鐵路客車鉤舌自動(dòng)焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)制造及運(yùn)用

敖朝凱，徐 偉，江 勇

（中車成都機(jī)車車輛有限責(zé)任公司，四川成都 610511）

1 研究背景與意義

目前，中國(guó)的鐵路車輛中25 型客車被廣泛應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)車輛與車輛之間的連接完全是通過(guò)車鉤來(lái)實(shí)現(xiàn)的。車鉤鉤舌S 面之間的相互咬合使2 個(gè)鉤舌得以連接。因此，車鉤是鐵路車輛的重要配件，在車輛運(yùn)行中傳遞牽引力和沖擊力。

列車車鉤有車輛連接、牽引和緩沖3 項(xiàng)功能，起到連接各節(jié)車廂的作用。在使用過(guò)程中，懸掛的車鉤鉤舌會(huì)產(chǎn)生很大的牽引力和撞擊。鉤舌是列車最關(guān)鍵的聯(lián)結(jié)部件，在高速列車上經(jīng)常受到很大的沖擊和磨損，必須經(jīng)常進(jìn)行更換或修理。據(jù)了解，我國(guó)大多數(shù)鐵路客車檢修企業(yè)對(duì)車鉤鉤舌的檢修采用人工加氣體保護(hù)焊的焊接方式，只有極少企業(yè)實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)焊接，從工件裝夾到焊槍運(yùn)動(dòng)焊接沒(méi)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，生產(chǎn)效率低、不能滿足生產(chǎn)需求。但采用更換新鉤舌的方式打通生產(chǎn)瓶頸，將大大增加企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。

隨著鐵路交通運(yùn)量的增加，需要修理的鉤舌數(shù)量也隨之增加。現(xiàn)有的檢修方式與現(xiàn)代軌道交通極不協(xié)調(diào)。因此，開發(fā)一種高效、便捷、適用的鐵路客車鉤舌自動(dòng)焊接設(shè)備具有重要意義。

2 研究?jī)?nèi)容

了解國(guó)內(nèi)外鐵路貨車鉤舌焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造現(xiàn)狀，深入分析自動(dòng)鉤舌焊接機(jī)的主要結(jié)構(gòu)、工作原理、控制邏輯和焊接工藝。通過(guò)對(duì)自動(dòng)焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用進(jìn)行分析，決定按照3 個(gè)模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]，主要內(nèi)容有：①四軸數(shù)控焊接機(jī)構(gòu)，包括焊槍移動(dòng)單元及旋轉(zhuǎn)焊接平臺(tái)的設(shè)計(jì)，利用可編程控制器編程實(shí)現(xiàn)焊槍3 個(gè)方向的移動(dòng)和精準(zhǔn)定位，同時(shí)實(shí)現(xiàn)工件夾具定位，滿足疊加焊接的要求；②人機(jī)操作部分，重點(diǎn)是對(duì)控制面板和人機(jī)界面的操作進(jìn)行分析；③確定自動(dòng)焊接設(shè)備的操作流程，包括焊前準(zhǔn)備、焊接、調(diào)整焊槍、單步焊接、完成焊接工作和更換工件，分析各項(xiàng)操作中需要注意的事項(xiàng)。

3 鐵路客車鉤舌自動(dòng)焊接設(shè)備設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備設(shè)計(jì)要求

3.1.1 功能要求

鐵路客車鉤舌焊接設(shè)備應(yīng)具備氣體保護(hù)焊功能，包括1 個(gè)焊接工位和1 個(gè)整備工位。鉤舌裝夾方式簡(jiǎn)單可靠，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序化焊接，且焊接參數(shù)滿足工藝要求。配備焊煙凈化處理裝置，各部件牢固，執(zhí)行器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)靈活可靠，便于維修。

3.1.2 經(jīng)濟(jì)性要求

機(jī)械設(shè)備應(yīng)具備經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在生產(chǎn)率高、效率高、能耗低、原材料和輔助材料消耗少、管理和維修費(fèi)用低等方面。

3.1.3 其他要求

為使操作者更加舒適和安全，應(yīng)設(shè)置完善的安全保護(hù)、監(jiān)控報(bào)警、顯示設(shè)備等，方便操作人員實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的工作狀態(tài)。設(shè)備的設(shè)計(jì)必須滿足職業(yè)安全規(guī)定。

3.2 夾具設(shè)計(jì)

仿形加工夾具在機(jī)床上應(yīng)用廣泛，但在自動(dòng)焊接機(jī)上使用不多。如果按常規(guī)思維設(shè)計(jì)鉤重焊接夾具，應(yīng)將鉤重的支撐孔與工件底部進(jìn)行定位，但由于鉤舌在長(zhǎng)期磨損過(guò)程中，支撐孔的大小已不準(zhǔn)確，而且每個(gè)零件的磨損程度都不同，如果用鉆孔來(lái)定位，則S 面的形狀不能得到保證。

對(duì)于鉤舌而言，只要能精確地匹配到S 形表面，并確保S 形的精確，其精度就會(huì)得到很大改善。首先大致定位支撐孔，再將鉤舌圍繞孔眼旋轉(zhuǎn)，使之與模具接觸。在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)時(shí)，模具沿著其軸向上移動(dòng)，以避免與鉤舌S 面摩擦，從而確保鉤舌S 面彼此靠近。鉤舌和舌頭重量超過(guò)40 kg，不易自己移動(dòng)，因此夾持裝置非常簡(jiǎn)單。當(dāng)工件被固定好后，旋進(jìn)固定銷，插進(jìn)快速換擋墊片，然后緊固螺帽。

3.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鉤舌自動(dòng)焊接設(shè)備的開發(fā)過(guò)程中，傳送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，將影響焊接質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)基本原理是：工件裝夾在工作臺(tái)上固定不動(dòng)，焊槍固定在夾具上，夾具可以在垂直方向（X 方向）上下移動(dòng)、水平方向（Y 方向）左右移動(dòng)、在X—Y平面前后（Z 方向）運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊槍在3 個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)。焊槍的軌跡可以通過(guò)控制夾具的3 個(gè)電機(jī)的速度和方向來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.4 旋轉(zhuǎn)焊接臺(tái)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)焊接臺(tái)的動(dòng)力來(lái)自直流伺服電機(jī)，通過(guò)調(diào)整電壓改變電機(jī)的速度，不需要額外的減速機(jī)構(gòu)。伺服電機(jī)接收來(lái)自控制單元（PLC）的指令信息，可以精確控制機(jī)械系統(tǒng)執(zhí)行器——精密工作臺(tái)的位移。工作臺(tái)由滾珠絲杠和滾柱導(dǎo)軌組成，摩擦因數(shù)低、運(yùn)動(dòng)靈活，可以保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)快速、精確、高效的運(yùn)動(dòng)。這種方案的缺點(diǎn)是：L 形夾具本體的突出部分過(guò)長(zhǎng)，工件和夾具的總重量較大，容易使夾具本體彎曲變形，而且工作臺(tái)材料為鋁合金，材料強(qiáng)度較低，承受重壓后容易變形，可能影響焊縫仿形精度，尚需要進(jìn)一步改進(jìn)。

3.5 焊槍運(yùn)動(dòng)控制

通過(guò)PLC 編程控制焊槍的擺動(dòng)和焊接工件的轉(zhuǎn)動(dòng)。為保證焊接成形，鉤舌的S 形面始終保持在船形和水平的狀態(tài)。所以，為了實(shí)現(xiàn)S 形表面的自動(dòng)堆焊，需要不斷地調(diào)整工件的位置。為降低焊槍使用次數(shù)，提高焊槍工作效率，使焊槍沿縱向擺動(dòng)，從而增加焊料的沉積。焊接槍的運(yùn)動(dòng)使常規(guī)的自動(dòng)堆焊工藝向擺動(dòng)式焊接工藝如圖1 所示。焊接順序?yàn)?→2→3→4（擺動(dòng)）→5（擺動(dòng)）一6（擺動(dòng)）→7（擺動(dòng)），如在第1 道焊縫由a 為起點(diǎn)焊至b 點(diǎn)，再由第2 道焊縫的c 點(diǎn)焊至d 點(diǎn)，如此循環(huán)。

圖1 焊槍的焊接順序控制示意

3.6 焊接流程

3.6.1 焊接前的準(zhǔn)備工作

每次通電之前，應(yīng)檢查電源電壓是否正常，三相電壓是否平衡，接線是否正確；打開氣源，檢查動(dòng)力氣源的氣壓是否正常；打開保護(hù)氣體，調(diào)正和檢查保護(hù)氣體的壓力和流量。查看機(jī)器上有無(wú)雜物，旋轉(zhuǎn)焊接平臺(tái)上是否有工件。若有工件，工件是否夾好，防止開機(jī)時(shí)未夾穩(wěn)的工件或其他器物被旋出、卡住，造成事故。

3.6.2 開機(jī)后的檢查及調(diào)整

完成開機(jī)前的檢查后即可開機(jī)，合上電源，打開焊接電源上的“電源開關(guān)”；按下主控柜上的“機(jī)組啟動(dòng)”按鈕，整機(jī)上電。四軸數(shù)控和焊槍開機(jī)后必須先回零。將待焊鉤舌放在整備工位上，踩下腳踏開關(guān)，夾緊氣缸動(dòng)作，夾緊桿伸進(jìn)鉤舌的軸孔內(nèi)，檢查加緊狀態(tài)及鉤舌S 面的角度，若孔位未對(duì)正，可再次踩下腳踏開關(guān)，氣缸縮回。可反復(fù)踩下腳踏開關(guān)，直到夾好。裝夾好鉤舌后，扳動(dòng)工件換位開關(guān)，平臺(tái)旋轉(zhuǎn)，將待焊鉤舌送到焊接工位。

3.6.3 焊槍到位

按下“焊槍到位”按鈕，使焊槍和工件從初始位置（零位）運(yùn)行到焊接位置，調(diào)整量可調(diào)和確認(rèn)。

3.6.4 焊接操作

按下“焊接”按鈕，第一層焊接開始。當(dāng)?shù)谝坏篮附油瓿珊螅春附拥竭_(dá)鉤舌的另一端時(shí)，焊接自動(dòng)停止。焊接電流和焊接電壓：按預(yù)置的規(guī)范組取得，該機(jī)共設(shè)有4 組規(guī)范，分別為規(guī)范1、規(guī)范2、規(guī)范3 和手動(dòng)規(guī)范。它們安裝在控制箱的右邊。這樣，在不同的焊接層數(shù)可以通過(guò)界面來(lái)預(yù)置，有多種焊接規(guī)范供用戶選擇。

由于該機(jī)主要用于大厚度、大面積的堆焊，焊接時(shí)焊槍的擺動(dòng)很有必要。該機(jī)專門為擺動(dòng)設(shè)置了一個(gè)擺動(dòng)參數(shù)預(yù)置界面。通過(guò)畫面，可以預(yù)置和調(diào)整擺動(dòng)參數(shù)：擺動(dòng)幅度、擺動(dòng)速度、邊沿停留時(shí)間等。調(diào)節(jié)這些參數(shù)，可以獲得不同的焊縫成形。

通過(guò)界面可以預(yù)置每層焊縫的焊接速度，當(dāng)需要堆焊較厚的焊道時(shí)速度可慢一點(diǎn)，反之則可快一些。

在人機(jī)界面上，通過(guò)對(duì)焊接速度、焊接電流規(guī)范、擺動(dòng)參數(shù)的預(yù)置，可以組合成滿足鉤舌堆焊的各個(gè)位置、各種不同厚度、不同寬度、不同焊縫外觀的要求。這些參數(shù)在下一個(gè)鉤舌的焊接時(shí)能自動(dòng)重現(xiàn)。

3.6.5 焊槍單步調(diào)整和焊接

當(dāng)?shù)谝粚雍附油瓿珊螅聪隆皢尾健卑粹o，焊槍和工件同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行第二次調(diào)整，調(diào)整量可以通過(guò)人機(jī)界面來(lái)預(yù)置。焊接工人對(duì)焊槍與工件的相對(duì)位置確認(rèn)后，按下“焊接”按鈕，開始第二道焊縫的焊接。當(dāng)焊機(jī)自動(dòng)完成第二道焊縫后再按下“單步”按鈕，焊槍和工件再一次自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后按下“焊接”按鈕，繼續(xù)下一層焊接，直到完成全部焊接。每一單步的工件和焊槍的偏移調(diào)整量都是按照界面上的預(yù)置量來(lái)確定的，因此這些參數(shù)的預(yù)置量要通過(guò)大量的焊接試驗(yàn)和修改才能得到，最終獲得每步準(zhǔn)確的偏移量。

3.6.6 完成焊接和更換工件

焊接完成后，按下“回零”按鈕，焊槍和工件同時(shí)自動(dòng)回到初始位置。即：工件（N 軸）下移到最低位置；焊槍（X 軸）右行到右端頭；焊槍（Y 軸）提升至最高位置；焊接行走軸（Z 軸）行走到最近位置。

旋動(dòng)工位選擇開關(guān)，工位平臺(tái)旋轉(zhuǎn)，將已焊完的鉤舌從焊接工位旋出，將待焊工件旋入焊接工位。如工件沒(méi)有回零，則焊接平臺(tái)不旋轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路客車鉤舌自動(dòng)焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用，采用自動(dòng)控制設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊修方式，解決了焊接質(zhì)量問(wèn)題，降低員工患職業(yè)病的風(fēng)險(xiǎn)，提高焊接效率，為企業(yè)降低人工成本，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。