基于PLC的車身氣動(dòng)焊裝夾具設(shè)計(jì)

李 鑫，張 勇，葉成濤

(重慶理工大學(xué)重慶汽車學(xué)院，重慶 400054)

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)汽車的外觀和制造工藝要求也越來越高，因此提高焊裝生產(chǎn)線的精度及自動(dòng)化程度成為保證和提高汽車產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重中之重。汽車焊裝夾具不僅在機(jī)械加工中起著重要的作用，而且直接影響著機(jī)械加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本。

焊裝夾具的技術(shù)水平往往代表著工藝水平。在大規(guī)模的汽車流水生產(chǎn)線上，往往要求采用大量高效、快速的氣動(dòng)焊裝夾具以滿足汽車生產(chǎn)的要求。氣動(dòng)夾緊的自動(dòng)化成為了焊裝夾緊的設(shè)計(jì)方向。

1 焊裝夾具及焊接生產(chǎn)線

焊裝夾具是生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)的一種輔助手段，它是將工件迅速準(zhǔn)確地定位并固定于所定位置，包括引導(dǎo)焊槍或工件的導(dǎo)向裝置在內(nèi)的用于裝配和焊接的工藝裝備的總稱。在焊接生產(chǎn)中，焊裝夾具除了完成本工序的零件組裝、定位外，還擔(dān)任檢驗(yàn)和校正上道工序焊合件焊接質(zhì)量的任務(wù)，因而它的設(shè)計(jì)制造影響整個(gè)焊接工藝水平、汽車生產(chǎn)能力及產(chǎn)品質(zhì)量［1］。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，它的重要性日益顯現(xiàn)，并發(fā)展成一門技術(shù)，有自己獨(dú)有的設(shè)計(jì)理論和方法。

車身焊裝夾具體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了便于制造、裝配、檢測(cè)和維修，必須對(duì)夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，否則無法進(jìn)行測(cè)量。車身總裝夾具有3個(gè)裝配基準(zhǔn):底板、左側(cè)圍和右側(cè)圍。在它們的平面上都加工有基準(zhǔn)槽和坐標(biāo)線。定位夾緊組合單元按各自的基準(zhǔn)槽進(jìn)行裝配、檢測(cè)。最后將3大部分組合起來，成為一套完整的夾具。

焊裝生產(chǎn)線是指必須經(jīng)過焊接工藝才能完成完整產(chǎn)品的綜合生產(chǎn)線，它包括專用焊接設(shè)備、輔助工藝設(shè)備以及各種傳輸設(shè)備等。車身焊接生產(chǎn)線是汽車白車身BIW全部成型工位的總稱，它由車身總成線和許多分總成線組成，每一條總成線或分總成線又由許多焊接工位組成［2］。每個(gè)工位由許多定位夾緊夾具、自動(dòng)焊接裝置、檢測(cè)裝置等設(shè)備以及供電、供氣、供水裝置組成。線間、工位間通過搬送機(jī)、機(jī)器人等搬送設(shè)備實(shí)現(xiàn)上下料和零部件的傳送，以保證生產(chǎn)線內(nèi)各工位工作的連貫性。

2 氣動(dòng)夾具氣缸的選用與計(jì)算

2.1 氣缸缸徑的選取［3－4］

氣缸缸徑大小代表了氣缸輸出力的大小，而且缸徑d的尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。在設(shè)計(jì)過程中可以預(yù)選氣缸缸徑，然后驗(yàn)算夾緊力，通過調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)或改變氣缸缸徑來滿足定位夾緊要求。

將氣動(dòng)夾具簡(jiǎn)化為如圖1所示的杠桿機(jī)構(gòu)。杠桿平衡原理為

其中:P為單杠雙作用氣缸推力(kgf);F為夾緊力(kgf);A為氣缸作用力臂(mm);B為夾緊力臂(mm)。

圖1 氣動(dòng)夾具原理

由氣缸運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)原理，有

其中:η為氣缸的負(fù)載率，一般取50%;d為氣缸缸徑(cm);p為氣缸系統(tǒng)使用壓力(kgf/cm2)。

將式(1)代入式(2)，求出夾緊力

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在車身薄板焊接中，夾緊力F≥50 kgf才能滿足焊接要求。

查閱相關(guān)資料，取氣壓p=5 kgf/cm2，根據(jù)式(3)可知，氣缸直徑為63 mm時(shí)，滿足要求。如果F＜50 kgf，可以調(diào)整A/B的值或選用大缸徑氣缸。

2.2 氣缸耗氣量分析

氣缸的耗氣量可分為最大耗氣量和平均耗氣量。最大耗氣量是氣缸以最大速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的空氣流量，可表示為

其中:qγ為氣缸的最大耗氣量(L/min);D為氣缸缸徑(cm);Um為氣缸的最大速度(mm/s);P為使用壓力(MPa)。

平均耗氣量是氣缸在氣動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)工作循環(huán)周期內(nèi)所消耗的空氣流量。氣缸作一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)所消耗的空氣量為VC，氣缸作一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣缸至換向閥之間的配管所消耗的空氣量為VT，則該氣缸的平均耗氣量為(VC+VT)N，N為氣缸的工作頻度。平均耗氣量可表示為

其中:qca為氣缸的平均耗氣量(L/min);N為氣缸的工作頻度，即每分鐘氣缸的往復(fù)周數(shù)(rad/min);L為氣缸的行程(cm);d為換向閥與氣缸之間的配管的直徑(cm);Ld為配管的長(zhǎng)度(cm)。

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，選取缸徑為63 mm的如下型號(hào)的氣缸:CK1A63－100Y(2臺(tái))，CK1A63－125Y(4臺(tái))，CK1A63－50Y(1臺(tái))。氣缸及夾緊單元的布置情況如圖2所示。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 夾具的夾緊過程

氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)必須能實(shí)現(xiàn)夾緊自動(dòng)化。打開泵啟動(dòng)開關(guān)，在工件到位后，行程開關(guān)得到信號(hào)，相關(guān)氣缸便快進(jìn)夾緊零件。零件1到位后1、2號(hào)夾緊單元夾緊;零件2和零件3其中任意一個(gè)到位則對(duì)應(yīng)的3、4號(hào)夾緊單元夾緊;零件4到位后，夾緊單元5、6、7便實(shí)現(xiàn)夾緊。零件全部夾緊后，工人焊接。焊接完成后，焊槍到位，行程開關(guān)得到信號(hào)，夾緊氣缸全部打開。在夾緊過程中，為了保證工人安全，須加裝紅外線檢測(cè)裝置［5］。行程開關(guān)安裝示意圖如圖3所示。

3.2 I/O 分配

輸入:X0泵啟動(dòng) 、X1自動(dòng)、X2手動(dòng)、X3急停、X4復(fù)位、X6行程開關(guān)a、X7行程開關(guān) b、X10行程開關(guān)c、X11行程開關(guān)d、X12行程開關(guān)e、X13行程開關(guān)f、X14后退行程開關(guān)g、X15紅外檢測(cè)、X16 YA1得電開關(guān)、X17 YA2得電開關(guān)、X20 YA3得電開關(guān)、X21 YA4得電開關(guān)、X22 YA1 YA2 YA3 YA4 失電開關(guān)［6］。

輸出:Y0 YA1得電開關(guān)、Y1 YA2得電開關(guān)、Y2 YA3得電開關(guān)、Y3 YA4得電開關(guān)、Y4 YA1 YA2 YA3 YA4失電開關(guān)。

表1 自動(dòng)動(dòng)作順序

表2 手動(dòng)動(dòng)作順序

3.3 PLC選型及梯形圖設(shè)計(jì)

根據(jù)輸入和輸出的數(shù)目，選擇三菱FX2N_48MR型號(hào)的PLC。采用了三菱公司PLC設(shè)計(jì)的編程軟件 GX DEVELOPER 852 進(jìn)行程序編寫［7－8］。

本文把程序分成2個(gè)大塊，分別是自動(dòng)工作方式模塊、手動(dòng)調(diào)試模塊。

1)自動(dòng)工作方式模塊。該模式分4個(gè)小模塊，分別是:工件1到位，行程開關(guān)得到信號(hào)，1、2夾緊單元夾緊;工件2到位，3夾緊單元夾緊;工件3到位，4夾緊單元夾緊;工件4到位，5、6、7夾緊單元夾緊。

2)手動(dòng)測(cè)試模塊。按動(dòng)1、2夾緊單元快進(jìn)按鈕，夾緊單元夾緊;按3夾緊單元快進(jìn)按鈕，夾緊單元夾緊;按4夾緊單元快進(jìn)按鈕，夾緊單元夾緊;按5、6、7夾緊單元快進(jìn)按鈕，相應(yīng)夾緊單元快進(jìn)夾緊。

根據(jù)以上分析，編寫的梯形圖如圖4～6所示。

圖4 編寫的梯形圖

圖5 自動(dòng)調(diào)試結(jié)果

圖6 手動(dòng)調(diào)試結(jié)果

經(jīng)過調(diào)試，再通過三菱公司提供的硬件測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)的PLC控制程序完全符合氣動(dòng)焊裝夾具的工作要求。

4 結(jié)束語

焊裝夾具在汽車制造業(yè)中占有很重要的地位。本文首先選取了氣動(dòng)夾具所用的氣缸，然后自主開發(fā)了一套基于PLC控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、能長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行［9］，從而提高了生產(chǎn)效率，降低了工人工作強(qiáng)度，提高了工件的焊接精度，降低了廢品率。

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