敖朝凯，徐 伟，江 勇

（中车成都机车车辆有限责任公司，四川成都 610511）

1 研究背景与意义

目前，中国的铁路车辆中25 型客车被广泛应用，其实现车辆与车辆之间的连接完全是通过车钩来实现的。车钩钩舌S 面之间的相互咬合使2 个钩舌得以连接。因此，车钩是铁路车辆的重要配件，在车辆运行中传递牵引力和冲击力。

列车车钩有车辆连接、牵引和缓冲3 项功能，起到连接各节车厢的作用。在使用过程中，悬挂的车钩钩舌会产生很大的牵引力和撞击。钩舌是列车最关键的联结部件，在高速列车上经常受到很大的冲击和磨损，必须经常进行更换或修理。据了解，我国大多数铁路客车检修企业对车钩钩舌的检修采用人工加气体保护焊的焊接方式，只有极少企业实现了半自动焊接，从工件装夹到焊枪运动焊接没能实现自动化，生产效率低、不能满足生产需求。但采用更换新钩舌的方式打通生产瓶颈，将大大增加企业的运营成本。

随着铁路交通运量的增加，需要修理的钩舌数量也随之增加。现有的检修方式与现代轨道交通极不协调。因此，开发一种高效、便捷、适用的铁路客车钩舌自动焊接设备具有重要意义。

2 研究内容

了解国内外铁路货车钩舌焊接设备的设计和制造现状，深入分析自动钩舌焊接机的主要结构、工作原理、控制逻辑和焊接工艺。通过对自动焊接设备的设计、制造及应用进行分析，决定按照3 个模块分别进行设计[1]，主要内容有：①四轴数控焊接机构，包括焊枪移动单元及旋转焊接平台的设计，利用可编程控制器编程实现焊枪3 个方向的移动和精准定位，同时实现工件夹具定位，满足叠加焊接的要求；②人机操作部分，重点是对控制面板和人机界面的操作进行分析；③确定自动焊接设备的操作流程，包括焊前准备、焊接、调整焊枪、单步焊接、完成焊接工作和更换工件，分析各项操作中需要注意的事项。

3 铁路客车钩舌自动焊接设备设计

3.1 设备设计要求

3.1.1 功能要求

铁路客车钩舌焊接设备应具备气体保护焊功能，包括1 个焊接工位和1 个整备工位。钩舌装夹方式简单可靠，能实现系统程序化焊接，且焊接参数满足工艺要求。配备焊烟净化处理装置，各部件牢固，执行器、传动机构灵活可靠，便于维修。

3.1.2 经济性要求

机械设备应具备经济性。经济性体现在生产率高、效率高、能耗低、原材料和辅助材料消耗少、管理和维修费用低等方面。

3.1.3 其他要求

为使操作者更加舒适和安全，应设置完善的安全保护、监控报警、显示设备等，方便操作人员实时掌握设备的工作状态。设备的设计必须满足职业安全规定。

3.2 夹具设计

仿形加工夹具在机床上应用广泛，但在自动焊接机上使用不多。如果按常规思维设计钩重焊接夹具，应将钩重的支撑孔与工件底部进行定位，但由于钩舌在长期磨损过程中，支撑孔的大小已不准确，而且每个零件的磨损程度都不同，如果用钻孔来定位，则S 面的形状不能得到保证。

对于钩舌而言，只要能精确地匹配到S 形表面，并确保S 形的精确，其精度就会得到很大改善。首先大致定位支撑孔，再将钩舌围绕孔眼旋转，使之与模具接触。在调节机构调节时，模具沿着其轴向上移动，以避免与钩舌S 面摩擦，从而确保钩舌S 面彼此靠近。钩舌和舌头重量超过40 kg，不易自己移动，因此夹持装置非常简单。当工件被固定好后，旋进固定销，插进快速换挡垫片，然后紧固螺帽。

3.3 传动机构设计

在钩舌自动焊接设备的开发过程中，传送机构的设计至关重要，将影响焊接质量。本文设计的传动机构基本原理是：工件装夹在工作台上固定不动，焊枪固定在夹具上，夹具可以在垂直方向（X 方向）上下移动、水平方向（Y 方向）左右移动、在X—Y平面前后（Z 方向）运动，实现焊枪在3 个坐标轴的运动。焊枪的轨迹可以通过控制夹具的3 个电机的速度和方向来实现。

3.4 旋转焊接台设计

旋转焊接台的动力来自直流伺服电机，通过调整电压改变电机的速度，不需要额外的减速机构。伺服电机接收来自控制单元（PLC）的指令信息，可以精确控制机械系统执行器——精密工作台的位移。工作台由滚珠丝杠和滚柱导轨组成，摩擦因数低、运动灵活，可以保证传动机构快速、精确、高效的运动。这种方案的缺点是：L 形夹具本体的突出部分过长，工件和夹具的总重量较大，容易使夹具本体弯曲变形，而且工作台材料为铝合金，材料强度较低，承受重压后容易变形，可能影响焊缝仿形精度，尚需要进一步改进。

3.5 焊枪运动控制

通过PLC 编程控制焊枪的摆动和焊接工件的转动。为保证焊接成形，钩舌的S 形面始终保持在船形和水平的状态。所以，为了实现S 形表面的自动堆焊，需要不断地调整工件的位置。为降低焊枪使用次数，提高焊枪工作效率，使焊枪沿纵向摆动，从而增加焊料的沉积。焊接枪的运动使常规的自动堆焊工艺向摆动式焊接工艺如图1 所示。焊接顺序为1→2→3→4（摆动）→5（摆动）一6（摆动）→7（摆动），如在第1 道焊缝由a 为起点焊至b 点，再由第2 道焊缝的c 点焊至d 点，如此循环。

图1 焊枪的焊接顺序控制示意

3.6 焊接流程

3.6.1 焊接前的准备工作

每次通电之前，应检查电源电压是否正常，三相电压是否平衡，接线是否正确；打开气源，检查动力气源的气压是否正常；打开保护气体，调正和检查保护气体的压力和流量。查看机器上有无杂物，旋转焊接平台上是否有工件。若有工件，工件是否夹好，防止开机时未夹稳的工件或其他器物被旋出、卡住，造成事故。

3.6.2 开机后的检查及调整

完成开机前的检查后即可开机，合上电源，打开焊接电源上的“电源开关”；按下主控柜上的“机组启动”按钮，整机上电。四轴数控和焊枪开机后必须先回零。将待焊钩舌放在整备工位上，踩下脚踏开关，夹紧气缸动作，夹紧杆伸进钩舌的轴孔内，检查加紧状态及钩舌S 面的角度，若孔位未对正，可再次踩下脚踏开关，气缸缩回。可反复踩下脚踏开关，直到夹好。装夹好钩舌后，扳动工件换位开关，平台旋转，将待焊钩舌送到焊接工位。

3.6.3 焊枪到位

按下“焊枪到位”按钮，使焊枪和工件从初始位置（零位）运行到焊接位置，调整量可调和确认。

3.6.4 焊接操作

按下“焊接”按钮，第一层焊接开始。当第一道焊接完成后，即焊接到达钩舌的另一端时，焊接自动停止。焊接电流和焊接电压：按预置的规范组取得，该机共设有4 组规范，分别为规范1、规范2、规范3 和手动规范。它们安装在控制箱的右边。这样，在不同的焊接层数可以通过界面来预置，有多种焊接规范供用户选择。

由于该机主要用于大厚度、大面积的堆焊，焊接时焊枪的摆动很有必要。该机专门为摆动设置了一个摆动参数预置界面。通过画面，可以预置和调整摆动参数：摆动幅度、摆动速度、边沿停留时间等。调节这些参数，可以获得不同的焊缝成形。

通过界面可以预置每层焊缝的焊接速度，当需要堆焊较厚的焊道时速度可慢一点，反之则可快一些。

在人机界面上，通过对焊接速度、焊接电流规范、摆动参数的预置，可以组合成满足钩舌堆焊的各个位置、各种不同厚度、不同宽度、不同焊缝外观的要求。这些参数在下一个钩舌的焊接时能自动重现。

3.6.5 焊枪单步调整和焊接

当第一层焊接完成后，按下“单步”按钮，焊枪和工件同时自动进行第二次调整，调整量可以通过人机界面来预置。焊接工人对焊枪与工件的相对位置确认后，按下“焊接”按钮，开始第二道焊缝的焊接。当焊机自动完成第二道焊缝后再按下“单步”按钮，焊枪和工件再一次自动进行调整，调整后按下“焊接”按钮，继续下一层焊接，直到完成全部焊接。每一单步的工件和焊枪的偏移调整量都是按照界面上的预置量来确定的，因此这些参数的预置量要通过大量的焊接试验和修改才能得到，最终获得每步准确的偏移量。

3.6.6 完成焊接和更换工件

焊接完成后，按下“回零”按钮，焊枪和工件同时自动回到初始位置。即：工件（N 轴）下移到最低位置；焊枪（X 轴）右行到右端头；焊枪（Y 轴）提升至最高位置；焊接行走轴（Z 轴）行走到最近位置。

旋动工位选择开关，工位平台旋转，将已焊完的钩舌从焊接工位旋出，将待焊工件旋入焊接工位。如工件没有回零，则焊接平台不旋转。

4 结束语

铁路客车钩舌自动焊接设备的设计、制造、应用，采用自动控制设备代替传统焊修方式，解决了焊接质量问题，降低员工患职业病的风险，提高焊接效率，为企业降低人工成本，创造经济效益。