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[摘 要]侧墙是轨道交通车辆重要组成部件，铝合金材质的车体侧墙，通过IGM自动焊组焊为侧墙整体，并需要在数控龙门加工中心完成玻璃侧窗安装窗口的加工。本文通过对铝合金侧墙整体加工的实施过程进行研究，针对目前城轨车辆铝合金侧墙加工工艺及加工效果，从整合优化加工程序及测量抵消零件挠度影响方面，以SIEMENS 840D sl数控系统为平台，提出了工艺优化方法，达到了提质增效的效果。
[关键词]数控加工；测量控制；挠度抵消；生产效率
中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）17-0086-03
1.概述
近年来，随着我国城市轨道交通装备的快速发展，城市轨道车辆制造技术不断革新，制造标准日益严格。侧墙是城轨车辆的重要组成部件，侧墙加工质量直接影响城轨车辆整体质量，有非常严格的质量要求。目前，城轨车辆车体一般采用不锈钢或铝合金材质，其中铝合金车体侧墙需要在数控龙门加工中心進行窗口加工，窗口作为城轨车辆玻璃侧窗安装位置，位置精度及尺寸精度直接影响玻璃侧窗安装质量，从而影响城轨车辆的整体质量。
2.侧墙结构
城轨车辆铝合金车体一般采用大型双层中空铝型材，整面侧墙由多组侧墙单元和一组边梁组合而成，每组侧墙单元由多块侧墙型材组成。各型材间组成方式为焊接。
3.制造工艺现状
侧墙制造主要工序包括：侧墙组焊和侧墙加工。
（1）侧墙组焊
预置挠度：考虑到后续车体总组焊过程产生的变形及车体设计强度的需要，在施工前需对侧墙进行预置挠度，即侧墙整体在通长方向分布着不同的挠度值，整块侧墙在长度方向上呈弯曲状。合理的预置挠度通过后续一系列工序施工和变形后最终将达到符合设计要求的产品。
型材组焊：侧墙由多块不同型材拼接组焊而成，每块侧墙单元区域分布3条纵向焊缝。焊接方式采用IGM自动焊接设备进行焊接。焊接过程中将会产生焊缝收缩现象，收缩量无法提前准确设定，即收缩量不能实现精确控制。
（2）侧墙加工
加工设备采用双工位五轴数控龙门加工中心，该设备具备测量循环控制功能。整块侧墙整体加工需要对每个侧墙单元进行独立的工件零点测量，即每测量完成1个侧墙单元的工件零点加工1个窗口，4个侧墙单元既需要重复进行4次工件零点测量和4次测量后加工工作。加工程序只以1个侧墙单元的加工内容来设定，4块侧墙单元之间无任何联系。
工艺流程：装夹定位—（工件零点测量—挠度测量—窗口加工）重复4次
1）工件零点测量
采用传统手动对刀方式，在人员观察下，移动主轴到每个侧墙预设定的X/Y/Z零点附近，启动测量循环，利用测量探头测量并记录零点位置数据。
X零点：每个侧墙单元中轴线；Y零点：窗口下方第一个滑槽上表面；Z零点：侧墙型材内侧面
2）挠度测量
由于侧墙焊接过程中的变形及预置挠度影响，每块侧墙单元与侧墙整体间存在相对角度偏移，并且窗口区域的3块型材不在同一个平面内。加工前需要对该偏移量及平面度进行测量并在加工过程中修正。
原测量控制方案：
测量控制（Y向）：利用窗下第一个滑槽（即Y零点），在该滑槽两端测2个点（Y1＼Y2），记录该点与Y零点之间的差值，加工过程中将该差值引入加工程序对走刀路径进行修正。如图2所示：
由上图可知，由于焊接变形及预置挠度的影响，未修正的加工路径将与侧墙整体间存在一定的角度偏差。经过2个Y测量点控制修正后，窗口上下沿与侧墙平行，但是窗口两侧边与侧墙整体仍然存在微小夹角，加工质量不理想。
平面度测量控制：在窗口4个角落选取4个测量点，测量其Z值与Z零点之间的差值，在加工过程中将该值引入加工程序对走刀路劲进行修正。如图3所示：
由上图可知，由于焊接变形的影响，未修正的加工路径将有可能导致加工过程发生过切现象，损坏母材。Z向加工路径经过4个测量数据修正后，目标路径为图3中黑线所示，但由于窗口区域有2条焊缝的变形影响，仍然存在过切风险。
3）加工过程
原方案中每个窗口独立测量，则需要对每个侧墙单元进行独立測量和加工，整个过程从侧墙一位端第一个侧墙单元开始依次向第四个窗口进行测量和加工，加工周期较长。
加工过程路径修正方法：直接将测量值与目标值的差值通过参数赋值的方法相加在加工程序坐标位置数据上，以达到微调加工路径的目的。加工后效果如图2、3所示。
4.问题分析
根据以上对侧墙加工工艺现状阐述可知，通过上述测量控制方法实施的加工质量仍然不理想：
（1）窗口与侧墙整体相对位置关系仍然存在偏差，主要表现在窗口两侧轮廓与侧墙存在的微小夹角，并且导致加工出来的窗口不是矩形，窗口相邻两边不垂直。
（2）侧墙加工过程中在Z向选用4个测量点进行控制，实际窗口跨越3块型材，有2条焊缝影响，并不能完全消除过切隐患。
（3）一块侧墙需要重复进行4次零点测量和加工，自动化程度低，受人为影响因素较多，导致加工效率低，并且发生质量问题的概率较大。
5.优化方案
根据上述加工方案的结果可知，要达到完美的处理方案则需要完成以下几点改进：
第一、加工程序中不调整基础窗口尺寸数据，从改变偏移和旋转工件坐标系入手，在加工程序中根据各侧墙单元相对侧墙整体的偏移值（挠度影响值）对工件坐标系进行自动偏移和旋转，用来在加工过程中抵消侧墙单元与侧墙整体间的偏移。
第二、在原有4个Z向测量点的基础上，增加4个测量点，均布在窗口周围。保证每块型材上都分布了相应的测量点。加工过程中，程序自动调用每个测量值，保证走刀至任何一块型材上时，加工路径都能够立即调整至对应的值，保证不发生过切现象。 第三、整块侧墙即4个侧墙单元选择同一个工件坐标零点，加工程序中通过自动测量和坐标偏移自动确定加工基准。并且利用机床坐标数据赋值功能，自动进行工件坐标零点的测量。
全程只需要进行一次自动工件零点测量和一次启动加工主程序即可完成整块侧墙的加工过程，且加工过程中无人为因素影响。
（1）工件零点自动测量
利用机床参数赋值功能，将预设定的工件零点在机床坐标下的数据赋值到工件坐标数据中。
1）操作流程：移动主轴至预设定的工件零点附近—调整自动测量程序中机床坐标信息—启动自动测量程序进行工件零点自动测量
2）程序执行步骤：测量预设定X零点附近辅助X点—根据辅助X点测量辅助Z点—根据辅助Z点测量工件X零点—测量Y零点附近辅助Y点—根据辅助Y点测量Z零点—根据辅助Y点和Z零点测量Y零点—赋值至预定工件坐标G54
综上所述，经过一系列测量与修正，窗口加工结果与侧墙整体保持正确的相对位置关系，且加工过程安全可靠，整块侧墙加工内容一次完成，加工效率明显提升。
6.实施效果及对比
原加工方案中，每个窗口单独测量，单独加工。多次的人工测量导致加工周期长、且加工质量不理想。
优化方案中，一次自动测量即可完成4个窗口一次加工。加工周期明显缩短，且通过程序中的函数运算，加工质量理想可靠。具体对比如下表所示：
对比图3和图5可知，执行优化方案加工的侧墙窗口与整个侧墙相对位置关系正确，不存在偏差，很好的控制了加工质量。
7.结语
（1）通过改变固定的程序设计思维，灵活利用参数化编程语言，将复杂无章的程序转化为系统的程序数据，实现加工次数最少且自动化程度最大化的加工過程。利用该加工方案提高加工设备的有效利用率，提高加工效率。并且，针对大部件的这种编程思路可广泛应用于包括高速动车组在内的不同城市轨道交通车体大部件数控加工过程，可有效提高产品质量和生产效率。
（2）在城市軌道交通装备高速发展的今天，先进、高效的数控加工技术对车体制造越来越重要，有效的提高数控设备的应用技术及利用率，能够保证产品质量，提升产能。
参考文献
[1] 廖德建，顾雪艳.数控加工工艺与编程[M].南京：东南大学出版社，2013.
[2] 彼得·斯密德.数控编程手册[M].北京：化学工业出版社，2016.
[关键词]数控加工；测量控制；挠度抵消；生产效率
中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）17-0086-03
1.概述
近年来，随着我国城市轨道交通装备的快速发展，城市轨道车辆制造技术不断革新，制造标准日益严格。侧墙是城轨车辆的重要组成部件，侧墙加工质量直接影响城轨车辆整体质量，有非常严格的质量要求。目前，城轨车辆车体一般采用不锈钢或铝合金材质，其中铝合金车体侧墙需要在数控龙门加工中心進行窗口加工，窗口作为城轨车辆玻璃侧窗安装位置，位置精度及尺寸精度直接影响玻璃侧窗安装质量，从而影响城轨车辆的整体质量。
2.侧墙结构
城轨车辆铝合金车体一般采用大型双层中空铝型材，整面侧墙由多组侧墙单元和一组边梁组合而成，每组侧墙单元由多块侧墙型材组成。各型材间组成方式为焊接。
3.制造工艺现状
侧墙制造主要工序包括：侧墙组焊和侧墙加工。
（1）侧墙组焊
预置挠度：考虑到后续车体总组焊过程产生的变形及车体设计强度的需要，在施工前需对侧墙进行预置挠度，即侧墙整体在通长方向分布着不同的挠度值，整块侧墙在长度方向上呈弯曲状。合理的预置挠度通过后续一系列工序施工和变形后最终将达到符合设计要求的产品。
型材组焊：侧墙由多块不同型材拼接组焊而成，每块侧墙单元区域分布3条纵向焊缝。焊接方式采用IGM自动焊接设备进行焊接。焊接过程中将会产生焊缝收缩现象，收缩量无法提前准确设定，即收缩量不能实现精确控制。
（2）侧墙加工
加工设备采用双工位五轴数控龙门加工中心，该设备具备测量循环控制功能。整块侧墙整体加工需要对每个侧墙单元进行独立的工件零点测量，即每测量完成1个侧墙单元的工件零点加工1个窗口，4个侧墙单元既需要重复进行4次工件零点测量和4次测量后加工工作。加工程序只以1个侧墙单元的加工内容来设定，4块侧墙单元之间无任何联系。
工艺流程：装夹定位—（工件零点测量—挠度测量—窗口加工）重复4次
1）工件零点测量
采用传统手动对刀方式，在人员观察下，移动主轴到每个侧墙预设定的X/Y/Z零点附近，启动测量循环，利用测量探头测量并记录零点位置数据。
X零点：每个侧墙单元中轴线；Y零点：窗口下方第一个滑槽上表面；Z零点：侧墙型材内侧面
2）挠度测量
由于侧墙焊接过程中的变形及预置挠度影响，每块侧墙单元与侧墙整体间存在相对角度偏移，并且窗口区域的3块型材不在同一个平面内。加工前需要对该偏移量及平面度进行测量并在加工过程中修正。
原测量控制方案：
测量控制（Y向）：利用窗下第一个滑槽（即Y零点），在该滑槽两端测2个点（Y1＼Y2），记录该点与Y零点之间的差值，加工过程中将该差值引入加工程序对走刀路径进行修正。如图2所示：
由上图可知，由于焊接变形及预置挠度的影响，未修正的加工路径将与侧墙整体间存在一定的角度偏差。经过2个Y测量点控制修正后，窗口上下沿与侧墙平行，但是窗口两侧边与侧墙整体仍然存在微小夹角，加工质量不理想。
平面度测量控制：在窗口4个角落选取4个测量点，测量其Z值与Z零点之间的差值，在加工过程中将该值引入加工程序对走刀路劲进行修正。如图3所示：
由上图可知，由于焊接变形的影响，未修正的加工路径将有可能导致加工过程发生过切现象，损坏母材。Z向加工路径经过4个测量数据修正后，目标路径为图3中黑线所示，但由于窗口区域有2条焊缝的变形影响，仍然存在过切风险。
3）加工过程
原方案中每个窗口独立测量，则需要对每个侧墙单元进行独立測量和加工，整个过程从侧墙一位端第一个侧墙单元开始依次向第四个窗口进行测量和加工，加工周期较长。
加工过程路径修正方法：直接将测量值与目标值的差值通过参数赋值的方法相加在加工程序坐标位置数据上，以达到微调加工路径的目的。加工后效果如图2、3所示。
4.问题分析
根据以上对侧墙加工工艺现状阐述可知，通过上述测量控制方法实施的加工质量仍然不理想：
（1）窗口与侧墙整体相对位置关系仍然存在偏差，主要表现在窗口两侧轮廓与侧墙存在的微小夹角，并且导致加工出来的窗口不是矩形，窗口相邻两边不垂直。
（2）侧墙加工过程中在Z向选用4个测量点进行控制，实际窗口跨越3块型材，有2条焊缝影响，并不能完全消除过切隐患。
（3）一块侧墙需要重复进行4次零点测量和加工，自动化程度低，受人为影响因素较多，导致加工效率低，并且发生质量问题的概率较大。
5.优化方案
根据上述加工方案的结果可知，要达到完美的处理方案则需要完成以下几点改进：
第一、加工程序中不调整基础窗口尺寸数据，从改变偏移和旋转工件坐标系入手，在加工程序中根据各侧墙单元相对侧墙整体的偏移值（挠度影响值）对工件坐标系进行自动偏移和旋转，用来在加工过程中抵消侧墙单元与侧墙整体间的偏移。
第二、在原有4个Z向测量点的基础上，增加4个测量点，均布在窗口周围。保证每块型材上都分布了相应的测量点。加工过程中，程序自动调用每个测量值，保证走刀至任何一块型材上时，加工路径都能够立即调整至对应的值，保证不发生过切现象。 第三、整块侧墙即4个侧墙单元选择同一个工件坐标零点，加工程序中通过自动测量和坐标偏移自动确定加工基准。并且利用机床坐标数据赋值功能，自动进行工件坐标零点的测量。
全程只需要进行一次自动工件零点测量和一次启动加工主程序即可完成整块侧墙的加工过程，且加工过程中无人为因素影响。
（1）工件零点自动测量
利用机床参数赋值功能，将预设定的工件零点在机床坐标下的数据赋值到工件坐标数据中。
1）操作流程：移动主轴至预设定的工件零点附近—调整自动测量程序中机床坐标信息—启动自动测量程序进行工件零点自动测量
2）程序执行步骤：测量预设定X零点附近辅助X点—根据辅助X点测量辅助Z点—根据辅助Z点测量工件X零点—测量Y零点附近辅助Y点—根据辅助Y点测量Z零点—根据辅助Y点和Z零点测量Y零点—赋值至预定工件坐标G54
综上所述，经过一系列测量与修正，窗口加工结果与侧墙整体保持正确的相对位置关系，且加工过程安全可靠，整块侧墙加工内容一次完成，加工效率明显提升。
6.实施效果及对比
原加工方案中，每个窗口单独测量，单独加工。多次的人工测量导致加工周期长、且加工质量不理想。
优化方案中，一次自动测量即可完成4个窗口一次加工。加工周期明显缩短，且通过程序中的函数运算，加工质量理想可靠。具体对比如下表所示：
对比图3和图5可知，执行优化方案加工的侧墙窗口与整个侧墙相对位置关系正确，不存在偏差，很好的控制了加工质量。
7.结语
（1）通过改变固定的程序设计思维，灵活利用参数化编程语言，将复杂无章的程序转化为系统的程序数据，实现加工次数最少且自动化程度最大化的加工過程。利用该加工方案提高加工设备的有效利用率，提高加工效率。并且，针对大部件的这种编程思路可广泛应用于包括高速动车组在内的不同城市轨道交通车体大部件数控加工过程，可有效提高产品质量和生产效率。
（2）在城市軌道交通装备高速发展的今天，先进、高效的数控加工技术对车体制造越来越重要，有效的提高数控设备的应用技术及利用率，能够保证产品质量，提升产能。
参考文献
[1] 廖德建，顾雪艳.数控加工工艺与编程[M].南京：东南大学出版社，2013.
[2] 彼得·斯密德.数控编程手册[M].北京：化学工业出版社，2016.