零點快換系統在城軌構架智能產線工裝切換的運用

劉秋月， 渠源， 郭廷銀

（中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001）

0 引 言

隨著高速鐵路的快速發展，機車生產制造過程極為復雜，設備與工藝種類繁多，其中工裝切換過程由于傳統工藝設備的局限性需耗費大量的時間和人力，是導致生產效率較低的原因之一。另一方面，公司產品逐漸由單一車型、大批量的生產模式逐漸向多車型、小批量轉變，工裝的切換更加頻繁，傳統的工藝裝備明顯已經不能滿足高效簡單生產的需要[1]。零點快換系統具有高效的自動轉換、自動夾緊及快速拆裝等特點，能夠極大地提高工裝換型的自動化程度和切換效率[2]。因此對零點快換系統的研究具有重要的現實意義。

1 零點快換系統概述

1.1 零點快換系統的產生和意義

零點快換系統最早是為解決汽車行業多型號發動機在同一條生產線制造的問題而提出的。目前國內常用的Vero-S零點快換系統是由德國雄克（SCHUNK）開發的夾持系統，因其具有自動定位、夾緊、完全密封及免維護等特性，多用于汽車制造、軌道車輛等需要高效、高精度生產的場合[3]。Vero-S零點快換系統幫助用戶實現工裝夾具與變位裝置的快速定位夾緊，縮短更換、調整工裝夾具的時間，提高了產品工裝的換型效率[3]。

1.2 零點快換系統的特點

零點快換系統是一種合理、科學、先進的用于工裝快速切換的系統。在重型機械加工中，常用定位接頭結構的零點快換系統，其主要由定位接頭（拉釘）和夾緊模塊組成，拉釘一般安裝在工裝夾具上，夾緊模塊與變位裝置相連。拉釘與夾緊模塊之間通過精確定位的標準接口，實現工裝夾具與變位裝置的快速準確定位和緊固連接。同時，零點快速系統具有自動鎖緊功能，夾緊模塊通過氣壓可以實現拉釘自由進出壓緊模塊，控制工裝的快速拆裝和夾緊[4]。圖1是零點快換系統的結構圖。

2 存在問題及問題分析

公司每年為世界各地提供大量的機車（高鐵、動車和地鐵等），生產任務繁重。近幾年，公司產品逐漸由單一車型、大批量的生產模式逐漸向多車型、小批量轉變，涉及到工裝的頻繁更換，傳統工藝裝備表現出了明顯的局限性。轉向架在車體運行過程中具有提供動力、支撐車體、減震、制動等作用，構架是轉向架的基礎框架，其組焊過程復雜，涉及的工藝裝備繁多，多車型、小批量的生產模式的轉變更突顯了其工藝裝備的不足。

圖1 零點快換系統結構

以城軌構架側梁工裝為例，側梁焊接機械手工作站常采用L形或頭尾架變位裝置形式，工裝夾具與變位裝置采用螺紋緊固方式連接。待用工裝一般存放在工裝庫房內，換型時，首先將待用工裝從庫房轉運至生產現場，同時將在用工裝從變位裝置拆下并轉運至工裝庫房封存。由于不同車型梁體長度不一，換型時還需要調整變位裝置主、從端之間的距離，將變位裝置調整至合適距離并采用地腳螺栓固定以防工裝旋轉變位時發生傾倒，然后將待用工裝通過螺紋緊固方式連接在變位裝置上，如圖2所示。

圖2 傳統工裝與變位裝置的連接

這種傳統連接方式存在很多不足，主要體現在：

1）工裝互換性差。由于不同工作站變位裝置接口設計規范及標準不統一，連接點位置、接口形式及采用的螺栓規格等細節的多樣性，導致不同車型的工裝互換性差。差的互換性導致在面對產品換型時，工裝不具備迅速調整生產方向的能力。

2）工作效率低下。待用工裝、在用工裝遷出、遷入庫房需要花費較多的時間和勞動力。此外，工裝夾具與變位裝置的螺紋緊固連接方式決定了每次更換工裝需要耗費大量的時間拆卸、安裝工裝，降低了生產效率，不符合公司對車間生產精益管理的要求。

3）存在大量無效勞動。傳統工作站換型時變位裝置主動端不動，將工裝與變位裝置一端先組裝好，再移動變位裝置的另一端與工裝連接。由于工裝支撐母梁長度規格多樣化的制約，更換新工裝時需要重新調整變位裝置主從端之間的距離，這個過程需要多人同時協助，多次反復調整變位裝置從動端，產生了大量無效勞動。這些無效勞動不產生任何經濟效益，生產過程應該避免。

3 零點快換系統在智能產線工裝切換的實施步驟

由上述傳統工裝切換分析和總結不難看出，傳統工裝切換過程復雜，切換效率極低。城軌構架側梁工裝從A產品切換到B產品的4個過程為：A產品 工裝切換（吊運工裝+拆裝工裝+調整工裝夾具+其他時間） B產品。

從以上過程可以看出，縮短工裝切換過程中4個步驟的時間可以提高工裝的切換效率。零點快換系統可以實現工裝夾具與變位裝置的定位夾緊和快速拆裝，并通過傳感的運用省去調試的時間。通過引入零點快換系統可以實現城軌構架智能產線工裝切換柔性化的提高[5]。

根據傳統工裝切換及智能產線生產特點，從以下3個方面著手引入零點快換系統：1）變位裝置主、從動端增加通用過渡連接裝置，實現工裝夾具與變位裝置的接口統一；2）通用過渡連接裝置與工裝夾具的連接采用零點定位系統，實現工裝的精確定位和快速拆裝；3）改造現有工裝夾具，使其具有可以實現不同長度梁體調整的軌道及適用于通用過渡連接裝置的接口。

3.1 區分內外部作業

把傳統工裝切換的4個過程區分為內部作業和外部作業，通過優化內、外部作業的方式，縮短換型時間，提高工裝切換效率。表1為構架側梁工裝切換時的內、外部作業。

表1 構架側梁工裝切換時的內、外部作業

3.2 轉換作業的實施

工裝換型時，如果能夠標準化工裝，就可以免去每次換型時工裝的拆裝時間、調整時間。預先準備操作條件，大大節約換型時間，將內部作業轉化為外部作業，就可以在設備工作階段完成操作，增加設備運行時間。這些措施都有助于提高工裝的切換效率。故轉換作業可從以下幾個步驟來實施。

3.2.1 縮短內部作業轉換時間

傳統工裝換型時，拆裝工裝、調整變位裝置間的距離是工裝換型的主要操作，占據了大量的時間和勞動力。縮短這部分操作時間，提高工裝切換的自動化，對工裝切換效率的提高極為有利。

1）功能化、標準化工裝—通用隨行工裝的設計。設計通用隨行工裝，其上既有與過渡連接裝置相連的專用接口，也有適合不同長度梁體的軌道，滿足不同長度梁體的定位夾緊要求。把工裝標準化、功能化，省去調整變位裝置主、從端之間距離的時間，縮短工裝的換型時間，同時減輕了工人的勞動力，提高了工裝的切換效率，通用隨行工裝如圖3所示。

圖3 通用隨行工裝

2）預先準備操作條件—夾緊模塊與過渡連接裝置連接。預先將夾緊模塊與過渡連接裝置連接，在后續的工裝換型時不需要重新連接，縮短了工裝換型時間，提高了設備利用率。

連接夾緊模塊的過渡連接裝置整體成呈L形，采用鋼結構整體焊接后加工而成，連接裝置各組裝面加工夾緊模塊、傳感裝置、導向裝置以及其他輔助電氣元件安裝接口，如圖4所示。

圖4 夾緊模塊與過渡連接裝置連接

夾緊模塊在過渡連接裝置工作平面上呈“品”字形設計，用于通用隨行工裝X，Y，Z三方向的定位，并夾緊通用隨行工裝。

導向裝置位于通用連接盤工作平面的中心位置，主要用于工裝下落時的粗導向，同時導向裝置還有防止通用工裝側向防落功能。

傳感裝置位于過渡連接裝置工作平面靠內側中心位置，用于檢測工裝是否下落到位及夾緊模塊是否夾緊拉釘，同時向焊接機械手PLC自動傳遞相關信息。

3）預先準備操作條件—拉釘與通用隨行工裝連接。根據焊接機械手臺位過渡連接裝置夾緊模塊設計，拉釘在通用隨行工裝上的分布與過渡連接盤夾緊模塊一一對應，也呈品字形分布。在拉釘中心位置設計與過渡連接座導向裝置連接接口，同時設計與傳感裝置相對應的出發裝置，為存放通用隨行工裝防止碰傷拉釘，設置拉釘防護支架[6]。拉釘與通用隨行工裝具體連接結構如圖5所示。

3.2.2 將內部作業轉換為外部作業

將內部作業轉換為外部作業，可以在機器運行的情況下作業，可縮短換型時間，提高設備的實際運轉時間。

過渡連接裝置與變位裝置的連接。過渡連接裝置與工裝夾具的接口通用、統一，在整個工裝系統中的功能為連接工裝夾具和變位裝置，過渡連接裝置在變位裝置上為一次性螺紋緊固安裝，工裝換型時不重復操作，在一定程度上節約了換型時間。

3.2.3 縮短外部作業轉換

傳統模式下，待用的工裝夾具儲存在庫房，需要換型時從庫房吊運至車間。這個過程需要耗費大量的時間且人工參與度高，嚴重降低了換型速率。

智能制造車間通過改進工裝存儲和輸送方式的方法縮短外部作業轉換時間。產線建立了三維立庫用于存放工裝，立庫與自動焊工作站之間通過RGV小車由系統控制工裝和產品的上下料。產品換型時，RGV小車首先將自動焊工位的工裝從變位機上取走，送入立體庫存放，再將立體庫中的待用工裝取出并轉運至相應自動焊工位完成工裝自動安裝固定；整個過程完全由系統控制，不需要人工的參與，且由于待用工裝儲存在現場，大大降低了工裝轉換的時間，提高了工裝換型速率。

圖5 拉釘與通用隨行工裝連接圖

4 獲得的成果

智能制造產線通過引入零點快換系統及其他配套設施，實現了工裝儲存在現場，系統控制RGV小車自動上下料，通用隨行工裝與變位裝置的準確定位夾緊和快速拆裝，節約了勞動力，大大提高了工裝換型效率，滿足了產線工位制節拍化的生產需求。為了更好地計算引入零點快換系統后帶來的工裝切換效率的提升，以寧波4號線側梁自動焊工裝切換為例，分別對兩種切換方式的工作流程進行分析，如表2、表3所示。

表2 傳統工裝切換流程

表3 引入零點快換系統后的切換方式

由表2、表3不難看出，兩種工裝切換方式在切換流程和人工參與度方面有很多不同。傳統工裝切換方式共需6步操作，且需要多人參與，共用時310 min。而智能制造產線引入零點快換系統，通過RGV自動轉運工裝，無需人工的參與，產品切換流程簡化，且每步所需時間極短，僅用時10 min，相對于傳統工裝切換方式，工裝切換效率提升了97%。

零點快換系統的運用極大地提高了工裝的切換效率，工裝切換效率的提升帶動了構架各部件生產速度的加快，從而提高了構架的生產速度。而構架的生產速度又是整個轉向架生產進程中的瓶頸，其生產速度的提高加快了整個轉向架的生產進程。

5 結 語

通過零點快換裝置在城軌構架智能產線自動焊接工裝上的應用，有效地解決了通用隨行工裝在自動焊工位上的快速高效的自動轉換、自動導向定位、自動夾緊及快速拆裝等問題，極大地降低了換型時工人的勞動強度，提高了工裝換型的自動化程度和切換效率，使該產線滿足了多項目、小批量、柔性化、智能化的生產需求。