客車車身骨架全自動合裝機設計*

馬永杰，楊彩紅

(河南農業職業學院 機電工程學院，河南 鄭州 451450)

0 引言

客車車身骨架既是承載單元，又是功能單元。因此，車身骨架合裝精度和焊接質量對客車內飾件的安裝及行車安全有著十分重要的影響。車身骨架合裝是客車生產的關鍵環節，所以需要設計一臺能提升合裝質量和合裝速度的客車車身骨架合裝機。

客車車身骨架由大量高強度鋼管焊接組成，為了提高客車車身骨架的焊接合裝速度和質量，把客車車身骨架分成6部分，分別為左側圍、右側圍、前圍、后圍、底架(地板骨架)、頂蓋，因此，我們只需要按照一定工藝把客車的6個基礎骨架合裝焊接即可。將客車車身的6個初步焊接完成的骨架合裝成質量合格的客車車身骨架的過程叫做車身骨架合裝。合裝后的客車車身骨架應為長方形，不能出現菱形等情況，具體要求精度為：龍門對角線誤差≤2 mm；車長誤差≤2 mm；高度誤差<2 mm；車寬誤差≤2 mm；車身大對角線誤差≤5 mm。

1 車身骨架參數

如圖1所示為4種車型的龍門骨示意圖。通過對客車車身骨架龍門圖的分析，可以發現客車車身骨架龍門的變化規律。從圖1中可以看到客車車身橫截面造型上都采用了中部寬而上下兩端都有一定縮小的圓弧造型，對于部分車型來說，上部和下部的圓弧造型不明顯。

圖1 4種車型的龍門骨架示意圖

8種客車車身的側圍骨架如圖2所示。從圖2中我們可以看到，車身的長度尺寸根據不同車型會有變化，但是總的來說變化有一定規律：①長車身的車型只需要比同系列車身短的車型增加若干組車窗形式的結構就可以達到增加車長的目的；②以第一個立柱作為基準，后部的定位可以采用相同的模式?？蛙囓嚿韨葒羌芙Y構示意圖如圖3所示。

圖2 8種車型的側圍骨架示意圖

因為國內客車廠家眾多，所以車型參數數據庫巨大。通過對大量車型數據的研究發現車型參數的變化范圍一般為：車長6 m～13.7 m(包括前后圍)，其他參數如表1所示。表1中的參數變化范圍能覆蓋絕大部分車型。

圖3 車身側圍骨架

表1 車型骨架參數統計 mm

2 控制關鍵點選擇

為了滿足客車車身外形美觀、內部乘坐安全舒適的需求，車身骨架合裝時需要更高的焊接合裝精度。例如，焊接合裝時應滿足龍門對角線尺寸的設計參數，否則會造成前擋風玻璃等總裝件安裝困難。目前對于客車車身骨架合裝主要檢測車身骨架龍門對角線尺寸、車身寬度尺寸、車身兩側的長度尺寸和車高尺寸。車身骨架龍門對角線尺寸以前圍處的對角線為基準進行測量；車寬尺寸以腰梁型材外側面為基準測量，測量時在車長方向選擇若干測量點位；車高尺寸以腰梁型材下面為基準進行測量；車長尺寸以第一立柱型材前側面為測量基準，測量到最后一個左右對稱的立柱型材后面。

通過對合裝后的車身骨架質量檢測點的分析，本設計中的車身骨架合裝機需要控制的關鍵點是腰梁位置、裙立柱(裙邊梁)位置、窗立柱(窗上梁)位置和第一立柱位置。

(1) 腰梁位置。需要精確定位腰梁(或窗下梁)型材的車身外側面和下面。定位腰梁型材外側面的目的如下：①保證車身從前到后的寬度符合公差要求，避免合裝后的車身骨架出現喇叭口型，因為喇叭口型會影響車身內飾件和蒙皮的安裝；②保證車身從車頭到車尾側面車身的光滑平整。定位腰梁型材下面的目的是為了保證左右側圍骨架等高，以免合裝后的車身骨架左右兩側不等高影響后續內飾件安裝。

(2) 裙立柱(裙邊梁)位置。在車身骨架下部需要對裙立柱或者裙邊梁進行定位，一般定位裙立柱或裙邊梁型材在車身外側面，目的是使車身設計時的圓弧輪廓尺寸準確，從而有利于后續艙門件的安裝。

(3) 窗立柱(窗上梁)位置。在車身的上部需要對窗立柱或者窗上梁進行定位，一般定位窗立柱或窗上梁型材在車身外側面第一立柱位置，目的是使車身設計時的頂部圓弧輪廓尺寸準確，凸顯車輛美觀的外觀造型。個別廠家在對窗上梁型材外側面定位的同時，也會對窗上梁型材的下面進行定位，因為腰梁位置已經對高度進行了定位，此時車身骨架的左右側圍就產生了過定位，目的是提高頂蓋骨架和左右側圍合裝的精度。

(4) 第一立柱位置。車身長度方向的定位主要依靠車身骨架左右側圍的第一立柱，一般情況乘客門后立柱和司機窗后立柱作為第一立柱，定位第一立柱型材的前側面(車頭方向為前)，目的是避免車身骨架出現菱形，以免影響后圍骨架的合裝焊接和車身蒙皮的安裝。

3 全自動客車車身骨架合裝機設計

目前絕大多數客車生產廠家使用的車身骨架合裝機主要是通過人工測量，手動調整各定位模塊，在使用中會出現合裝機定位尺寸精度不高、調整時費力費時的情況。本設計為全自動自調整的車身骨架合裝機，各關鍵定位控制點的定位裝置均采用伺服電機驅動同步帶來調整，以適應不同車身骨架的長度、高度和圓弧輪廓，同時所有的伺服驅動均帶有光電檢測開關、光電限位開關和機械硬限位。本機配有人機交互顯示屏和存儲器，預先把生產的所有車型參數輸入存儲器，在生產時遇到車型更換，只需要在顯示屏上輸入新車型的代號，按下啟動按鈕，整套合裝夾具在伺服驅動模塊的帶動下自行運行到所有預定參數的位置，整個過程不超過3 min。

圖4為全自動調整的車身骨架合裝機的總體結構示意圖。合裝機的主要結構是兩個帶有5個立柱的桁架結構，兩側桁架在液壓缸的推動下可以沿著車寬方向移動，在桁架的立柱上布置有各個關鍵控制點的定位模塊，這些模塊的驅動均采用伺服控制，從而保證關鍵控制點定位模塊位置的準確。由于整機部件較多，文中主要介紹關鍵點控制處的設計方案。

圖4 全自動合裝機總體結構示意圖

3.1 車寬控制點機構設計

車寬定位組件非常重要，它是保證車身骨架寬度尺寸的關鍵要素。車寬定位組件的機械結構采用伺服電機通過同步帶輪驅動一臺蝸輪絲桿升降機的結構形式，并使用鋼板焊接組合件作為伺服電機和蝸輪絲桿升降機的支撐零件，如圖5所示。因為車寬定位是對車身寬度進行定位的，定位時是整個桁架在液壓缸作用下與前側的法蘭盤接觸并施加力，因此設計中應考慮鋼板支撐件的強度和剛度。另外在蝸輪絲桿升降機的尾部安裝機械限位圓盤，以防止光電限位開關失靈造成絲桿滑脫。

3.2 車長定位點機構設計

車長定位模塊如圖6所示。由于車身骨架高低不同，車長定位模塊需要在車高方向上下移動，因此設計了定位模塊通用升降組件，腰梁定位模塊的升降和窗上梁定位模塊的升降也采用了通用升降組件，其升降原理是采用伺服電機通過同步帶輪驅動蝸輪絲桿升降機的方式工作，每一處的蝸輪升降機絲桿均需要安裝光電位置檢測開關、光電限位開關并在絲桿尾部安裝機械限位圓盤?？紤]到不同尺寸車身骨架定位的需求，車長定位機構需要在伺服驅動組件的作用下沿著車長方向前后移動。車長定位機構帶有夾緊功能，夾緊使用氣缸驅動，氣動壓力不低于0.5 MPa。動夾頭為了適應第一立柱型材布置方式，設計成一定的彎頭角度。車長備用定位機構有兩種用途：一是第一立柱不方便從后側夾緊時可以使用車廠備用定位機構；二是車長備用定位機構可以對前圍立柱夾緊，生產時起輔助作用。

圖5車寬定位組件圖6車長定位組件

3.3 裙邊立柱控制點機構設計

由于公路客車和公交車的裙立柱在地板骨架以下，自由度較大且裙邊梁的精度要求不高，因此客車車身骨架下部一般對裙立柱進行定位夾緊。一般情況下夾緊裙立柱定位時，要求夾緊點距離裙邊梁200 mm以內，其定位夾緊機構如圖7(a)所示。個別廠家對車身下部要求較高，這時就需要定位夾緊裙邊梁，其定位夾緊機構如圖7(b)所示。

3.4 腰梁/窗下梁控制點機構設計

圖8為車身骨架腰梁型材的定位夾緊機構。通過對大量車型分析，一般采用如圖8(a)所示的設計形式，由動夾頭翻轉夾緊需要翻越腰梁型材；但是有些廠家的車身骨架，在腰梁上方距離腰梁很小的位置會設計一根橫梁作為對窗口強度的加強，一旦出現這種情況，圖8(a)所示的動夾頭上翻轉夾緊就會出現干涉，此時需要采用如圖8(b)所示的動夾頭設計形式，夾緊時從腰梁型材下側翻轉并夾緊。

圖7裙邊定位組件圖8腰梁定位組件

由于腰梁定位處需要同時控制車身骨架的寬度尺寸和高度尺寸，因此腰梁就需要在車身寬度和車身高度兩個方向同時定位，圖8(b)中1和2分別是車高定位塊和車寬定位塊，定位塊均可通過增減墊片來調整尺寸，但是墊片厚度不易超過3 mm。

3.5 窗立柱/窗上梁控制點機構設計

客車車身骨架上部的定位采用與車身下部定位相同的方式，車身上部骨架可以選擇定位窗立柱，也可以選擇定位窗上梁。當選擇窗立柱作為定位時，其定位模塊與裙立柱的定位夾緊機構相同，需要注意的是定位夾緊位置距離窗上梁不超過200 mm。也有部分廠家采用窗上梁定位，窗上梁定位機構如圖9所示。采用薄型氣缸側面布置，主要是因為大部分車型設計雙窗上梁結構，如果采用下翻式夾緊，下窗上梁將會干涉，采用上翻式夾緊時，影響大頂骨架的焊接操作。

圖9 窗上梁定位組件

4 結語

本文主要對客車車身骨架參數進行了分析，確定了一個合理的車身骨架參數變化范圍，詳細給出了各關鍵尺寸測量點控制的定位夾緊方案。車身骨架合裝通過全自動調整各定位點的位置，從而適應不同車型的參數，需要對定位夾緊模塊進行車高方向和車寬方向的獨立調整。本設計中的車身骨架合裝胎具，具有換型速度高、定位準確可靠、重復定位精度高的優點。由于設計中運用了大量的蝸輪絲桿升降機和升降運動、伸縮運動，所以設備整機潤滑油的加注是個難點，整機自動潤滑問題有待解決。