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背景技术
[0002] 我国
铁路车辆的维修保养制度采用
预防为主的原则，分为定期检修和运用保养。车辆定期检修的修程，分为厂修、段修、辅修和轴检四级修程，其中C80车辆取消了辅修分为厂修和段修两级修成，其厂修周期是8年或160万公里，段修周期是2年或40万公里。车辆段修的根本任务是：保持车辆在下次厂修之前的各部状态性能良好；延长车辆配件的使用寿命；减少临修，消灭行车事故，保证运行安全，提高车辆使用效率。按照铁路车辆段修规程，段修时要详细检查各部件及零配件、
紧固件的技术状态：裂纹、磨耗、
腐蚀、弯曲
变形等应按规程规定的限度或要求加修；松动、丢失、折损等不良情况，应予施修。另外，铁路车辆对于符合列检摘车修理范围的故障需要进行临修，如车体墙板破损、穿孔等。
[0003] 某些型号的车辆（如C80）车体采用
铝合金铆接结构，在装车受到意外撞击时，车体容易出现破损，有些车辆被铁路沿线侵入物划伤，造成不规则的凹坑甚至漏洞，这些都给运输带来了巨大的安全隐患。由于
铝合金焊接操作技能要求较高，在铁路车辆检修中一直没有得到推广应用，而且传统
电弧焊会导致铝合金强度大幅度下降，
焊缝常出现气孔、裂纹、夹渣等
缺陷，并且焊接时的粉尘和烟雾对人体有害，污染环境，铝合金车体的修复非常困难，因此目前检修铝合金车辆车体的端墙与侧墙破损故障时，均采取整板更换方式。更换前，必须先将支柱和环槽部位所有连接用哈克
铆钉切割掉，使得铝合金车辆的检修成本高，检修时间长，周转慢，大幅度增加了企业的运营成本。
发明内容
[0004] 为了解决段修或者临修过程中，检查到铝合金车辆车体在运用中出现的裂纹、破损等问题，本发明设计一种车辆墙板修复系统，用以完成铝合金车辆车体的修复工作，该装置具有焊缝
质量好、成本低、效率高、无污染等优点。
[0005] 本发明具体采用如下技术方案：该系统包括摩擦搅拌焊装置，其用于给车辆墙板的破损
位置进行
铣削以及焊接作业；
移动平台，其用于运载和升降摩擦搅拌焊装置；遥控单元，其用于遥控操作所述移动平台运动；控制单元，其用于根据所述摩擦搅拌焊装置的位置信息对其进行动作控制；通讯单元，其设置在所述摩擦搅拌焊装置上，用于所述摩擦搅拌焊装置和所述控制单元之间的
信号传递；信息采集单元，其设置在所述摩擦搅拌焊装置上，用于采集所述摩擦搅拌焊装置的位置信息。
[0006] 优选地，所述移动平台包括用于
水平移动的多个滚轮、用于固定夹紧所述摩擦搅拌焊装置的夹紧机构、用于升降摩擦搅拌焊装置的举升机构，以及接受遥控信号的信号收发装置。
[0007] 优选地，摩擦搅拌焊装置包括对车辆墙板的破损位置进行修复的搅拌摩擦焊单元、为搅拌摩擦焊焊接过程提供顶锻
力的旋转伸缩臂单元、将该装置在车厢墙板上实现
定位和固定的上
夹钳和下夹钳、用于将该装置与墙板的破损位置对准的
激光器。
[0008] 优选地，所述遥控单元控制所述移动平台将摩擦搅拌焊装置平行运送至墙板的破损位置正下方，然后开启激光器，所述遥控单元控制举升机构升起摩擦搅拌焊装置，在激光器发出的激光线与破损位置重合时停止举升机构的运行，通过上夹钳和下夹钳分别将摩擦搅拌焊装置的上端和下端固定在墙板上。
[0009] 优选地，所述摩擦搅拌焊装置固定在墙板上后，所述搅拌摩擦焊单元将墙板破损位置铣出边缘带有
角度的圆孔，所述通讯单元将该圆孔的位置坐标发送给所述控制单元。
[0010] 优选地，旋转伸缩臂单元包括旋转驱动
电机、伸缩臂、伸缩撑杆、液压驱动装置以及顶板；伸缩臂和伸缩撑杆由旋转
驱动电机驱动旋转，伸缩臂和伸缩撑杆在液压驱动装置的驱动下能够进行伸缩，伸缩撑杆的两端均设置有顶板。
[0011] 优选地，信息采集单元包括两个位置
传感器，两个
位置传感器其中之一设置在所述伸缩臂上，另一个设置在所述伸缩撑杆上，所述两个位置传感器分别实时采集伸缩臂和伸缩撑杆的位置信息。
[0012] 优选地，所述控制单元接收到所述圆孔的位置坐标后，对所述通讯单元发送操作旋转伸缩臂单元的控制指令，通过旋转驱动电机控制旋转伸缩臂单元从车厢外部旋转到车厢内部，然后通过液压驱动装置驱动伸缩臂和伸缩撑杆伸长，所述通讯模
块将两个位置传感器采集的位置信息实时传递给所述控制单元，所述控制单元以所述圆孔的位置坐标的基准点，根据两个位置传感器采集的实时位置信息不断调整控制指令，直至伸缩撑杆一端的顶板顶住所述圆孔。
[0013] 优选地，所述伸缩撑杆一端的顶板顶住所述圆孔后，所述控制单元通过液压驱动装置控制所述伸缩撑杆的另一端伸长，直至另一端的顶板顶住圆孔对面墙板的车厢内侧。
附图说明
[0014] 图1 是摩擦搅拌焊装置整体结构图。
[0016] 图3 是旋转伸缩臂单元结构图。
[0017] 图4 是上夹钳结构图。
[0018] 图5 是下夹钳结构图。
[0019] 图6 是搅拌摩擦焊单元结构图。
[0020] 图7 是Z轴的进给驱动单元结构图。
[0021] 图8 是环形运动驱动单元结构图。
[0022] 图9 是上夹钳工作状态图。
[0023] 图10是下夹钳工作状态图。
[0024] 图11 是本系统的结构组成图。
[0025] 其中，1-主体框架单元，2-旋转伸缩臂单元，3-上夹钳，4-下夹钳，5-摩擦焊单元，6-铝
型材框架I，7-升降驱动电机，8-
丝杠，9-梯形附加框架，10-行程
导轨，11-旋转驱动电机，12-伸缩臂，13-伸缩撑杆，14-顶板，15-固定座I，16-
液压缸，17-液压顶杆，18-固定顶板，19-加强肋板，20-固定架，21-上
压板，22-定位板，23-手动调节旋柄，24-下活动压板，
25-
转轴，26-铝型材框架II，27-Z轴进给驱动电机，28-环形转动单元，29-焊接作业单元，
30-滑块，31-进给
变速器，32-滚珠丝杠，33-筒锻焊件，34-滑轨，35-固定座II，36-
齿轮驱动电机，37-大齿轮，38-
小齿轮，39-
轴承，40-压脚滚轮，41-搅拌头，42-电机安装座，43-半径调节
螺栓，44-车厢侧板，45-车厢侧板沟槽。
具体实施方式
[0026] 如图11所示，本系统结构整体包括摩擦搅拌焊装置，其用于给车辆墙板的破损位置进行铣削以及焊接作业；移动平台，其用于运载和升降摩擦搅拌焊装置；遥控单元，其用于遥控操作移动平台运动；控制单元，其用于根据摩擦搅拌焊装置的位置信息对其进行动作控制；通讯单元，其设置在摩擦搅拌焊装置上，用于摩擦搅拌焊装置和控制单元之间的信号传递；信息采集单元，其设置在摩擦搅拌焊装置上，用于采集摩擦搅拌焊装置的位置信息。移动平台包括用于水平移动的多个滚轮、用于固定夹紧摩擦搅拌焊装置的夹紧机构、用于升降摩擦搅拌焊装置的举升机构，以及接受遥控信号的信号收发装置。
[0027] 遥控单元控制移动平台将摩擦搅拌焊装置平行运送至墙板的破损位置正下方，然后开启激光器，遥控单元控制举升机构升起摩擦搅拌焊装置，在激光器发出的激光线与破损位置重合时停止举升机构的运行，通过上夹钳和下夹钳分别将摩擦搅拌焊装置的上端和下端固定在墙板上。
[0028] 摩擦搅拌焊装置固定在墙板上后，搅拌摩擦焊单元将墙板破损位置铣出边缘带有角度的圆孔，通讯单元将该圆孔的位置坐标发送给控制单元。
[0029] 信息采集单元包括两个位置传感器，两个位置传感器其中之一设置在伸缩臂上，另一个设置在伸缩撑杆上，两个位置传感器分别实时采集伸缩臂和伸缩撑杆的位置信息。
[0030] 控制单元接收到圆孔的位置坐标后，对通讯单元发送操作旋转伸缩臂单元的控制指令，通过旋转驱动电机控制旋转伸缩臂单元从车厢外部旋转到车厢内部，然后通过液压驱动装置驱动伸缩臂和伸缩撑杆伸长，通讯模块将两个位置传感器采集的位置信息实时传递给控制单元，控制单元以圆孔的位置坐标的基准点，根据两个位置传感器采集的实时位置信息不断调整控制指令，直至伸缩撑杆一端的顶板顶住圆孔。伸缩撑杆一端的顶板顶住圆孔后，控制单元通过液压驱动装置控制伸缩撑杆的另一端伸长，直至另一端的顶板顶住圆孔对面墙板的车厢内侧。
[0031] 如图1所示，摩擦搅拌焊装置主要包括主体框架单元1、旋转伸缩臂单元2、上夹钳3、下夹钳4以及搅拌摩擦焊单元5。主体框架单元1是摩擦搅拌焊装置的结构
基础，为其他单元提供安装基础。在进行焊接作业时，搅拌摩擦焊单元5可以在主体框架单元1内竖直移动。
上下夹钳的作用是实现装置在车厢侧墙上的定位和固定。旋转伸缩臂单元2是在车厢内部为搅拌摩擦焊焊接过程提供必要的顶锻力。搅拌摩擦焊单元5实现对破损位置的铣削以及焊接作业。
[0032] 如图2所示，主体框架单元1主要包括铝型材框架I6、升降驱动电机7、丝杠8、梯形附加框架9以及行程导轨10。主体框架单元1主整体呈长方形，底端左右两侧连接有梯形附加框架9，为下夹钳4提供安装基础。上夹钳3有两个，分布在主体框架单元顶端左右两侧。下夹钳4两个，分布在主体框架单元1下端左右两侧，安装在梯形附加框架9上。主体框架单元1的两个竖直梁的内侧分别有行程导轨10，行程导轨10通过螺栓固定在竖梁内侧。搅拌摩擦焊单元5沿着行程导轨10上下移动，实现对不同竖直位置的焊接。主体框架单元1的一侧有电机驱动的丝杠8，该驱动电机通过螺栓连接固定在主体框架单元1的竖梁上。电机驱动丝杠8转动，带动搅拌摩擦焊单元5沿着行程导轨10竖直移动。
[0033] 如图3所示，旋转伸缩臂单元2主要包括旋转驱动电机11、伸缩臂12、伸缩撑杆13、液压驱动装置以及顶板14组成。伸缩臂12以转轴为原点形成极坐标。旋转驱动电机11带动转轴，伸缩臂12和伸缩撑杆13在旋转驱动电机11的驱动下绕转轴进行旋转。同时伸缩臂12在液压驱动下可进行三级伸缩。当定位到破损位置并放置好待焊材料之后伸缩撑杆13在液压驱动下伸长，两端顶板分别顶住车厢两侧墙，提供搅拌摩擦焊所需的顶锻力。
[0034] 如图4所示，上夹钳3包括固定座I15、液压缸16、液压顶杆17、固定顶板18和加强肋板19。上夹钳3的主要材料为
钢材，上夹钳还包括两块焊接在一起的水平钢板和竖直钢板，两块钢板大体呈L型，所述加强肋板设置在两块钢板之间，设置加强肋板19以提高结构强度。液压缸16和固定顶板18设置在水平钢板的下端，液压缸16与液压顶杆17连接，固定座I通过螺栓与主体框架单元1连接。工作时夹爪上端贴靠在车厢上沿，固定顶板18贴靠在车厢内侧，同时液压顶杆17在液压缸16的驱动下从车厢外侧施加夹紧力，实现对车厢横梁的加紧，从上部实现对主体框架单元1的固定夹持。上夹钳3通过固定座I15应用螺栓实现主体框架单元1的连接。
[0035] 如图5所示，下夹钳4主要由尾端的固定架20和前端的夹持部分组成。固定架20为铝合金型材，夹持部分为钢材。夹持部分和固定架20之间通过螺栓连接。夹持部分根据车辆底部横梁结构进行设计，主要由上压板21、定位板22、手动调节旋柄23以及下活动压板24组成。上压板21以及定位板22分别与车厢底部边缘贴靠，下活动压板24从车厢下端夹紧。手动调节旋柄23与下活动压板24通过
螺纹杆连接，下活动压板24与转轴26连接，通过手动调节旋柄23，使下活动压板24在螺纹杆的带动下绕转轴26转动，实现下夹钳4与车厢的夹紧固定。下夹钳4的尾部有固定架，通过螺栓实现与主体框架单元左右附加框架的连接，从下部实现对主体框架单元1的固定。
[0036] 如图6所示，搅拌摩擦焊单元5主要由铝型材框架II26、Z轴进给驱动单元、环形转动单元28以及焊接作业单元29构成。搅拌摩擦焊单元5的框架主体是由铝型材通过连接件和角件连接构成，整体呈立方体。搅拌摩擦焊单元5的框架左右两侧分别分布两个滑块30，两滑块30呈竖直排布。左右滑块30分别与主体框架单元竖梁内侧的两个行程导轨10配合，实现搅拌摩擦焊单元5在主体框架单元1内的竖直运动。
[0037] 如图7所示，Z轴进给驱动单元包括Z轴进给驱动电机27、进给变速器31、滚珠丝杠32、筒锻焊件33以及滑轨34组成。进给变速器31设置在Z轴进给驱动电机27与滚珠丝杠32之间，所述Z轴进给驱动电机27为滚珠丝杠32转动提供驱动力，滚珠丝杠32与筒锻焊件33连接，筒锻焊件33上设置有移动滑块，滑轨设置在外围框架上，移动滑块可在滑轨上移动。工作时Z轴进给驱动电机27带动滚珠丝杠32转动，进而带动筒锻焊件33沿滑轨34进行Z轴进给，满足在搅拌摩擦焊作业中的垂直于作业面的进给。筒锻焊件33上的移动滑块与搅拌摩擦焊单元外围框架上的滑轨34配合，同时Z轴进给驱动电机27以及进给变速器31通过固定座II35与铝型材框架II进行连接。
[0038] 如图8所示，环形转动单元28主要包括齿轮驱动电机36、大齿轮37、小齿轮38、轴承39等部件组成。工作时齿轮驱动电机36带动小齿轮38，小齿轮38驱动大齿轮37。大齿轮37带动搅拌头41、压脚滚轮40等部件转动。大齿轮37、搅拌头41以及压脚滚轮40一起相对于筒锻焊件33进行圆周运动。大齿轮37与筒锻焊件33通过轴承39进行连接。齿轮驱动电机36通过电机安装座固定在筒锻焊件33上。
[0039] 焊接作业单元包括压脚滚轮40、搅拌头41、电
主轴以及位移传感器。工作时该单元相对于筒锻焊件33进行圆周运动，同时搅拌头41在电主轴的驱动下进行高速自转进行焊接，从而实现对环形焊缝的焊接。压脚滚轮40主要是由
弹簧和滚轮组成的部件，作用是在焊接圆环另一侧进行焊接的同时按压住待焊铝板，防止因焊接过程中较大的顶锻力使另一侧铝板翘起。搅拌头41通过修复接头安装在装置上，搅拌头41可以从修复接头卸下，修复接头可以手动更换
铣刀、搅拌头等标准部件。通过半径调节螺栓可改变搅拌头与压脚滚轮的距离，实现对不同直径的圆形焊缝的焊接。
[0040] 搅拌头41的前端20mm处有位移传感器，可实现对待焊焊缝进行高度
跟踪，为焊接过程中Z轴进给量提供数据。
[0041] 如图11所示，本系统结构整体包括摩擦搅拌焊装置，其用于给车辆墙板的破损位置进行铣削以及焊接作业；移动平台，其用于运载和升降摩擦搅拌焊装置；遥控单元，其用于遥控操作移动平台运动；控制单元，其用于根据摩擦搅拌焊装置的位置信息对其进行动作控制；通讯单元，其设置在摩擦搅拌焊装置上，用于摩擦搅拌焊装置和控制单元之间的信号传递；信息采集单元，其设置在摩擦搅拌焊装置上，用于采集摩擦搅拌焊装置的位置信息。移动平台包括用于水平移动的多个滚轮、用于固定夹紧摩擦搅拌焊装置的夹紧机构、用于升降摩擦搅拌焊装置的举升机构，以及接受遥控信号的信号收发装置。
[0042] 遥控单元控制移动平台将摩擦搅拌焊装置平行运送至墙板的破损位置正下方，然后开启激光器，遥控单元控制举升机构升起摩擦搅拌焊装置，在激光器发出的激光线与破损位置重合时停止举升机构的运行，通过上夹钳和下夹钳分别将摩擦搅拌焊装置的上端和下端固定在墙板上。
[0043] 摩擦搅拌焊装置固定在墙板上后，搅拌摩擦焊单元将墙板破损位置铣出边缘带有角度的圆孔，通讯单元将该圆孔的位置坐标发送给控制单元。
[0044] 信息采集单元包括两个位置传感器，两个位置传感器其中之一设置在伸缩臂上，另一个设置在伸缩撑杆上，两个位置传感器分别实时采集伸缩臂和伸缩撑杆的位置信息。
[0045] 控制单元接收到圆孔的位置坐标后，对通讯单元发送操作旋转伸缩臂单元的控制指令，通过旋转驱动电机控制旋转伸缩臂单元从车厢外部旋转到车厢内部，然后通过液压驱动装置驱动伸缩臂和伸缩撑杆伸长，通讯模块将两个位置传感器采集的位置信息实时传递给控制单元，控制单元以圆孔的位置坐标的基准点，根据两个位置传感器采集的实时位置信息不断调整控制指令，直至伸缩撑杆一端的顶板顶住圆孔。伸缩撑杆一端的顶板顶住圆孔后，控制单元通过液压驱动装置控制伸缩撑杆的另一端伸长，直至另一端的顶板顶住圆孔对面墙板的车厢内侧。
