CN102354150B

CN102354150B - 铝合金车体侧墙窗口加工方法

Info

Publication number: CN102354150B
Application number: CN2011101967193A
Authority: CN
Inventors: 鲍洪阳; 朱艺海
Original assignee: Changchun Railway Vehicles Co Ltd
Current assignee: CRRC Changchun Railway Vehicles Co Ltd
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2031-07-14
Also published as: CN102354150A

Abstract

一种铝合金车体侧墙窗口加工方法，其特征在于：挠度模型建立：根据已知挠度与车体长度计算出半径，再由半径导出各个窗口中心的理论挠度值；采用测量补偿工艺检测误差：利用机床的测量功能，测得侧墙实际弯曲数值与理论计算的弯曲数值的偏差，通过该偏差计算出窗口的实际挠度值与旋转角度；开发能自动补偿误差的加工程序实现精确加工：依据测量所得偏差修正理论计算的弯曲数值，并通过参数传递方式自动传递给机床加工程序，从而实现侧墙窗口位置的精确加工。本发明测量补偿能够完美的解决焊接变形与精确加工位置定义之间的矛盾，保证了产品质量与设计要求的一致性。由于使用了侧墙挠度值的理论计算与实际偏差分别补偿，从而区分了挠度产生后窗口位置变化的系统因素和偶然因素，使测量时间大幅缩短，提高了生产效率。

Description

铝合金车体侧墙窗口加工方法

技术领域

本发明公开一种高速铝合金车体侧墙窗口加工工艺，属于轨道客车制造技术领域。

背景技术

传统的车体侧墙窗口加工方案是：将侧墙挠度模型是在另外一个辅助的三维软件中对三维模型进行弯曲变形，按照变换的新模型对窗口自动编程，该三维软件与自动编程软件要近百万。对于不同的车型、窗口类型，位置尺寸各不相同，对数控手工编程难度较大，单件侧墙窗口加工的手工编程要将近两周时间，手工编程周期长，不利于快速实现批量生产。

发明内容

本发明公开一种高速铝合金车体侧墙窗口加工工艺，目的是简化加工编程工作，降低制造成本，对于不同的车型可实现手工快速编程，提高生产效率，精简编程人员数量。

为实现上述目的，本发明提供一种铝合金车体侧墙窗口加工方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)挠度模型建立：根据已知挠度与车体长度计算出半径，再由半径导出各个窗口中心的理论挠度值；

(2)采用测量补偿工艺检测误差：利用机床的测量功能，测得侧墙实际弯曲数值与理论计算的弯曲数值的偏差，通过该偏差计算出窗口的实际挠度值与旋转角度；

(3)开发能自动补偿误差的加工程序实现精确加工：依据测量所得偏差修正理论计算的弯曲数值，并通过参数传递方式自动传递给机床加工程序，从而实现侧墙窗口位置的精确加工。

采用测量补偿工艺检测误差是将窗口编号，窗口长度、宽度、圆角、位置参数化，并通过主程序控制，子程序控制测量点位置，计算理论挠度并执行测量动作，根据测量结果计算该编号窗口的实际挠度与实际旋转角度，改变主程序中每个窗口的位置编号和车体纵向的位置尺寸，再循环调用子程序，即可完成对整个侧墙所有窗口的测量程序编制。

开发能自动补偿误差的加工程序实现精确加工是将窗口编号，窗口长度、宽度、圆角、位置参数化，并通过主程序控制，子程序将加工坐标系平移至待加工窗口中心，按照测量补偿计算实际旋转角度旋转坐标系，利用三坐标联动的方式加工该编号下的窗口，通过主程序控制位置，子程序控制动作，通过编写每个侧墙不同窗口的位置编号和车体纵向位置尺寸，即可迅速完成窗口加工程序的编制。

本发明测量补偿能够完美的解决焊接变形与精确加工位置定义之间的矛盾，保证了产品质量与设计要求的一致性。由于使用了侧墙挠度值的理论计算与实际偏差分别补偿，从而区分了挠度产生后窗口位置变化的系统因素和偶然因素，使测量时间大幅缩短，提高了生产效率。

附图说明

图1是不带挠度侧墙示意图；

图2是窗口中心位置沿着侧墙挠度呈弧形变化示意图；

图3是窗口的形状沿着挠度呈弧形变化的加工后成品侧墙示意图；

图4是侧墙加工工装平面图；

图5是工装断面图；

图6是挠度模型图；

图7是加工程序流程图。

具体实施方式

1、窗口在带挠度的侧墙上的分布方式

对于高速动车组车体而言需要制造出类似于桥梁的弓形结构的挠度来获得更好的力学性能，因此车体在最后组焊成形前，底架、车顶、侧墙这三大部件都必须制造出一定挠度，侧墙是位于车体两侧的关键部件，由于结构原因(侧墙在截面最厚方向制造挠度，车顶、底架则在截面最薄方向制造挠度)，侧墙需要整体组焊后，再在带挠度的侧墙上加工窗口。

参照图1，为设计图纸中所给出的侧墙窗口示意图，侧墙不带任何挠度。

参照图2，表示在带挠度的侧墙上对窗口位置做平移变化，每个窗口中心按照所在位置的不同挠度值向上平移不同的距离，使窗口中心位置沿着挠度呈弧形变化。

参照图3，表示在带挠度的侧墙上对窗口做旋转变化，以每个窗口中心为旋转中心，不同的窗口旋转其相应的角度(该角度在“4测量补偿工艺”中给出)，使窗口的形状沿着挠度呈弧形变化，即为窗口加工后的成品侧墙。

2、侧墙加工工装方案

侧墙加工采用专用的带预置挠度的工装，为避免干涉，上表面不设夹紧位置，夹紧方式采用靠近地板一侧设定位块，靠近车顶一侧设双销定位螺杆的方式实现，利用夹紧表面的向下分力锁定零件。

参照图4、图5，为CRH3时速300km动车组项目中的带挠度侧墙加工工艺。图4中2为加工后的窗口，窗口的数量为10组，图5中部位4为上窗带，是测量挠度的基准。窗口上边缘与上窗带面的距离为125。整个工装方案如下：

(1)按照避开加工孔及避免工装与机床主轴相干涉的原则，调整15根移动横梁1间距，在移动横梁上安装支撑梁7；

(2)在支撑梁7上安装支撑模块5，支撑梁的一端安装定位模块3，另一端安装压紧模块6，压紧模块6也可设计成液压的形式，既可以实现上表面不设夹紧位置，又可以实现人工省力，缩短加工辅助时间，适合大批量生产。压紧模块与支撑梁为销连接，互换性较好；定位模块3的厚度根据挠度值及移动横梁间距确定，定位模块厚度可按照以下方法得到：

①在AUTOCAD软件中画一条长为车体长度的水平线段；

②在已画线段的中点处的垂直方向画高度为已知挠度的线段；

③再根据三点圆的方式画一段圆弧；

④根据支撑横梁分布的位置等分①中的线段；

⑤画出等分点到③中圆弧的竖直线段；

⑥量出⑤中所画线段的长度，即为定位模块间的相对厚度差，如果给定最厚的定位模块的厚度为100mm，即可得到所有不同定位模块的厚度，如下表：

梁号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
																A	82.11	85.89	90.20	93.73	96.47	98.43	99.61	100	99.61	98.43	96.47	93.73	90.20	85.89	82.11

3挠度模型建立

参照图6，侧墙的挠度无法从设计图纸中体现，因此需要在加工程序中利用数学模型计算侧墙上任意一点的挠度补偿值，鉴于车体制造过程中挠度允许存在偏差，因此机加程序开发的关键是理论补偿与实际探测相结合，以实现窗口位置的精确加工。

装夹带挠度侧墙，测量挠度值。由于侧墙窗口中心在挠度方向上不同点的理论偏移与该点在车体长度方向的坐标值存在函数关系，因此建立坐标系9，按照此函数关系，在已知侧墙上任何一点在x向的坐标就可得出该点y向理论偏移数值，将该数值记作h1，则参数h1与参数x之间可以建立函数关系，如下：

∵r²-(r-h)²＝d²

∴r＝(d²+h²)/2h

∴

h 1 = h - (r - \sqrt{r^{2} - {| x |}^{2}})

r-侧墙预置弧线的曲率半径(未知)

d-车体中心到门口(端头)的距离(已知)

h-最大挠度值(已知)

h1-窗口中心理论偏移距离(未知)

x-任意一点窗口中心在X方向的位置尺寸，零点为车体中心(已知)

据此公式，只要知道侧墙上任意点距侧墙中心的距离x，即可得到该点的理论挠度值h1。

4、测量补偿工艺

参照图6，①～⑥分别代表窗口左下、中下、右下、右上、中上、左上六个位置点，⑦～⑨代表上窗带左、中、右三个基准点。图中8代表待加工窗口，9代表零件坐标系，测量待加工窗口8的①～⑥点的Z向的偏差值(垂直于纸面向外方向)，记作MP1～MP6，测量⑦～⑨三点y向坐标值，将测得的偏差值记作MP7～MP9，测量点为图5断面图中7所示的侧墙上窗带。

根据挠度模型，可算得⑦～⑨这三点理论的挠度值记为h⑦、h1、h⑨，窗口的长度已知，假设为a，则该窗口的实际挠度为(h1+MP8)，该位置窗口的实际旋转角度为α＝(arcsin((h⑦+MP7)-(h⑨+MP9))/a)。将机床自变量地址定义一个二维的数组，把窗口按数字编号，将该编号下的窗口实际旋转角度α、实际挠度值(h1+MP8)和测得的窗口六个顶点的坐标值一并存入该编号的机床自定义变量中。如可定义二维数组MP[12，12]，若该窗口的位置编号为n(n＝1、2、3...)，则将测量数值①～⑨、α、(h1+MP8)依次存储在地址MP[n，1]～MP[n，11]中。依次测量每个窗口的九个位置，并将测量与计算的结果依次存储在相应位置编号的地址中，以供编写实际走刀路径的加工程序时使用。

由于侧墙焊接的挠度变化基本在-2～5mm之间变化，所以通过检查自定义变量数值①～⑨有无异常偏离，即可完成对窗口加工的实际位置进行预判，从而区分了挠度产生后窗口位置变化的系统因素和测量系统信号干扰的偶然因素，使测量时间大幅缩短，提高了生产效率。

5加工流程

参照图4，图中2为已经加工完的窗口，由图可知侧墙窗口的形状都是由直线和四分之一圆弧构成，且窗口的大小变化较少，只是不同车型窗口的位置尺寸不一致，这便给窗口加工程序的参数化编写提供了有利条件，相同的尺寸只用一个参数代替，在很大程度上避免了手工编写程序多次输入数字而造成错误，而且程序的编写得到简化。

参照图6，图中8为加工窗口的示意图，只需要在主程序中输入该窗口的位置序号n，窗口的x向位置，窗口的长、宽、圆角半径，子程序即可自动找到自变量地址中该窗口的测量高度补偿值、窗口y向的实际挠度值以及窗口的旋转角度。数控机床可根据该窗口的形状信息以及上述参数以三坐标联动的方式完成窗口加工。即通过主程序控制形状和位置，子程序控制机床运行的动作，从而使程序编写得到简化。

参照图6，窗口测量程序流程如下：

主程序流程：

(1)调用三坐标测量探头；

(2)建立零件坐标系9(以零件的x方向中心为x0，最左侧或最右侧的窗口横向中心为y0，零件上表面为z0，)；

(3)定义窗口其他形状尺寸参数：长度a，宽度w，圆角r；

(4)将窗口编号，n＝1，2，3......输入第一个待加工窗口的编号n＝1和该窗口中心在x方向的位置尺寸；

(5)进入测量与计算的子程序流程：

(5.1)根据挠度模型计算出⑦～⑨理论偏移距离h⑦、h1、h⑨；

(5.2)参照图5、图6可知，窗口中心沿着上窗带随着挠度弧形变化，可设窗口中心到上窗带的距离为d；

(5.3)测量①～⑥点在z方向的偏差，分别用主程序流程中的参数表示，则①～⑥坐标值分别表示为，(x+a/2，w/2，0)(x，w/2，0)(x-a/2，w/2，0)(x-a/2，-w/2，0)(x，-w/2，0)(x+a/2，-w/2，0)，测量结果存储在二维数组地址MP[n，1]～MP[n，6]中，测量⑦～⑨三点y向偏差，坐标值分别为(x+a/2，h⑦+d，MP[n，6])(x，h1+d，MP[n，5])(x-a/2，h⑨+d，MP[n，4])，测量结果存储在二维数组地址MP[n，7]～MP[n，9](由于主程序流程中n＝1，此时n为1，且随主程序流程中n变化)中；

(5.4)调用测量子程序流程，分别测量①～⑥点在z方向的偏差，⑦～⑨点在y方向的偏差，将测得的数据分别存储在MP[n，1]～MP[n，9]中；

(5.5)计算窗口实际位置挠度等于h1+MP[n，8]，，

(5.6)计算窗口旋转角度，

α＝(arcsin((h⑦+MP[n，7])-(h⑨+MP[n，9]))/a)存储在地址MP[n，11]中。

(6)输入下一个待加工窗口的编号n＝2......和该窗口中心在x方向的位置尺寸，继续执行子程序流程，依次进行将窗口测量完毕。

参照图6、图7，窗口加工程序流程如下：

主程序流程：

(1)调用加工窗口铣刀，定义初始数据(如安全高度等)；

(2)建立零件坐标系9(以零件的x方向中心为x0，最左边或最右边的窗口横向中心为y0，零件上表面为z0，)；

(3)定义窗口其他形状尺寸参数：长度a，宽度w，圆角r；

(4)将窗口编号，n＝1，2，3......输入第一个待加工窗口的编号n＝1和该窗口中心在x方向的位置寸；

(5)进入窗口加工的子程序流程：

(5.1)平移零件坐标系9至第n个窗口中心，(参照图6，坐标系10是坐标系9偏移后的位置，坐标系10在坐标系9中的位置为(x，h1+MP[n，8]，0))

(5.2)旋转平移后的坐标系，旋转角度为α；

(5.3)采用直线插补和圆弧插补的方式加工该窗口，采用顺铣的方式加工，刀具路径为②-③-④-⑤-⑥-①-②，机床运动采用三坐标联动的方式，每个点的坐标值都用a、w、MP[n，m](m＝1、2、3......6，代表①～⑥点)来表示，如③点的坐标值为(-a/2，，-w/2，MP[n，3])；

(6)输入下一个待加工窗口的编号n＝2......和该窗口中心在x方向的位置尺寸，调用子程序流程，依次编写每一个窗口的编号和窗口中心在x方向的位置尺寸，即可完成加工程序的编写，若中间有个别窗口的形状有变化，可单独对有变化的窗口重新定义长度a，宽度w，圆角r等。

参照图7，该程序流程图中主程序同样适用于测量程序，测量程序的子程序只需将所要测量的点分别用a、w表示，将测量和计算的结果分别用存储在自变量地址MP[n，1]～MP[n，11]中。

Claims

1.一种铝合金车体侧墙窗口加工方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）挠度模型建立：将侧墙还原成一个半径较大的圆弧，侧墙窗口依次分布在圆弧上，则侧墙的长度即为圆弧所对应的弦，弦到圆弧的顶点为侧墙的挠度，根据弦、挠度、圆弧半径之间的三角函数关系，已知侧墙挠度和长度即可导出圆弧半径，以挠度线段与弦线段的交点为原点建立空间坐标系，根据已知每个窗口中心在车体长度方向上的尺寸及圆弧半径之间的三角函数关系，导出任意窗口中心在坐标系中的理论偏移数值，可计算出窗口左右边缘两侧的偏移数值；

（2）采用测量补偿工艺检测误差：分别将窗口的长度、宽度、中心定位尺寸参数化，根据已建立的空间坐标系，利用机床本身的三坐标测量功能，分别测量窗口z向左下、中下、右下、右上、中上、左上6点，窗带y向左、中、右3点，z向测量值在加工时作为深度补偿值，利用y向测量值结合挠度模型建立中算得的挠度理论值，获得窗口的实际挠度实际旋转角度，将所有的边梁存入机床自定义的变量中，以供加工程序使用；

（3）开发能自动补偿误差的加工程序实现精确加工：将窗口的位置形状参数与机床的动作指令分离，通过依次输入每个窗口的编号、长度、宽度、侧墙长度方向的位置数据，便可自动计算每个测量点与加工的轮廓的拐点，并循环调用动作指令，快速完成任意挠度、任意窗口位置的数控加工。