，其中两个基准(基准b1、b2)在同一平面上，与固定定位部件的基准a1、a2进行配合；第三个基准(基准c)在距基准b1、b2具有预定距离的平面内，通过旋转压紧部件的丝杠，与工件接触或远离。固定定位部件的基准面a1、a2和活动定位部件的面b1、面b2紧密接触，进行配合时，活动定位部件的基准面c与固定定位档的基准面配合在一起按照立板外形轮廓的理论尺寸构成了全封闭结构。

图2 定位器

3 工装的使用

3.1 定位与压紧

首先，旋转定位器压紧部件的丝杠，将其活动定位部件与固定定位部件分离，这时组装胎处于开放状态，有利于将待组装的立板顺利依次放入组装胎；然后，将放入组装胎的立板一侧靠近组装胎的固定定位档，使其一侧外轮廓与固定定位档紧密接触；这时，反方向旋转定位器压紧部件的丝杠，使活动定位部件的基准面b1、b2靠近固定定位部件的基准面a1、a2，活动定位部件的基准面c靠近工件另一侧外轮廓，当活动定位部件到达极限位置时，完成两立板的定位和检测基准的设置。此时，可用压紧装置将工件压紧，随后可对其关键的外形尺寸进行检测。工件组装完成后，旋转定位器压紧部件的丝杠，再次将其活动定位部件与固定定位部件分离，这时可顺利卸下组装完成的工件。

3.2 防错功能的实现

根据定位器所处状态，针对不同情况采用不同措施对来料是否合格以及定位是否准确进行判断。

(1)若活动定位部件基准面b1、b2已与固定定位部件基准面a1、a2紧密接触，而活动定位部件基准面c与工件外轮廓仍然存在间隙，说明工件尺寸小于理论正值，可用塞尺检测活动定位部件基准面c与工件外形的间隙是否超出下差值来判断工件是否超下差。

(2)若活动定位部件基准面c已与工件外形紧密接触，但活动定位部件基准面b1、b2仍未与固定定位部件的基准面a1、a2接触，这时需要检查两个立板的外部轮廓是否均与活动定位部件基准面c紧密接触，若已接触说明工件尺寸大于理论正值，可用塞尺检测各个活动定位部件基准面b1、b2与固定定位部件基准面a1、a2的间隙是否超出上差值来判断工件是否超上差。若其中一个立板的外部轮廓与活动定位部件基准面c存在间隙，则需要先通过检测此间隙，来判断两立板的相对位置是否符合组装定位公差要求，若超出组装位置公差0.5 mm的尺寸要求，则需要卸下工件，修磨此立板或者选配其他立板；若不超出公差要求，按上述已接触时的方法检测工件是否超出上差值。

综上所述，只有在两立板尺寸存在差异，并且其中一个立板处于理论值上差时，需要通过工装来检测两立板的尺寸差，以此来判断两立板的定位是否准确，在其他情况下，工装利用自身结构就能保证定位准确，从而有效避免了定位不准导致组装超差的问题发生。此工装通过检测不同位置的间隙尺寸来判断工件是否合格，若间隙在公差数值范围内，则可判定工件合格，继而进行点固焊(在上述活动定位部件基准面c与工件外轮廓仍然存在间隙的情况下，可在间隙处楔入调整垫，使定位更加准确，压紧更加牢固)；若间隙超出公差数值，即可以判定工件超出公差要求，由此判定工件不合格，此时需要将工件不合格的位置标出后，卸下工件，这样有效防止了不合格件的非预期使用。

4 总结

准确定位和有效防错是保证产品制造稳定性的关键，是推进工装设计持续改进的动力。工装设计从使用需求出发，全封闭结构增强了定位的准确性；用决定工件外形轮廓的关键位置定位提高了不合格品的检出率，保证了产品制造的可靠性和质量的稳定性，起到了有效防错的效果；定位器通过简单巧妙的结构设计，使固定定位具备了“可移动”的功能，工件能够无障碍放入和取出组装胎，简单便捷实用。

此外，值得一提的是，在工装设计中，很多情况因工件定位形成了封闭结构导致出胎困难而放弃了基准统一原则，导致累积误差增加，而灵活使用本文中介绍的定位器能够有效解决这一问题。