（机械工程专业论文）铁路货车端墙柔性组焊单元的研究与应用.pdf

摘要 摘要 铁路货车生产品种众多，货车端墙结构形式各异。以往端墙组焊采用刚性工艺装备， 更换一个品种需要更换或调整一套组焊装备，存在准备周期过长、装备利用率低、生产 成本高等问题。通过本课题的研究，目的是要适应多品种、小批量、快节奏市场变化要 求，实现不同车型间的快速转产、降低制造成本，实现铁路货车端墙组焊装备柔性化目 标，并为我国铁路货车大部件组焊采用柔性工艺装备提供理论和实践指导。 本课题针对柔性组焊系统在汽车、船舶、工程机械等行业广泛应用及其在铁路货车 制造行业的落后现状，对比铁路货车系列产品的端墙结构和生产工艺，分析了当前组焊 系统的性能特点和技术难点，对组焊装备柔性化的可能性进行了研究，同时对柔性端墙 组焊单元的经济效益进行了分析。首先，采用现代设计方法，对端墙组焊装备的功能进 行了分解，制定了柔性组焊装备的设计方案，而后对其进行了布局设计和结构设计；其 次，采用成组技术原理和模块化设计理论，研究了组焊装备柔性化的若干关键技术，深 入分析柔性工艺装备的构形和组合及其组成模块的结构特征，提出了组焊单元的柔性结 构方案，对其进行了柔性化和标准化设计。 通过本课题的研究，突破了端墙组焊装备柔性化若干关键技术，创新开发了端墙制 造工艺过程中端墙正面组对和焊接工位的端墙柔性组焊单元，设计实现了成组技术、信 息技术和机电一体化，单元组合实现系列化、标准化、模块化。实践应用和综合评价证 明，端墙柔性组焊单元根据产品变化需要，能够快速重构、性能可靠，缩短铁路货车生 产准备周期、减少工艺装备重复制造准备工作量、提高生产效率、降低制造成本。该项 技术达到国内同行业领先水平。 关键词：货车端墙；柔性技术；组焊单元；综合评价 大连交通大学t 程硕士学位论文 a b s t r a c t a m o n gt h ep r o d u c t so fm a n yv a r i e t i e so ft h ef r e i g h tw a g o n s ，w a g o ne n dw a l ls t r u c t u r ei s d i f f e r e n t t h ep a s t ，u s ear i g i dw e l d i n ge q u i p m e n t ，r e p l a c e m e n to fas p e c i e sn e e dt ob e r e p l a c e do ra d j u s t e di na s e to fw e l d i n ge q u i p m e n t ，t h e r ei sp r e p a r a t i o nc y c l ei st o ol o n g ，a n d e q u i p m e n tu t i l i z a t i o ni sl o w ，t h ep r o b l e mo fh i g h e rp r o d u c t i o nc o s t s t h r o u g ht h et o p i c s ，t h e a i mi st oa d a p tt om a n yv a r i e t i e s ，s m a l lb a t c h ，f a s t - p a c e dc h a n g e si nt h em a r k e td e m a n dt o a c h i e v er a p i dc o n v e r s i o n sb e t w e e nd i f f e r e n tm o d e l s ，r e d u c i n gm a n u f a c t u r i n gc o s t s ，t oa c h i e v e f l e x i b l eg o a l so fw e l d i n ge q u i p m e n tt ot h ef r e i g h tw a g o n se n dw a l l ，a n df o rf r e i g h tw e l d i n g l a r g ep a r t sf l e x i b l ep r o c e s se q u i p m e n tu s e dt op r o v i d et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lg u i d a n c e t h e t o p i co ff l e x i b l ew e l d i n gs y s t e m s f o rt h ea u t o m o t i v e ，m a r i n e ，e n g i n e e r i n gm a c h i n e r y ， e t c w i d e l yu s e da n di t sa p p l i c a t i o ni nf r e i g h tw a g o n sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yb e h i n dt h e s t a t u s q u o ，c o m p a r e dt o t h ef r e i g h tw a g o n se n dw a l ls t r u c t u r ef a m i l yo fp r o d u c t sa n d p r o d u c t i o np r o c e s s e s ，a n a l y s i so ft h ec u r r e n tw e l d i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ef e a t u r e sa n d t e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s ，t h ef l e x i b l ew e l d i n ge q u i p m e n t ，t h ep o s s i b i l i t yo fas t u d y ，w h i l et h e f l e x i b l es i d ew a l lo ft h ee c o n o m i cb e n e f i t so fw e l d i n gu n i t sw e r ea n a l y z e d f i r s to fa l l ，u s i n g m o d e m d e s i g nm e t h o d s ，r i g h t s i d ew a l l ，w e l d i n ge q u i p m e n t ，t h ef u n c t i o n a l i t y o f d e c o m p o s i t i o n ，d e v e l o p e daf l e x i b l ew e l d i n ge q u i p m e n t ，d e s i g n ，t h e nl a y o u ta n ds t r u c t u r a l d e s i g n ；s e c o n d l y ，t h eu s eo fg r o u pt e c h n o l o g yp r i n c i p l e sa n dm o d u l a rd e s i g nt h e o r yt os t u d y t h ef l e x i b l ew e l d i n ge q u i p m e n t ，an u m b e ro fk e yt e c h n o l o g i e s ，i n - d e p t ha n a l y s i so ff l e x i b l e p r o c e s se q u i p m e n tc o n f i g u r a t i o na n dc o m b i n a t i o no ft h e i rc o m p o n e n tm o d u l e s ，s t r u c t u r a l f e a t u r e s ，m a d eo ff l e x i b l ew e l d i n gc e l ls t r u c t u r eo ft h ep r o g r a ma n dt oc a r r yo u tt h ef l e x i b l e a n ds t a n d a r d i z e dd e s i g n t h r o u g ht h er e s e a r c hp r o j e c t s ，b r o k et h r o u g ht h ee n dw a l lo ff l e x i b l ew e l d i n ge q u i p m e n t ， an u m b e ro fk e yt e c h n o l o g i e s ，i n n o v a t i v em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sd e v e l o p e dae n dw a l l ，e n d w a l lf a c i n gt h ep r o c e s so fg r o u pa n dt h ee n dw a l lo fw e l d e r sb i tf l e x i b l ew e l d i n gu n i t d e s i g n e da n di m p l e m e n t e di n t oag r o u po ft e c h n o l o g y ，i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a li n t e g r a t i o n ，m o d u l a rr e a l i z a t i o no fs e r i a l i z a t i o n ，s t a n d a r d i z a t i o n ， m o d u l a r i t y p r a c t i c a la p p l i c a t i o na n dc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns h o w st h a te n dw a l lo f f l e x i b l ew e l d i n gu n i ta c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t sc h a n g en e e d st oq u i c k l yr e c o n s t r u c t ，r e l i a b l e p e r f o r m a n c e ，s h o r t e np r o d u c t i o np r e p a r a t i o nc y c l eo ff r e i g h tw a g o n s ，r e d u c ed u p l i c a t i o no f m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sa n de q u i p m e n tt op r e p a r et h ew o r k l o a d ，i m p r o v ep r o d u c t i v i t ya n d r e d u c em a n u f a c t u r i n gc o s t s t h et e c h n o l o g yh a sr e a c h e dd o m e s t i cl e a d i n gl e v e li nt h es a m e i n d u s t r y k e yw o r d ：w a g o ne n dw a l l ；t e c h n o l o g yo ff l e x i b i l i t y ；f l e x i b l em a n u f a c t u r ec e l lo f g r o u pw e l d i n gt o o l s ；c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蔓交通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：刮够 日期：锣口c 7 年i1 月f7 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蔓塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整壅通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 。 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者张参卜哆 日期：工口d7 年f ，月f7 日 导师签名：彩色起永膨 日期：j 护d 罗年月夕日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：气未- 锦屯蕴文通浆铴限知乞刁电话：矿灯2 哆尹多易形口，多7 护住) ，形 通讯地址：靖专口钵辛曰节百涛苦。考 邮编： ，6 口 电子信箱：5 b 哆u n 【 u 函l 6 弓乙口m 绪论 绪论 随着经济的发展，社会对产品多元化、低成本及短周期等方面的需求日趋迫切，作 为国民经济命脉的铁路运输行业同样如此。行业的需求促使铁路运输装备产品不断更新 换代。以铁路货车为例，近年来按照铁路货运高速、重载、多元化发展方向【，铁路货 车多品种、小批量、快节奏的市场需求逐渐明朗，传统的制造技术已经不能完全满足企 业生产经营的需要；同时，有限的市场份额迫使铁路货车制造企业之间的竞争日趋激烈， 这就要求企业要在保证质量的前提下，以最快的速度、最低的成本，实现不同型号货车 车型的转产，所以，铁路货车制造企业的装备现代化不仅在行业上是大势所趋而且在企 业中也追在眉捷。 组装焊接是铁路货车生产制造中最重要的环节之一，因此，组焊装备柔性化程度和 自动化水平直接影响到企业对市场的响应能力和自身的经济效益。以齐轨道装备公司为 例，目前采用专用性强的刚性装备，更换一种车型需更换或调整一整套工艺装备，部分 装具的设计时间、制造周期、安装调试累计超出4 0 6 0 天，每次转产所涉及的装备制造 费用平均为5 0 万元左右，装备设计制造落后导致产品质量不稳定、生产效率低下、成 本浪费严重。当今制造业的精密化、自动化、柔性化、集成化、信息化和智能化的发展 趋势，诞生了许多先进制造技术和先进制造模式，使得我们在铁路机车车辆制造装备的 更新改造中能够学习和借鉴，柔性制造技术即为其中具有代表性的一种。 柔性化概念自1 9 6 7 年由英国莫林斯公司提出以后，得到不断的发展和完善，形成了 柔性制造系统理论。一般所谈及的柔性制造系统通常是指在批量切削加工中以先进的自 动化和高水平的柔性化为目标的制造系统，而随着柔性制造技术的日益完善，其应用领 域不断拓展，柔性制造系统由单纯机械加工型进一步向以焊接、装配、检验及板材加工 乃至铸、锻等制造工序兼具的多功能柔性制造系统过渡发展。8 0 年代后，制造业自动化 进入一个崭新时代，即基于计算机的集成制造时代，柔性制造系统已成为各工业化国家 机械制造自动化的研制发展重点1 2 j 。作为柔性制造系统的组成部分，柔性制造单元则以 其功能齐全、结构简单和成本低廉的优势，成为柔性制造系统研发应用的热点。 本课题以各种铁路货车端墙组焊装备为研究对象，研究端墙正面组焊单元的夹具焊 具组成结构柔性化和二者之间的联动联控等控制系统柔性化问题，最终完成端墙柔性组 焊单元的设计与应用。 铁路货车端墙一般由上端梁、角柱、横带及端板等组焊成，按照工艺要求和质量标 准，组焊装备应能高质高效地完成端墙的组对、夹紧、焊接等工序过程，而且针对不同 种类、不同型号的端墙能够实现通用、兼容，充分体现其对精益生产、敏捷制造、快速 大连交通大学t 程硕十学位论文 反应等新型制造业企业的实际产品生产工序的支持1 3 】。目前，随着柔性制造及其相关领 域技术的发展以及柔性工装、焊接设备等配套产业的完善，实现铁路货车组焊装备柔性 化的技术条件已经基本成熟。 通过借鉴上述成熟技术应用和相关产品的组配设计，完成现用端墙组焊装备向柔性 组焊单元的转化，以使其达到制造柔性的度量要求为目标【4 j ： 适应各类敞、棚、漏斗车的各种车型端墙制造柔性要求，达到范围柔性。 使转产准备期缩短7 0 以上，装备资源利用率达8 0 以上，达到反应柔性。 装备使用可靠、性能稳定、拓展性强、故障率低、维护性好，达到状态柔性。 在柔性组焊单元的研制和开发中，通过相关行业调研和产品特征分析，建立功能模 型，在柔性组焊单元设计中，充分展现智能化设计理念、体现如下特征： 应用成组技术、模块化设计技术，按功能将装具细分为组对、焊接等系列化、 标准化的模块单元，通过柔性化结构形式运用，实现简约模块单元的快速调整和精确定 位，最终建立模块、组合式的柔性组焊装备。 应用c a d 技术，通过建立基础元件库、组焊夹具库、组焊焊具库以及端墙产品 数据库，实现信息资源共享，缩短设计周期。利用p r o e 技术，通过三维虚拟环境进行 工程计算分析和装配过程仿真，提高装备可靠性。 应用数控技术、通讯技术、微电子技术、计算机技术，实现单元模块之间的信 息互通、联动联控，实现以硬件为基础、以软件为手段，通过人机界面操控，快速、高 效完成组焊装备针对同类不同族产品的系统调整。 综上所述，端墙柔性组焊单元的研制与应用，不仅能够使铁路货车制造企业在货车 组装中端墙生产工序的现用工艺装备得到性能、产能的提升，也能够为车体其他大部件 的组焊工序的工艺装备改造提供实践经验和理论指导，并促进现代制造方法和先进生产 模式在铁路货车制造行业的推广和应用，具有一定的产业效益和社会意义。 2 第一章柔性组焊单元相关领域技术的历史与现状 第一章柔性组焊单元相关领域技术的历史与现状 1 1 柔性制造技术的产生背景与发展趋势 1 1 1 柔性制造技术的产生背景 “柔性 是相对于“刚性而言的，刚性自动化生产线因其生产效率高，装备利用 率高，单件产品成本低，所以能够适应二十世纪制造业中以标准产品大批量生产为主导 的生产模式。随着社会的进步和生活水平的提高，市场对产品多样化、低成本以及短周 期等需求日趋迫切，因此，当今企业的生存和发展在很大程度上依赖于它是否具备在很 短的周期内开发生产出低成本、高质量的多元化、多样化产品的能力。为了适应市场变 化，1 9 6 7 年，英国莫林斯公司首次提出柔性制造系统的基本概念，经过不断发展完善， 柔性制造技术已经成为一门较为成熟的专门学科。 广义上的柔性可以表述为系统适应外部和内部变化的能力；在生产制造业，制造柔 性则具体体现为制造系统及系统元件对产品多样性和系统内外各种变化及不确定性的 适应能力。这种能力从系统功能实现的角度，可以简单定义为范围柔性、反应柔性和状 态柔性三个方面，而随着研究的不断深入和专业的相互融合，制造柔性的宽泛性和复杂 性在设计柔性、工艺柔性、生产柔性、机器柔性、操作柔性、维护柔性、路径柔性、物 流柔性、运行柔性、扩展柔性等方面得以全面体现和准确量化，搭建起完整的制造柔性 的框架知识体系i 引。 因此得出结论，凡是侧重于柔性，适应于多品种、小批量的加工技术都属于柔性制 造技术，它是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和。柔 性制造技术是多专业密集型的技术群，是当今制造业向模块化、集成化、自动化、信息 化及智能化的过渡过程中最具代表性的一种先进制造技术。在制造技术、自动化技术、 微电子技术以及信息通讯等技术的基础上，在计算机及其软件的支撑下，柔性制造技术 将以往企业中相互独立的工程设计、生产制造及经营管理等过程，构成一个覆盖整个企 业的完整而有机的系统，以实现总体运行高效化，全局动态最优化。 柔性制造技术作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技，为未来机构制造工厂 提供了一幅宏伟的发展蓝图，必将成为二十一世纪机构制造业的主要生产模式。 1 1 2 柔性制造技术的发展应用 柔性制造技术不仅在生产实践中的应用实例不胜枚举，而且与精益生产( l e a n p r o d u c t i o n l p ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g - a m ) 、虚拟工厂( v i r t u a lf a c t o r y v f ) 3 大连交通大学一【：程硕十学位论文 等当今先进制造技术和先进制造模式研究紧密联系【6 】，相辅相成。按照柔性制造技术概 念建立起来的生产制造模式我们称之为柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m f m s ) ，关于f m s 的定义很多，比较权威的有： 美国国家标准局将其定义为：“由一个传输系统联系起来的一些设备，传输装置把 工件放在其他联结装置上送到各加工设备，使工件加工准确、迅速和自动化。中央计算 机控制机床和传输系统，柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。 国际生产工程研究协会指出：“柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统，在最 少人的干预下，能够生产任何范围的产品族，系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的 产品族的限制。” 而我国国家军用标准则定义为：“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置 和计算机控制系统组成的自动化制造系统，它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务 或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。 简单地说，f m s 是由数字控制加工设备、物料储运系统和信息控制系统组成的并能 根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。 目前反映工厂整体水平的f m s 是第一代f m s ，二十世纪九十年代，日本开始实施 属于第二代f m s 的“智能制造系统 ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m i m s ) 国际性开 发项目，而真正完善的第二代f m s 预计本世纪十年代后才会实现。届时，智能化机械 与人之间将相互融合，柔性地全面协调从接受订单货至生产、销售这一企业生产经营的 全部活动。 1 2 柔性焊接装备的发展历史与应用现状 1 2 1 柔性焊接设备的发展现状 焊接设备主要包括焊机及其辅助设备和焊接配套器具。 首先，焊机制造行业历经改革开放后的整合、发展，在电弧焊、气保焊、埋弧焊、 特种焊等门类的基础上，已经形成几十种系列，上百余品种，千余个规格的技术先进、 质量稳定的产品结构。 其次，焊接辅助设备所涉及的范围相当广，如坡口加工、焊接夹具、焊接变位机、 焊接操作机、焊件后处理设备等。其中，焊接操作机中的立柱横梁式操作机、焊接变位 机中的焊接滚轮架等已逐渐规范化、系列化。 另外，焊接配套器具如送丝机、焊枪及各类枪体的配件、附件，不仅已形成一定的 产业规模而且产品质量己接近国际水平。焊接装备的柔性化主要就是依靠这些焊接工艺 装备的成熟和进步而发展起来的。 4 第一章柔性组焊单元相关领域技术的历史与现状 目前，在国内外不同行业中，柔性焊接装备发展水平参差不齐，有通用性较强的焊 接机器人，也有针对产品开发的焊接专机和焊接生产线等。 ( 1 ) 焊接机器人 戎国虽然从8 0 年代开始在高校和科研单位开展焊接机器人的研究，也取得不少的 成果，但是由于机器人的研制没有和企业联合，长期没能形成有规模的产业。目前，我 国应用的焊接机器人9 0 以上是从德国c l o o s 、k u k a 、奥地利1 g m 等世界各知名机 器人厂家进口的i “，其余1 0 也大部分是昆山华恒焊接股份有限公司、唐山开元焊接机 器人系统有限公司等合资企业开发的转型产品，所以，目前我国焊接机器人应用还处在 初级阶段，且应用的行业分布并不均衡，也不够广泛。汽车制造企业中的焊接机器人占 全部焊接机器人的7 0 ，其余主要分布在工程机械( 1 0 ) 、摩托车( 6 ) 、铁路车辆 ( 4 ) 、锅炉( 1 ) 等行业。 幽1 _ 1 装载帆铲斗焊接机器人系统应用实例 f 塘1 1 w e l d i n gr o b o t o f t h es c o o p o f i o a d e 焊接机器人尽管柔性化程度较高，但也存在一些问题，如对零部件加工尺寸精度要 求高，对工装夹具装配精度要求高对操作维修人员的素质要求高等，所以也导致了设 备利用率较低，维护费用较大、产品调整适应期过长等问题。 ( 2 ) 焊接专机和焊接生产线 在汽车制造、船舶制造、工程机械、矿山机械、石油化工，工业锅炉、容器管道等 行业从简易工装、手工焊接到向半自动化、自动化焊接生产过渡的过程中，同焊接机器 人一样焊接专机和焊接生产线的研制与应用得到迅猛发展。如哈尔滨华崴焊切股份有 限公司开发研制的船舶多头t 型钢焊接生产线、昆山华恒焊接股份有限公司研制开发的 垒堡兰兰奎兰! ；矍堡= ! 兰堡至兰 叉车门架焊接专机、集装箱焊接生产线、唐山开元自动焊接装备有限公司开发研制的汽 车车架、车桥、座椅等焊接生产线、摩托车车架焊接生产线、移动式管道焊接工作站、 压力容器焊接专机、皮带机托辊焊接专机、敞热片焊接生产线等。 在焊接专机和焊接生产线的开发研制过程中，由于缺乏通用标准和行业规范，而且 存在行业上的、企业问的差异，导致这些焊接专机、焊接工作站和焊接生产线的研制开 发经历了从无到有、从有到专的过程，不仅使焊接装备使用企业增加了成本支出和等待 周期，同时也造成了焊接装备制造产业竞争混乱、产品无序。 图1 2 建筑h 型钢粱焊接生产线应用实例 f i g1 2 h - s e l - t o ns t e e lb e a m w e l d i n g i m e 1 2 2 柔性工装夹具的发展现状 柔性化的重点主要集中在机床和夹具两个方面，随着f m s 和计算机集成制造系统 ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m c i m s ) 的发展，柔性工装央具应运而生。 早在8 0 年代后期有的文献就谈到美国的6 5 的f l d s 只能加工同族的2 1 0 个品种， 而其余1 1 3 只能加工一种产品，主要原因之一就是仍在沿用专用夹具，因而央具就成为 制造系统实现真j 下柔性的瓶颈。9 0 年代以后，制造业中的竞争空前加剧，机械制造系统 欲适应这种变化必须具备较高的柔性，柔性己作为一个和质量、成本、生产率等量齐观 考虑的问题，柔性夹具理所当然成为开发的重点。 第一章柔性纽焊单元相关领域技术的历史与现状 柔性央具至今在机械切自u 行业已发展了3 0 多年，目前槽系和孔系柔性夹具已形成 标准化、系列化、模块化的“柔性”生产系统。但在焊接行业，焊接夹具一贯比较落后， 而且不受重视。各厂家自行开发设计制造的夹具专用性强、费时费工、成本非常高。 近几年欧美以及日本等工业发达国家，为适应多品种、快节奏生产需要，借鉴机械 切削行业柔性夹具和f m s 技术理念，在汽车工业、摩托车、自行车制造、钣金加工、 金属家具、工业管道f 法兰) 等轻工业广泛应用柔性组捍央具，如德国戴美乐( d e m m e l e r ) 公司和德国福斯特( f o r s t e r ) 公司研发的柔性焊接夹具。 国内上海韦戈技术工程有限公司率先引进国外专利，并在国内汽车制造业应用柔性 组焊夹具技术，同时北京蓝新特柔性装备技术有限公司在消化、再创新基础上，也研制 出了槽系和孔系组合的l x t - j 柔性夹具系统。虽然国内外柔性组焊夹具的应用范围有一 定发展，但只适宜较简单的平面构件、立体框架、箱体等焊接时的定位，目前仍停留在 轻型零部件组焊多品种生产。 圈1 3 三维焊接工作台 f i g1 3 t h r e e - d l m e m l o n a l w e l d i n g t a b l e l3 柔性组焊单元的理论依据与实现条件 1 31 柔性组焊单元的理论依据 柔性制造系统按照其规模大小及其构成的机床类型、柔性程度和生产效率的不同 可分为： ( 1 ) 柔性制造系统 大连交通大学t 程硕十学位论文 柔性制造系统通常包括3 台以上加工中心、数控机床( c o m p u t e rn u m e r i c a l c o n t r 0 1 c n c ) ，由集中控制系统及物料系统连接起来，可不停机情况下实现多品种、中 小批量加工管理。 f m s 是使用柔性制造技术最具代表性制造自动化系统，完善f m s 功能，由单纯机 械加工型f m s 进一步开发以焊接、装配、检验及钣材加工乃至铸、锻等制造工序兼具 的多种功能f m s 多功能方向发展势在必行。另外，f m s 还要与计算机辅助设计 ( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n c a d ) 和计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g c a m ) 技术相结合，向全盘自动化工厂方向发展【引。 ( 2 ) 柔性制造线 柔性制造线( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gl i n e f m l ) 处于单一或少品种大批量非柔性自 动线与中小批量多品种f m s 之间的生产线。由加工中心、c n c 或者专用机床组成，对 物料系统柔性的要求低于f m s ，但生产率更高，基本实现了生产线柔性化及自动化。 多品种、大批量的生产企业如汽车及拖拉机等工厂对f m l 的需求引起了f m s 制造 企业的极大关注。提高f m l 效率，研制开发价格低廉的金切、矫形、焊接等专用数控 机床替代通用的加工中心和数控机床将是f m l 的发展趋势。 ( 3 ) 柔性制造单元( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gc e l l f m c ) 柔性制造单元( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gc e l l f m c ) 的问世并在生产中使用约比f m s 略晚但柔性最高，可以视为小型f m s 。一般由1 2 台加工中心、工业机器人、c n c 及 物料运送存贮设备构成，具有适应多品种产品的灵活性，侧重于单机柔性化及自动化。 因为f m c 的投资比f m s 少得多而经济效益相接近，更适用大型企业产品研发阶段 中的中、小批量的产品结构和财力有限的中小型企业，所以目前国外众多厂家将f m c 列为发展之重，而普及适用于各种工艺内容的f m c 也必将推动f m s 的技术进步。 按照柔性制造系统理论，在焊接制造行业，柔性制造单元具体体现形式即为柔性组 焊单元。在不同行业、不同产品的焊接制造中，柔性组焊单元分为焊接机器人工作站、 由焊接机器人或由焊接专机与操作机【9 1 、变位机、柔性夹具、传输系统等组成的组焊单 元等多种类型，由于其在不同程度上具备对同类不同族产品的制造柔性，统称其为柔性 组焊单元( w e l d i n g - f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gc e l l w - f m c ) 。 1 3 2 柔性组焊单元的实现条件 ( 1 ) 设计条件 计算机辅助设计技术的成熟与发展，使w f m c 的设计得以便捷、可靠地完成。从 简单的线框系统、曲面造型系统、实体造型技术到参数化造型理论、变量化造型理论， 8 第章柔性组焊单元相关领域技术的历史与现状 从几何造型、计算分析、工程绘图到结构分析、优化设计、模拟仿真，c a d 技术不仅 使设计工作实现集成化、网络化和智能化，而且完全能够达到缩短设计周期、降低生产 成本、提高产品质量的目的。 在现代工业设计中，同属c a d 范畴的计算机辅助机械设计( c o m p u t e r - a i d e d m e c h a n i c a l d e s i g n c a m d ) 、计算机辅助夹具设计( c o m p u t e r - a i d e d f i x t u r e d e s i g n c a f o ) 、计算机辅助工艺设计( c o m p u t e r - a i d e dp i o c c s sp l a n n i n g c a p p ) 等技术 应用广泛。如，针对w - f m c 的机械系统，可以采用以p r o e 为代表的参数化造型技术； f r o e ( f r o e n g i n e e r ) 是现今展成功的参数化软件系统之一，在目前的三维造型软件领 域中占有着重要地位，并作为当今世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准而得到业界 的认可和推广。从概念设计、造型设计、模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、图纸 输出，直至生产加工成产品的全过程，p m _ e 完全胜任。 t 料矿 圈1 4 p r o e 在铁路货车转向架设计应用实倒 f i g 1 4 d e s i g n f r e i i 曲i c 缸b o g i e s b yp r o e 又如在w f m c 夹具系统设计中虽然关于柔性组焊夹具方面的c a f d 应用软件文 献报道在国内外还不多见，仍需以a u t o c a d 作为支撑平台，开发一些适合自己设计特 点的专业技术c a d 软件。但在过去的几十年中，经历了第一代交互式系统，第二代变 异式和生成式系统，c a f d 正在向第三代结构与应用的软件模式过渡l ”j 1 】，今后柔性 夹具的c a f d 系统将是基于特征的、自动化、智能化的集成系统，并将广泛应用成组技 术、人工智能、并行工程、特征技术和敏捷制造等几种先进制造技术的特点，变得更加 完善。 大连交通人学+ r 程硕十学位论文 ( 2 ) 制造条件 近年来，随着相关产业的发展，柔性焊接装备的研制趋于模块化和标准化。例如， 机械系统，包括焊接变位机、焊接操作机等，其基本结构都是由机体框架、传动系统、 走行部分等组成，制造技术的进步，使结构焊接、零件加工由繁入简；而直线导轨副、 滚珠丝杠副、气动元件、密封轴承、减速器、链条等标准化、系列化的专业配套产品产 业发达、质量稳定，使部件组配简便易行。 再如，焊接系统，一般包括焊枪总成和辅助设备两部分。无论组成焊枪总成的水冷 焊枪、焊枪微调、焊枪摆动、焊缝跟踪、弧高控制等机构还是组成辅助设备的焊接电源、 焊枪电缆、送丝机构、冷却水箱、烟尘捕集等配件，均己达到一定的产业配套规模，技 术成熟、型号齐全、质量稳定。 另外，为了适应不同行业的需求，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸 轮夹紧、气动和液压夹紧等快速夹紧功能部件不断地推陈出新，而且所有组件分门别类， 进行了标准化和系列化，互相匹配。选用最少的模块，就可以实现各种快速定位和夹紧 的功能，这种采用模块组合式的夹具系统，具备可重组性、可重构性及可扩展性等特点， 功能强、通用性好、利用率高、体现出良好的经济性。 本章小结 本章主要介绍了柔性技术产生背景和发展历史以及柔性制造装备在焊接行业的应 用现状，分析了柔性组焊装备今后发展趋势。阐明通过借鉴柔性制造及其相关领域技术 的研究成果与实践经验，完全能够实现铁路货车组焊装备柔性化的目标。 1 0 第二章铁路货车瑞墙组成制造技术及其组焊装备 第二章铁路货车端墙组成制造技术及其组焊装备 2 1 铁路货车端墙组成基本结构 2 11 铁路货车结构特点 铁路货车主要由车体转向架、制动装置、车钩缓冲装置等部分组成，车体由各种 零部件组焊成装货空问，按车体结构不同可分为敞车、棚车、平车、罐车、漏斗车等五 大种类，如图21 2 5 所示。敞车车体由底架、端墙和侧墙等组焊或铆接成装货空间， 没有车顶；棚车车体由底架、端墙、侧墙和车顶组焊成装货空间；平车车体一般只有底 架，有时设有可翻转式低边端墙、侧培；罐车车体由一个卧式桶形罐体作为装货容器； 漏斗车车体由底架、底架上的漏斗形卸货e l 、端墙和侧墙组焊成装货空问。 圈2 1 c 7 0 型敞车 f i g2 1 c 7 0 t y p eo p e n t o p w a g o n 图2 2 p 7 0 型棚车 f i g2 2p 7 0 t y p ec o v e r e d w a g o n 大连交通犬学工程硕士学位论文 圈2 3 x 4 k 型集装箱平车 f i g2 3 x 4 k t y p e f l a t w a g o n 图2 , 4 g q t o 型罐车 f i g2 4 g q t 0 t y p e t a n k w a g o n 圉2 5 c 3 2 l o 漏斗车 f i g2 5 ( 2 3 2 t y p eh o p p e r w a g o n 第二章铁路货车端墙组成制造技术及其组焊装备 2 1 2 端墙组成基本结构 铁路货车五大种类产品中，敝车、棚车、漏斗车都具有端墙组成，分为为直壁或l 型板柱式等结构类型，如图2 6 2 9 所示。敞车端墙组成由上端梁、角柱、横带及6 m m 厚端板等组焊而成直壁或l 型板柱式结构，上端梁和角柱均采用冷弯矩形钢管或槽钢， 横带采用断面高度为1 3 0 m m 的帽型或u 型冷弯型钢；棚车端墙组成f f i 1 4 0 上端梁、l 1 2 5 角柱、【1 4 0 端柱、3 m m 厚端板等组焊而成直壁板柱式结构；漏斗车端墙组成由上端梁、 角柱、端柱、4 m m 厚端板等组焊而成直壁或l 型板柱式结构，有的漏斗车端墙组成没有 上端梁和角柱，端板边为弧线。 2 2 铁路货车丛- i f i 】m j 回, z l z , 组成制造技术 2 2 1 工艺过程描述 ( 1 ) 产品技术要求 端板组焊后，平面度弋 1 5 m m m 。 端墙组焊后，高度公差q - 4m m ，宽度公差o 4m m ，对角线差、 8 m m 。 端墙组焊后，上端梁、横带或端柱、角柱组成等型钢全长直线度、 6 m m 。 ( 2 ) 生产工艺流程 板材、型钢预处理一板材、型钢下料矫正一端板、角柱、横带或端柱上料一定位、 组对、夹紧一点焊固定一端墙正面各部焊缝焊接一翻转一端墙背面组对一端墙背面各部 焊缝焊接一端墙矫正一端墙交验 2 2 2 冲压备料技术 ( 1 ) 板材、型钢均分别采用板材、型钢预处理生产线进行抛丸除锈，并预涂可焊 性金属防锈底漆。 ( 2 ) 板材采用数控等离子切割机或剪机下料、校平机校平，端板来料平面度 l m m m ，对角线差l m m m 。 ( 3 ) 型钢采用冲床冲断或锯床锯断、调直机调直，上端梁、横带或端柱、角柱组 成等型钢来料全长直线度3 m m 。 2 2 3 组对焊接技术 ( 1 ) 组对技术 利用端墙组焊夹具进行端墙钢结构装配，采用搭积木的方法，依次将端墙组成零件 装配、定位、夹紧、点固焊接，然后在后续台架上焊接，质量标准要求如下： 1 3 大连交通大学1 二程硕士学位论文 端扳高度方向靠下边定位，宽度方向靠右侧定位。 上端粱高度方向靠上边定位，宽度方向右侧定位。 角柱高度方向靠上端粱定位，宽度方向靠档定位。 横带高度方向靠样杆定位，宽度方向靠角柱定位。 全部工件定位后，专用夹具夹紧，组对间隙 咤2 m m 。 ( 2 ) 焊接技术 端墙制造中，点固焊接和短小焊缝采用手工电弧焊或c 0 2 气体保护焊枪焊接；长大 焊缝采用a r + c 0 2 气体保护自动焊接形式，配备焊接小车等焊接装备。对于q 4 5 0 n q r l 高强度耐候钢焊接，手工焊选用j 5 5 6 c r n i c u 焊条；气体保护焊选用t h 5 5 0 n q i i 焊丝， 通过对焊条( 丝) 直径、焊接电压、焊接电流、焊接速度等焊接参数的调配保证焊接质 量，质量标准要求如下： 焊缝外形尺寸应均匀，焊道与焊道及焊道与基本金属之间应平滑过渡。 焊缝宽度差值，在任意1 0 0 r a m 范围内它 2 m m ，整个长度范围内3 m m 。 焊缝表面的凹凸度。在焊缝任意5 0 m m 长度范围内，焊缝余高差值吨 2 m m 。 除起、收弧处，焊缝边缘沿焊缝轴线的直线度在任意3 0 0 r a m 范围内 吨2 m m 。 焊缝无裂纹、气孔、夹渣、焊偏、焊瘤、弧坑、未焊满、接头不良等缺陷。 1 ) 上端缘2 ) 角柱3 ) 横带4 1 端扳 圉2 6 c 7 0 型敞车端墙结构国 嘶2 6 e n d w a l ls i f i l c m mo f c 7 0 t y p e o p e n t o p w a g o n 羽制剐： 翌三兰兰翌墨兰塑苎翌垡型耋垫至墨璺璺堡彗竺 1 ) 上端粱2 ) 角拄3 ) 端柱4 1 端扳 图2 7f t 0 型棚车端墙结构图 f i g2 7 e n d w a l ls h u c l u l e o f l 3 7 0 t y p ec o v e r e d w a g o n nf i l j i 1 l li i 乩e 二二日 i 二i 二妇 二二b 二年 二：j 1 ) 上端缘2 ) 横带3 ) 端板 图2 83 5 7 t 轴重矿石车端墙结构图 f i g 2 8 e