基于輪廓防錯(cuò)的側(cè)梁組裝工裝設(shè)計(jì)

李 穎，張國(guó)龍，柳士強(qiáng)，佟國(guó)臣

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035)

0 引言

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是工裝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅能降低成本、簡(jiǎn)化操作，而且能增強(qiáng)制造的可靠性，提高產(chǎn)品質(zhì)量。鐵路車輛的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁是一個(gè)焊接的箱型結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)中主要采用手工裝配的方式。傳統(tǒng)組裝工藝為方便工件放入和取出組裝胎，采用一側(cè)固定定位、另一側(cè)開(kāi)放的定位方式。此種定位方式只能保證一側(cè)的組裝精度，另一側(cè)的組裝精度需要通過(guò)手工檢測(cè)等其他的檢測(cè)方式來(lái)保證，導(dǎo)致裝配效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大；并且如果操作者疏忽未對(duì)其進(jìn)行檢查，容易造成錯(cuò)裝，影響產(chǎn)品質(zhì)量。在汽車制造、航天等領(lǐng)域，多采用檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行防錯(cuò)檢測(cè)，如徐麗夫等提出的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)裝配機(jī)能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中自動(dòng)檢測(cè)活塞環(huán)的正反面[1]，尹旭悅等提出的動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別對(duì)亂序操作和延遲操作有較好的防錯(cuò)效果[2]，李佳林等提出的變速箱生產(chǎn)線物料裝配擰緊防錯(cuò)系統(tǒng)可對(duì)整個(gè)擰緊過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控[3]，Westerfield G 提出采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)工件進(jìn)行追蹤[4]，Dudek-Burlikowska M等提出了過(guò)程改進(jìn)的質(zhì)量方法[5]。上述這些檢測(cè)主要是保證制造過(guò)程中的工藝順序不出錯(cuò)，針對(duì)是否執(zhí)行了操作進(jìn)行了檢測(cè)，而沒(méi)有對(duì)來(lái)件的實(shí)物質(zhì)量及裝配結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)；并且由于電器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，前期投入和后期使用維護(hù)成本均較高。為了能夠?qū)ΥM裝件準(zhǔn)確定位并對(duì)不合格件進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)了基于輪廓防錯(cuò)的組裝工裝，通過(guò)簡(jiǎn)單合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用傳統(tǒng)機(jī)械方法，不僅能夠更加準(zhǔn)確的定位，而且有效防止了組裝錯(cuò)誤的蔓延和產(chǎn)生。

1 側(cè)梁結(jié)構(gòu)及工藝分析

構(gòu)架側(cè)梁主要由上蓋板、下蓋板、兩個(gè)形狀相同的立板以及多個(gè)用于連接兩個(gè)立板的筋板等零件組成，立板與上蓋板、下蓋板相互垂直[6]。生產(chǎn)時(shí)，需要先將立板與筋板組裝成框架結(jié)構(gòu)后再組裝上蓋板、下蓋板，為保證各部件尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求，首先要確保兩立板組裝時(shí)相互平行且對(duì)齊，不允許錯(cuò)位。生產(chǎn)中采用側(cè)裝的方式，即將立板板面水平放置于組裝胎的水平基準(zhǔn)面上，為保證兩立板對(duì)齊，在組裝胎上設(shè)置了三個(gè)垂直于水平基準(zhǔn)面的定位檔，兩個(gè)設(shè)置在立板上蓋板一側(cè)，另一個(gè)設(shè)置在立板一端，用這三個(gè)定位檔將兩個(gè)立板找正；在與定位檔相對(duì)的一側(cè)設(shè)置頂緊裝置，將組裝完成的立板壓緊。這種方式工件的出胎、入胎都很方便，但是對(duì)組裝人員的作業(yè)過(guò)程要求極多，需要組裝人員沿著立板外形輪廓，用方尺逐一位置的檢測(cè)兩立板是否對(duì)齊，受人為因素影響較大。為此，設(shè)計(jì)制作了防錯(cuò)的組裝工裝，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①固定定位檔、定位器和壓緊裝置的配合使用，完成了對(duì)工件的準(zhǔn)確定位，不需要使用方尺逐一檢測(cè)，避免了由于疏忽、遺忘造成的人為差錯(cuò)；②定位器由固定定位部件、活動(dòng)定位部件以及壓緊部件組成，方便了工件在組裝胎的放入和取出；③各個(gè)定位檔的位置按照零件的外形輪廓間隔設(shè)置，能夠?qū)?lái)料的外形輪廓進(jìn)行檢測(cè)，防止不合格零件的非預(yù)期使用。

2 工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高產(chǎn)品制造的可靠性，有效保證側(cè)梁的產(chǎn)品質(zhì)量，堅(jiān)持結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的原則[7]，工裝采用了全封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按照工件的外形輪廓，在決定產(chǎn)品外形輪廓的關(guān)鍵位置設(shè)置定位檔，對(duì)上一道加工周邊工序的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)的同時(shí)，為產(chǎn)品組裝工序進(jìn)行了準(zhǔn)確的定位，為下一步生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)保證。

2.1 工裝的整體結(jié)構(gòu)

此側(cè)梁組裝工裝如圖1所示，采用模塊化設(shè)計(jì)[8]，由四個(gè)模塊組成：用于支撐各個(gè)部件并提供水平基準(zhǔn)的工作臺(tái)；為工件半周提供定位作用的固定定位檔；在另外半周(與固定定位檔相對(duì)的一側(cè))提供定位作用的定位器；用于壓緊工件的壓緊裝置。其中，平臺(tái)、固定定位檔、壓緊裝置與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一致，工裝通過(guò)定位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和靈活使用，解決了工件在全封閉工裝中出胎難的問(wèn)題，使工裝在準(zhǔn)確定位的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了防錯(cuò)功能。

圖1 組裝工裝

2.2 定位器

定位器(如圖2所示)既提供了固定定位，又通過(guò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，讓固定定位與工件保持了距離，是工裝的全封閉結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部件。定位器由固定定位部件、活動(dòng)定位部以及壓緊部件組成。壓緊部件通過(guò)一個(gè)連接臂將絲杠固定于固定定位部件上，并通過(guò)旋動(dòng)絲杠將活動(dòng)定位部件靠近或遠(yuǎn)離固定定位部件。固定定位部件固定安裝于工裝的工作臺(tái)面上，與工件外形保持固定距離，并為活動(dòng)定位部件提供基準(zhǔn)(基準(zhǔn)a1、a2)?；顒?dòng)定位部件主體為T型結(jié)構(gòu)，提供3個(gè)基準(zhǔn)，其中兩個(gè)基準(zhǔn)(基準(zhǔn)b1、b2)在同一平面上，與固定定位部件的基準(zhǔn)a1、a2進(jìn)行配合；第三個(gè)基準(zhǔn)(基準(zhǔn)c)在距基準(zhǔn)b1、b2具有預(yù)定距離的平面內(nèi)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓緊部件的絲杠，與工件接觸或遠(yuǎn)離。固定定位部件的基準(zhǔn)面a1、a2和活動(dòng)定位部件的面b1、面b2緊密接觸，進(jìn)行配合時(shí)，活動(dòng)定位部件的基準(zhǔn)面c與固定定位檔的基準(zhǔn)面配合在一起按照立板外形輪廓的理論尺寸構(gòu)成了全封閉結(jié)構(gòu)。

圖2 定位器

3 工裝的使用

3.1 定位與壓緊

首先，旋轉(zhuǎn)定位器壓緊部件的絲杠，將其活動(dòng)定位部件與固定定位部件分離，這時(shí)組裝胎處于開(kāi)放狀態(tài)，有利于將待組裝的立板順利依次放入組裝胎；然后，將放入組裝胎的立板一側(cè)靠近組裝胎的固定定位檔，使其一側(cè)外輪廓與固定定位檔緊密接觸；這時(shí)，反方向旋轉(zhuǎn)定位器壓緊部件的絲杠，使活動(dòng)定位部件的基準(zhǔn)面b1、b2靠近固定定位部件的基準(zhǔn)面a1、a2，活動(dòng)定位部件的基準(zhǔn)面c靠近工件另一側(cè)外輪廓，當(dāng)活動(dòng)定位部件到達(dá)極限位置時(shí)，完成兩立板的定位和檢測(cè)基準(zhǔn)的設(shè)置。此時(shí)，可用壓緊裝置將工件壓緊，隨后可對(duì)其關(guān)鍵的外形尺寸進(jìn)行檢測(cè)。工件組裝完成后，旋轉(zhuǎn)定位器壓緊部件的絲杠，再次將其活動(dòng)定位部件與固定定位部件分離，這時(shí)可順利卸下組裝完成的工件。

3.2 防錯(cuò)功能的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)定位器所處狀態(tài)，針對(duì)不同情況采用不同措施對(duì)來(lái)料是否合格以及定位是否準(zhǔn)確進(jìn)行判斷。

(1)若活動(dòng)定位部件基準(zhǔn)面b1、b2已與固定定位部件基準(zhǔn)面a1、a2緊密接觸，而活動(dòng)定位部件基準(zhǔn)面c與工件外輪廓仍然存在間隙，說(shuō)明工件尺寸小于理論正值，可用塞尺檢測(cè)活動(dòng)定位部件基準(zhǔn)面c與工件外形的間隙是否超出下差值來(lái)判斷工件是否超下差。

(2)若活動(dòng)定位部件基準(zhǔn)面c已與工件外形緊密接觸，但活動(dòng)定位部件基準(zhǔn)面b1、b2仍未與固定定位部件的基準(zhǔn)面a1、a2接觸，這時(shí)需要檢查兩個(gè)立板的外部輪廓是否均與活動(dòng)定位部件基準(zhǔn)面c緊密接觸，若已接觸說(shuō)明工件尺寸大于理論正值，可用塞尺檢測(cè)各個(gè)活動(dòng)定位部件基準(zhǔn)面b1、b2與固定定位部件基準(zhǔn)面a1、a2的間隙是否超出上差值來(lái)判斷工件是否超上差。若其中一個(gè)立板的外部輪廓與活動(dòng)定位部件基準(zhǔn)面c存在間隙，則需要先通過(guò)檢測(cè)此間隙，來(lái)判斷兩立板的相對(duì)位置是否符合組裝定位公差要求，若超出組裝位置公差0.5 mm的尺寸要求，則需要卸下工件，修磨此立板或者選配其他立板；若不超出公差要求，按上述已接觸時(shí)的方法檢測(cè)工件是否超出上差值。

綜上所述，只有在兩立板尺寸存在差異，并且其中一個(gè)立板處于理論值上差時(shí)，需要通過(guò)工裝來(lái)檢測(cè)兩立板的尺寸差，以此來(lái)判斷兩立板的定位是否準(zhǔn)確，在其他情況下，工裝利用自身結(jié)構(gòu)就能保證定位準(zhǔn)確，從而有效避免了定位不準(zhǔn)導(dǎo)致組裝超差的問(wèn)題發(fā)生。此工裝通過(guò)檢測(cè)不同位置的間隙尺寸來(lái)判斷工件是否合格，若間隙在公差數(shù)值范圍內(nèi)，則可判定工件合格，繼而進(jìn)行點(diǎn)固焊(在上述活動(dòng)定位部件基準(zhǔn)面c與工件外輪廓仍然存在間隙的情況下，可在間隙處楔入調(diào)整墊，使定位更加準(zhǔn)確，壓緊更加牢固)；若間隙超出公差數(shù)值，即可以判定工件超出公差要求，由此判定工件不合格，此時(shí)需要將工件不合格的位置標(biāo)出后，卸下工件，這樣有效防止了不合格件的非預(yù)期使用。

4 總結(jié)

準(zhǔn)確定位和有效防錯(cuò)是保證產(chǎn)品制造穩(wěn)定性的關(guān)鍵，是推進(jìn)工裝設(shè)計(jì)持續(xù)改進(jìn)的動(dòng)力。工裝設(shè)計(jì)從使用需求出發(fā)，全封閉結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了定位的準(zhǔn)確性；用決定工件外形輪廓的關(guān)鍵位置定位提高了不合格品的檢出率，保證了產(chǎn)品制造的可靠性和質(zhì)量的穩(wěn)定性，起到了有效防錯(cuò)的效果；定位器通過(guò)簡(jiǎn)單巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使固定定位具備了“可移動(dòng)”的功能，工件能夠無(wú)障礙放入和取出組裝胎，簡(jiǎn)單便捷實(shí)用。

此外，值得一提的是，在工裝設(shè)計(jì)中，很多情況因工件定位形成了封閉結(jié)構(gòu)導(dǎo)致出胎困難而放棄了基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，導(dǎo)致累積誤差增加，而靈活使用本文中介紹的定位器能夠有效解決這一問(wèn)題。