柔性化焊接工裝在動車組車下設(shè)備艙組裝的應(yīng)用

摘 要：文章旨在將動車組車下設(shè)備艙組裝的焊接生產(chǎn)模式從過去的單一化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗥贩N共線生產(chǎn)，以降低組裝工裝調(diào)整任務(wù)量，提高調(diào)整效率和精度，并實現(xiàn)多種車型設(shè)備艙組裝的順暢切換，便于批量生產(chǎn)并提高產(chǎn)品質(zhì)量。故而為動車組車下設(shè)備艙組裝焊接生產(chǎn)提出一種柔性化智能制造焊接工裝，以及側(cè)梁、橫梁、構(gòu)架總成等關(guān)鍵部件的生產(chǎn)工藝和工藝布局。通過現(xiàn)代控制技術(shù)尋求最優(yōu)化的控制向量，使系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的優(yōu)化準(zhǔn)則。通過柔性化生產(chǎn)減少冗余和不必要的損耗，力求為企業(yè)創(chuàng)造更大的利潤。通過RS 485總線N個運動單元相連，檢測電壓是否存在異常，當(dāng)電壓異常時，低電壓檢測電路切斷對驅(qū)動部件的供電，從而降低工裝調(diào)整任務(wù)量和企業(yè)成本，提高調(diào)整效率和精度。由此可見，該研究有利于項目的利益最大化。

關(guān)鍵詞：焊接工裝設(shè)備系統(tǒng)；柔性化設(shè)計；智能裝備制造；柔性化生產(chǎn)；現(xiàn)代控制技術(shù)；人機(jī)交互

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-0-03

0 引 言

隨著批量生產(chǎn)逐漸被適應(yīng)市場動態(tài)變化的生產(chǎn)替代，適應(yīng)市場動態(tài)的制造業(yè)正在逐步取代大規(guī)模生產(chǎn)。在互聯(lián)網(wǎng)智能制造等一系列戰(zhàn)略規(guī)劃和發(fā)展策略的支持和推動下，傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)逐步實現(xiàn)了現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，智能制造領(lǐng)域發(fā)展迅速。然而，在柔性制造、生產(chǎn)節(jié)奏要求較高的制造車間中，由于需要滿足焊接后產(chǎn)品的穩(wěn)定狀態(tài)，保證承載工裝的傳輸設(shè)備的強度、重復(fù)性和安全性，以及焊接過程中工裝的穩(wěn)定性等要求，機(jī)械基礎(chǔ)設(shè)計周期會更長，需要使用更多的高強度材料，甚至更多輔助設(shè)備。這將導(dǎo)致項目規(guī)劃設(shè)計周期延長，需要采購多種類型的外部標(biāo)準(zhǔn)件，大幅增加了不確定性和后期安裝的難度。這些因素將消耗過多的資源，直接或間接地增加項目開支。此外，此舉還會增加生產(chǎn)線的數(shù)量、后期運行的維護(hù)以及設(shè)備管理的難度，甚至?xí)下\營進(jìn)程。

1 整體設(shè)計理念

1.1 項目運用現(xiàn)代控制技術(shù)

在給定系統(tǒng)狀態(tài)方程、初始條件以及具體的限制條件下，尋求最優(yōu)化的控制向量，使得系統(tǒng)的輸出狀態(tài)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的優(yōu)化準(zhǔn)則[1]，或者在給定的指數(shù)函數(shù)中找到一個最佳的結(jié)果。將這些限制和目標(biāo)需求通過數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化，將這些問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化控制的問題。而當(dāng)被控對象受外界因素影響時，最優(yōu)化控制器的設(shè)計參數(shù)需要不斷地修正，以確保其在全過程中都能夠達(dá)到最佳目標(biāo)?；谀Ｊ絽⒖嫉淖赃m應(yīng)控制技術(shù)就是通過調(diào)整系統(tǒng)的輸入/輸出狀態(tài)向量，對其進(jìn)行修正或者生成附加信號，使其具有更好的特性。而以上也是近年來這一學(xué)科得到快速發(fā)展、成為現(xiàn)代控制研究領(lǐng)域一個重要發(fā)展方向的原因。

1.2 項目運用智能制造理念

智能制造是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)。它在制造過程中能進(jìn)行許多智能活動，如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等[2]。通過人與智能機(jī)器的合作，智能制造將擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。智能制造理念更新了制造自動化的概念，可將其擴(kuò)展到柔性化、智能化和高度集成化領(lǐng)域。

1.3 項目運用柔性化工裝技術(shù)

柔性工裝的定義是指通過調(diào)整、控制等手段來動態(tài)實現(xiàn)所需的工裝定位的彈性體曲面柔性定位技術(shù)。柔性工裝技術(shù)基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系可重組的模塊化、自動化、裝配、工裝化特性，旨在免除設(shè)計和制造各種零部件裝配所需的專用固定型架、夾具等。企業(yè)可以利用智能化工裝技術(shù)提高工裝精度，減少工裝調(diào)整時間，節(jié)省工裝調(diào)整經(jīng)費，實現(xiàn)工裝柔性化、智能化等，從而降低工裝制造成本，縮短工裝準(zhǔn)備周期，減少生產(chǎn)用地，大幅度提高裝配生產(chǎn)效率。

2 總體方案設(shè)計

總體方案設(shè)計選用了穩(wěn)定可靠的工業(yè)級單片機(jī)來作為主要載體實現(xiàn)控制。將車型數(shù)據(jù)錄入控制系統(tǒng)，由工人選擇車型，然后點擊“執(zhí)行”，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)驅(qū)動靠模完成調(diào)整。控制系統(tǒng)要求具備大量數(shù)據(jù)存儲能力、友好的人機(jī)界面、可靠的通信系統(tǒng)，并預(yù)留MES接口，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需具備精準(zhǔn)的運行能力、強大的自鎖能力，重復(fù)精度高，并以低功耗運行保證使用壽命。通過提供一種動車組車下設(shè)備艙組裝工裝控制系統(tǒng)及控制方法，能夠降低組裝工裝調(diào)整任務(wù)量，提高調(diào)整效率及精度，并且實現(xiàn)多種車型設(shè)備艙組裝順暢切換，便于批量生產(chǎn)并提高產(chǎn)品質(zhì)量。總體設(shè)計流程如圖1所示。

3 控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計

3.1 總體設(shè)計方案

該方案控制系統(tǒng)的功能由人工和機(jī)器相互配合才能實現(xiàn)。項目的主要器件是帶有人機(jī)交互界面的主控制器，系統(tǒng)通過RS 485總線將N個運動單元相連接，在操作界面上進(jìn)行人工操作，加之?dāng)?shù)據(jù)及運動機(jī)構(gòu)機(jī)械鎖的輔助[3]，從而保證操作的便捷性和穩(wěn)定性。它的運行模式是先將電源和傳感器接口與RS 485接口連在一起，再將控制系統(tǒng)通過RS 485接口電路與執(zhí)行機(jī)構(gòu)主板連在一起，從而與位置測量傳感器和接近傳感器等共同形成閉環(huán)控制，達(dá)到最終的執(zhí)行目的。

3.2 系統(tǒng)使用的具體方式

3.2.1 柔性化生產(chǎn)

柔性化生產(chǎn)要求在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人員組織、運作方式和銷售方式上進(jìn)行變革[4]，同時還需采用一種將自動材料儲運系統(tǒng)和統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)相結(jié)合的工藝裝備，在不停工的條件下對多個零件的變形問題進(jìn)行處理。因此，制造系統(tǒng)可以快速對不斷變化的市場要求做出反應(yīng)，在減少冗余和不必要損耗的情況下，力求為企業(yè)創(chuàng)造更大的利潤。

3.2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用帶有人機(jī)交互界面的主控制器，其通過RS 485總線將N個運動單元相連，采用該設(shè)計的主要目的是考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以選取RS 485總線作為通信載體，以簡化操作流程。RS 485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。再加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)；并且RS 485用于多點互聯(lián)時非常方便，可以節(jié)省信號線?？刂葡到y(tǒng)實物和原理如圖2和圖3所示。

3.2.3 執(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)通過RS 485接口電路連接至執(zhí)行機(jī)構(gòu)主板，由主板驅(qū)動電機(jī)實現(xiàn)單元移動，然后與接近傳感器、位置測量傳感器形成閉環(huán)控制[5]。但是關(guān)于位置信息反饋方式的確定，考慮了傳感器式反饋和自反饋兩種形式，而這兩種形式都因成本過高或其他原因無法達(dá)到要求。所以，本文選用了一種新型步進(jìn)減速電機(jī)，它兼顧了步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的特點，其輸出端帶有100∶1的兩級星形減速器[6]，尾部采用光學(xué)編碼器，可以每50 μs完成一次高速采樣與位置反饋，實現(xiàn)偏差自修正，并且由于采用了大減速比，使得其可在不上電的情況下保持強力自鎖。執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理如圖4所示。

4 項目創(chuàng)新點

（1）采用相對坐標(biāo)組校準(zhǔn)代替零點坐標(biāo)校準(zhǔn)[7]。相對坐標(biāo)是指相對于前一坐標(biāo)點的坐標(biāo)，選用該校準(zhǔn)方式能夠降低錯誤率，提高準(zhǔn)確性。

（2）采用任務(wù)完成記憶和掉電記憶兩種方式確保對位置信息的精準(zhǔn)記憶。掉電記憶電路包含IC芯片，擁有電壓檢測電容記憶單元以及可擦寫存儲單元[8]。其中的IC芯片可用于控制記憶單元中電壓檢測電容的電壓，可擦寫存儲單元用于掉電記憶，當(dāng)電路在使用過程中掉電時可保護(hù)IC芯片的當(dāng)前參數(shù)。工作原理：掉電后通電，通過IC芯片將檢測電容的電壓與預(yù)定電壓進(jìn)行對比，根據(jù)預(yù)定的電壓值，檢測電容的電壓是否不小于預(yù)定電壓，依據(jù)對比結(jié)果來判斷是否調(diào)用可擦寫儲存單元內(nèi)保存的當(dāng)前工作參數(shù)。由于電壓檢測電容并未向IC芯片[9]供電來維持當(dāng)前工作狀態(tài)，因此降低了環(huán)境溫度和濕度的影響，進(jìn)而減小了工作參數(shù)記憶時間的波動。

（3）選用帶反饋的步進(jìn)減速電機(jī)驅(qū)動靠模運行，實現(xiàn)閉環(huán)反饋。新型步進(jìn)減速電機(jī)兼顧了步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的特點，其輸出端帶有100∶1的兩級星形減速器，尾部采用光學(xué)編碼器，可以每隔50 μs便采樣位置反饋，實現(xiàn)偏差自修正，并且由于采用了大減速比，使得其可在不上電的情況下保持強力自鎖。帶反饋的步進(jìn)減速電機(jī)實物如圖5所示。

（4）簡化操作界面，技術(shù)人員錄入信息后，即可實現(xiàn)一鍵操作?？刂葡到y(tǒng)實物的部件從上到下包括人機(jī)控制界面（實物顯示屏）、數(shù)據(jù)及運動機(jī)構(gòu)機(jī)械鎖（運動單元、坐標(biāo)數(shù)據(jù)）主控制器、線性電源。技術(shù)人員錄入信息后，工人無需反復(fù)調(diào)試，只需找到相關(guān)按鍵即可實現(xiàn)一鍵操作，可避免因工人“不了解”而造成不必要的影響。

（5）采用機(jī)械鑰匙數(shù)據(jù)鎖和運動機(jī)構(gòu)鎖能夠有效防止誤操作。采用機(jī)械鑰匙數(shù)據(jù)鎖和運動機(jī)構(gòu)鎖雙保險設(shè)置，當(dāng)人為操作失誤時可迅速鎖死數(shù)據(jù)并挽救，避免或減輕誤操作帶來的影響。

（6）采用低功耗設(shè)計，待機(jī)功耗小于200 W。裝置系統(tǒng)采用降低供給電壓、電容和減少翻轉(zhuǎn)次數(shù)等方法來降低靜態(tài)功耗、動態(tài)功耗、翻轉(zhuǎn)功耗、內(nèi)部功耗，保證能源的有效利用。

5 安裝及使用

運動單元的安裝、控制機(jī)柜信息顯示、原車型切換與現(xiàn)車型切換如圖6、圖7、圖8所示。

6 結(jié) 語

本文將柔性化、智能化的思維成功應(yīng)用到企業(yè)項目上，設(shè)計了一種適用于多單元運動機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定、快速、高精度的協(xié)調(diào)控制方法，并且縮短了工藝準(zhǔn)備周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省了成本，同時預(yù)留MES接口，為公司實現(xiàn)智能化工廠積累寶貴的經(jīng)驗[10]。由此可見，現(xiàn)方式與原方式相比，從費用、時間、精度等方面考慮，現(xiàn)有方式更有利于實現(xiàn)項目的利益最大化。

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作者簡介：孫佳慶（2003—），男，研究方向為自動化。

孟繁星（1993—），男，碩士，講師，研究方向為電氣工程。

收稿日期：2023-12-06 修回日期：2024-02-01

基金項目：2023年大連理工大學(xué)城市學(xué)院教育教學(xué)研究基金立項課題：“互聯(lián)網(wǎng)+”校企合作新模式的研究─以電氣工程及其自動化專業(yè)為例（JXYJ2023012）；遼寧省民辦教育協(xié)會教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度立項課題：民辦高?！靶Ｆ蠛献鳌毙履Ｊ降难芯浚↙MJX2023201遼民教協(xié)發(fā)[2023]2號）