零點(diǎn)快換系統(tǒng)在城軌構(gòu)架智能產(chǎn)線工裝切換的運(yùn)用

劉秋月， 渠源， 郭廷銀

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲412001）

0 引 言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，機(jī)車生產(chǎn)制造過程極為復(fù)雜，設(shè)備與工藝種類繁多，其中工裝切換過程由于傳統(tǒng)工藝設(shè)備的局限性需耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，是導(dǎo)致生產(chǎn)效率較低的原因之一。另一方面，公司產(chǎn)品逐漸由單一車型、大批量的生產(chǎn)模式逐漸向多車型、小批量轉(zhuǎn)變，工裝的切換更加頻繁，傳統(tǒng)的工藝裝備明顯已經(jīng)不能滿足高效簡單生產(chǎn)的需要[1]。零點(diǎn)快換系統(tǒng)具有高效的自動轉(zhuǎn)換、自動夾緊及快速拆裝等特點(diǎn)，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(diǎn)快換系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 零點(diǎn)快換系統(tǒng)概述

1.1 零點(diǎn)快換系統(tǒng)的產(chǎn)生和意義

零點(diǎn)快換系統(tǒng)最早是為解決汽車行業(yè)多型號發(fā)動機(jī)在同一條生產(chǎn)線制造的問題而提出的。目前國內(nèi)常用的Vero-S零點(diǎn)快換系統(tǒng)是由德國雄克（SCHUNK）開發(fā)的夾持系統(tǒng)，因其具有自動定位、夾緊、完全密封及免維護(hù)等特性，多用于汽車制造、軌道車輛等需要高效、高精度生產(chǎn)的場合[3]。Vero-S零點(diǎn)快換系統(tǒng)幫助用戶實(shí)現(xiàn)工裝夾具與變位裝置的快速定位夾緊，縮短更換、調(diào)整工裝夾具的時(shí)間，提高了產(chǎn)品工裝的換型效率[3]。

1.2 零點(diǎn)快換系統(tǒng)的特點(diǎn)

零點(diǎn)快換系統(tǒng)是一種合理、科學(xué)、先進(jìn)的用于工裝快速切換的系統(tǒng)。在重型機(jī)械加工中，常用定位接頭結(jié)構(gòu)的零點(diǎn)快換系統(tǒng)，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(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)工裝夾具與變位裝置的快速準(zhǔn)確定位和緊固連接。同時(shí)，零點(diǎn)快速系統(tǒng)具有自動鎖緊功能，夾緊模塊通過氣壓可以實(shí)現(xiàn)拉釘自由進(jìn)出壓緊模塊，控制工裝的快速拆裝和夾緊[4]。圖1是零點(diǎn)快換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jī)車（高鐵、動車和地鐵等），生產(chǎn)任務(wù)繁重。近幾年，公司產(chǎn)品逐漸由單一車型、大批量的生產(chǎn)模式逐漸向多車型、小批量轉(zhuǎn)變，涉及到工裝的頻繁更換，傳統(tǒng)工藝裝備表現(xiàn)出了明顯的局限性。轉(zhuǎn)向架在車體運(yùn)行過程中具有提供動力、支撐車體、減震、制動等作用，構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)框架，其組焊過程復(fù)雜，涉及的工藝裝備繁多，多車型、小批量的生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變更突顯了其工藝裝備的不足。

圖1 零點(diǎn)快換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以城軌構(gòu)架側(cè)梁工裝為例，側(cè)梁焊接機(jī)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(nèi)，換型時(shí)，首先將待用工裝從庫房轉(zhuǎn)運(yùn)至生產(chǎn)現(xiàn)場，同時(shí)將在用工裝從變位裝置拆下并轉(zhuǎn)運(yùn)至工裝庫房封存。由于不同車型梁體長度不一，換型時(shí)還需要調(diào)整變位裝置主、從端之間的距離，將變位裝置調(diào)整至合適距離并采用地腳螺栓固定以防工裝旋轉(zhuǎn)變位時(shí)發(fā)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(tǒng)工裝與變位裝置的連接

這種傳統(tǒng)連接方式存在很多不足，主要體現(xiàn)在：

1）工裝互換性差。由于不同工作站變位裝置接口設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，連接點(diǎn)位置、接口形式及采用的螺栓規(guī)格等細(xì)節(jié)的多樣性，導(dǎo)致不同車型的工裝互換性差。差的互換性導(dǎo)致在面對產(chǎn)品換型時(shí)，工裝不具備迅速調(diào)整生產(chǎn)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(fèi)較多的時(shí)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?jīng)Q定了每次更換工裝需要耗費(fèi)大量的時(shí)間拆卸、安裝工裝，降低了生產(chǎn)效率，不符合公司對車間生產(chǎn)精益管理的要求。

3）存在大量無效勞動。傳統(tǒng)工作站換型時(shí)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(guī)格多樣化的制約，更換新工裝時(shí)需要重新調(diào)整變位裝置主從端之間的距離，這個(gè)過程需要多人同時(shí)協(xié)助，多次反復(fù)調(diào)整變位裝置從動端，產(chǎn)生了大量無效勞動。這些無效勞動不產(chǎn)生任何經(jīng)濟(jì)效益，生產(chǎn)過程應(yīng)該避免。

3 零點(diǎn)快換系統(tǒng)在智能產(chǎn)線工裝切換的實(shí)施步驟

由上述傳統(tǒng)工裝切換分析和總結(jié)不難看出，傳統(tǒng)工裝切換過程復(fù)雜，切換效率極低。城軌構(gòu)架側(cè)梁工裝從A產(chǎn)品切換到B產(chǎn)品的4個(gè)過程為：A產(chǎn)品 工裝切換（吊運(yùn)工裝+拆裝工裝+調(diào)整工裝夾具+其他時(shí)間） B產(chǎn)品。

從以上過程可以看出，縮短工裝切換過程中4個(gè)步驟的時(shí)間可以提高工裝的切換效率。零點(diǎn)快換系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)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(yùn)用省去調(diào)試的時(shí)間。通過引入零點(diǎn)快換系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)城軌構(gòu)架智能產(chǎn)線工裝切換柔性化的提高[5]。

根據(jù)傳統(tǒng)工裝切換及智能產(chǎn)線生產(chǎn)特點(diǎn)，從以下3個(gè)方面著手引入零點(diǎn)快換系統(tǒng)：1）變位裝置主、從動端增加通用過渡連接裝置，實(shí)現(xiàn)工裝夾具與變位裝置的接口統(tǒng)一；2）通用過渡連接裝置與工裝夾具的連接采用零點(diǎn)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工裝的精確定位和快速拆裝；3）改造現(xiàn)有工裝夾具，使其具有可以實(shí)現(xiàn)不同長度梁體調(diào)整的軌道及適用于通用過渡連接裝置的接口。

3.1 區(qū)分內(nèi)外部作業(yè)

把傳統(tǒng)工裝切換的4個(gè)過程區(qū)分為內(nèi)部作業(yè)和外部作業(yè)，通過優(yōu)化內(nèi)、外部作業(yè)的方式，縮短換型時(shí)間，提高工裝切換效率。表1為構(gòu)架側(cè)梁工裝切換時(shí)的內(nèi)、外部作業(yè)。

表1 構(gòu)架側(cè)梁工裝切換時(shí)的內(nèi)、外部作業(yè)

3.2 轉(zhuǎn)換作業(yè)的實(shí)施

工裝換型時(shí)，如果能夠標(biāo)準(zhǔn)化工裝，就可以免去每次換型時(shí)工裝的拆裝時(shí)間、調(diào)整時(shí)間。預(yù)先準(zhǔn)備操作條件，大大節(jié)約換型時(shí)間，將內(nèi)部作業(yè)轉(zhuǎn)化為外部作業(yè)，就可以在設(shè)備工作階段完成操作，增加設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。這些措施都有助于提高工裝的切換效率。故轉(zhuǎn)換作業(yè)可從以下幾個(gè)步驟來實(shí)施。

3.2.1 縮短內(nèi)部作業(yè)轉(zhuǎn)換時(shí)間

傳統(tǒng)工裝換型時(shí)，拆裝工裝、調(diào)整變位裝置間的距離是工裝換型的主要操作，占據(jù)了大量的時(shí)間和勞動力?？s短這部分操作時(shí)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(biāo)準(zhǔn)化工裝—通用隨行工裝的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化、功能化，省去調(diào)整變位裝置主、從端之間距離的時(shí)間，縮短工裝的換型時(shí)間，同時(shí)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(yù)先準(zhǔn)備操作條件—夾緊模塊與過渡連接裝置連接。預(yù)先將夾緊模塊與過渡連接裝置連接，在后續(xù)的工裝換型時(shí)不需要重新連接，縮短了工裝換型時(shí)間，提高了設(shè)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(shè)計(jì)，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(dǎo)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(shí)的粗導(dǎo)向，同時(shí)導(dǎo)向裝置還有防止通用工裝側(cè)向防落功能。

傳感裝置位于過渡連接裝置工作平面靠內(nèi)側(cè)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(shí)向焊接機(jī)械手PLC自動傳遞相關(guān)信息。

3）預(yù)先準(zhǔn)備操作條件—拉釘與通用隨行工裝連接。根據(jù)焊接機(jī)械手臺位過渡連接裝置夾緊模塊設(shè)計(jì)，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(yīng)，也呈品字形分布。在拉釘中心位置設(shè)計(jì)與過渡連接座導(dǎo)向裝置連接接口，同時(shí)設(shè)計(jì)與傳感裝置相對應(yīng)的出發(fā)裝置，為存放通用隨行工裝防止碰傷拉釘，設(shè)置拉釘防護(hù)支架[6]。拉釘與通用隨行工裝具體連接結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2.2 將內(nèi)部作業(yè)轉(zhuǎn)換為外部作業(yè)

將內(nèi)部作業(yè)轉(zhuǎn)換為外部作業(yè)，可以在機(jī)器運(yùn)行的情況下作業(yè)，可縮短換型時(shí)間，提高設(shè)備的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(tǒng)一，在整個(gè)工裝系統(tǒng)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(shí)不重復(fù)操作，在一定程度上節(jié)約了換型時(shí)間。

3.2.3 縮短外部作業(yè)轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)模式下，待用的工裝夾具儲存在庫房，需要換型時(shí)從庫房吊運(yùn)至車間。這個(gè)過程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間且人工參與度高，嚴(yán)重降低了換型速率。

智能制造車間通過改進(jìn)工裝存儲和輸送方式的方法縮短外部作業(yè)轉(zhuǎn)換時(shí)間。產(chǎn)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(tǒng)控制工裝和產(chǎn)品的上下料。產(chǎn)品換型時(shí)，RGV小車首先將自動焊工位的工裝從變位機(jī)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(zhuǎn)運(yùn)至相應(yīng)自動焊工位完成工裝自動安裝固定；整個(gè)過程完全由系統(tǒng)控制，不需要人工的參與，且由于待用工裝儲存在現(xiàn)場，大大降低了工裝轉(zhuǎn)換的時(shí)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(chǎn)線通過引入零點(diǎn)快換系統(tǒng)及其他配套設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了工裝儲存在現(xiàn)場，系統(tǒng)控制RGV小車自動上下料，通用隨行工裝與變位裝置的準(zhǔn)確定位夾緊和快速拆裝，節(jié)約了勞動力，大大提高了工裝換型效率，滿足了產(chǎn)線工位制節(jié)拍化的生產(chǎn)需求。為了更好地計(jì)算引入零點(diǎn)快換系統(tǒng)后帶來的工裝切換效率的提升，以寧波4號線側(cè)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(jìn)行分析，如表2、表3所示。

表2 傳統(tǒng)工裝切換流程

表3 引入零點(diǎn)快換系統(tǒng)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(tǒng)工裝切換方式共需6步操作，且需要多人參與，共用時(shí)310 min。而智能制造產(chǎn)線引入零點(diǎn)快換系統(tǒng)，通過RGV自動轉(zhuǎn)運(yùn)工裝，無需人工的參與，產(chǎn)品切換流程簡化，且每步所需時(shí)間極短，僅用時(shí)10 min，相對于傳統(tǒng)工裝切換方式，工裝切換效率提升了97%。

零點(diǎn)快換系統(tǒng)的運(yùn)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(gòu)架各部件生產(chǎn)速度的加快，從而提高了構(gòu)架的生產(chǎn)速度。而構(gòu)架的生產(chǎn)速度又是整個(gè)轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)進(jìn)程中的瓶頸，其生產(chǎn)速度的提高加快了整個(gè)轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)進(jìn)程。

5 結(jié) 語

通過零點(diǎn)快換裝置在城軌構(gòu)架智能產(chǎn)線自動焊接工裝上的應(yīng)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(zhuǎn)換、自動導(dǎo)向定位、自動夾緊及快速拆裝等問題，極大地降低了換型時(shí)工人的勞動強(qiáng)度，提高了工裝換型的自動化程度和切換效率，使該產(chǎn)線滿足了多項(xiàng)目、小批量、柔性化、智能化的生產(chǎn)需求。