集汽車保險(xiǎn)杠打孔和焊接于一體自動(dòng)化設(shè)備研究

吳開軍

摘 要：隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車越來越多的金屬構(gòu)件被工程塑料結(jié)構(gòu)所取代，各類塑料焊接方式在汽車工業(yè)得到更廣泛的使用。其中，超聲波焊接由于具有諸多雨點(diǎn)，成為最主要的聯(lián)接方法之一。本文選取超聲波塑料焊接技術(shù)，遵循機(jī)電一體化設(shè)計(jì)思想，把機(jī)械與電子裝置相關(guān)軟件及硬件設(shè)備結(jié)合起來，研發(fā)一套新型的焊接設(shè)備，將其用于轎車前后保險(xiǎn)桿焊接中，大大提升產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。

關(guān)鍵詞：汽車保險(xiǎn)杠；自動(dòng)化設(shè)備；打孔；焊接

隨著大眾生活水平的提升，對(duì)轎車提出更高的要求，例如：用戶要求設(shè)置寬敞的乘坐空間、配置舒適座椅、較低噪聲等。通過塑料材質(zhì)制作汽車零部件，不僅可以達(dá)到美學(xué)與實(shí)用之間的完美結(jié)合，也并不影響產(chǎn)品制作成本。現(xiàn)階段，現(xiàn)代汽車上配置的部分零部件制造已經(jīng)被塑料材料取代，能夠達(dá)到良好的減重效果，這對(duì)有效節(jié)約資源、降低溫室氣體排放發(fā)揮著重要的作用。在汽車領(lǐng)域各種塑料焊接方式中，熱板焊、超聲波焊及電阻焊是最廣泛的焊接方式。其中，超聲波焊主要用在小型零部件批量身長，是一種具有較大潛力的塑料焊接方式。塑料超聲焊接就是運(yùn)用超聲波激發(fā)塑料件接觸面即塑料分子之間的高頻機(jī)械振動(dòng)摩擦產(chǎn)生熱量，促使不同塑料件結(jié)合面之間能夠快速熔化，且在并無壓力的條件下迅速融合起來的連接方式。為提升焊接產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)計(jì)一套轎車前、后保險(xiǎn)杠超聲波焊接設(shè)備，促使生產(chǎn)產(chǎn)品的成本即勞動(dòng)力降低。

1.超聲波焊接方案設(shè)計(jì)

1.1超聲波焊接機(jī)理

超聲波振動(dòng)頻率控制在20-20000赫茲的機(jī)械波，可以通過耳鼓膜振動(dòng)促使人聽到聲音，稱作聲波[1]。如果其頻率超過20000赫茲稱作超聲波，比20赫茲低稱為次聲波。超聲波焊接原理就是運(yùn)用超聲波在反射面形成駐波，而反射面處在波幅處，如此一來，反射面的物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，從而達(dá)到焊接的效果。在超聲波焊接操作中，接頭位置的能量轉(zhuǎn)換就是因超聲波機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榇偈顾芰先诤系臒崮?，其能量變化?huì)在一定程度上影響結(jié)合面溫度改變情況，進(jìn)而影響接頭位置的質(zhì)量[2]-[3]。

1.2保險(xiǎn)杠定位與夾緊

保險(xiǎn)杠主要安裝在汽車前端與后端，在汽車造型風(fēng)格中發(fā)揮著重要的作用，它可以詮釋車輛外裝飾風(fēng)格。加之，汽車保險(xiǎn)杠也是其重要的安全防護(hù)裝置之一，也成為現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)主要組成部分，有利于減少汽車損壞及人員傷亡程度。汽車各種設(shè)備中，前、后保險(xiǎn)杠應(yīng)該設(shè)置固定的位置，保險(xiǎn)杠外形如圖1（a）所示。根據(jù)保險(xiǎn)桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，通過外形定位具有簡單、可靠地優(yōu)點(diǎn)，定位底模見圖1（b），最外層為硬質(zhì)鋁合金底座，與保險(xiǎn)杠接觸點(diǎn)為汽巴嘉基聚氨酯。處在液態(tài)條件下，將其澆入鋁合金底座，依照保險(xiǎn)杠樣件實(shí)施外形凝固，如圖1（b）所示?；诖耍谶\(yùn)用脫模劑，將保險(xiǎn)杠樣件和汽巴分開，如此做成相應(yīng)的底膜，并與保險(xiǎn)杠全部貼合，放入、取出均比較方便，確保不會(huì)劃傷工件表面。前、后保險(xiǎn)杠底膜并排設(shè)置在一塊長度、寬度分別為170mm、1000mm平板上，以此形成傳動(dòng)裝置重要組成部分。同時(shí)，利用手動(dòng)快卡，在各位置執(zhí)行夾緊保險(xiǎn)杠。

1.3設(shè)計(jì)合理地傳動(dòng)裝置

為順利實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化，傳動(dòng)裝置必須可以在4個(gè)工位直線上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并于1工位順利實(shí)現(xiàn)前保面罩和耳朵板、后保面罩與耳朵板各焊接點(diǎn)之間的焊接。在其他工位順利實(shí)現(xiàn)前保面罩和內(nèi)襯或者包面罩與內(nèi)襯12焊點(diǎn)之間的焊接。因前后保險(xiǎn)杠焊接處部分點(diǎn)完全重合，結(jié)構(gòu)層面利用一套焊接單元，在焊接前保時(shí)，確保前保底模處在焊接位置，如圖2所示。進(jìn)行后保焊接時(shí)，將下圖平板旋轉(zhuǎn)180o，確保后保處在焊接位置，順利完成一臺(tái)設(shè)備焊接兩種保險(xiǎn)杠這一目標(biāo)。

2.設(shè)計(jì)合理地傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

2.1旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)操作

傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)中，前、后保處在焊接位置，方可對(duì)其進(jìn)行焊接操作，并依托1-4工位完成。因此，承載底膜平板必須可以執(zhí)行下列操作：（1）繞著O點(diǎn)執(zhí)行180o旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；（2）1-4工位開展直線運(yùn)動(dòng)。其中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)利用Festo擺動(dòng)氣缸來完成，如果擺動(dòng)氣缸經(jīng)過180o旋轉(zhuǎn)，借助同步齒形帶輪傳送至 80的軸，并與底膜平板螺連接。基于此，將180o旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳送給底膜平板，通過空心軸，則是根據(jù)軸心走線，并通過同步齒形帶，獲得準(zhǔn)確、可靠地傳動(dòng)角度。Festo作為德國一家氣動(dòng)元件生產(chǎn)公司，其所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有質(zhì)量好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[4]。本設(shè)備運(yùn)用的擺動(dòng)氣缸，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于齒輪齒條形，跟齒輪齒條直線運(yùn)動(dòng)以此形成輸出軸180o左右搖擺。底膜平板經(jīng)過旋轉(zhuǎn)操作后，定位則根據(jù)氣缸完成，底模平板設(shè)計(jì)兩個(gè)導(dǎo)套a/b，配置銷子的氣缸設(shè)置在小車平板上。如果對(duì)前保進(jìn)行焊接時(shí)，銷子

會(huì)被插入b孔；而實(shí)施后保焊接時(shí)，銷子插入到a孔，促使底模與小車平板組成一體。實(shí)施旋轉(zhuǎn)操作時(shí)，底模及銷子平板間會(huì)出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，若兩個(gè)平面之間直接接觸，會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力，以此產(chǎn)生較大的阻扭矩。這種情況下，必然選取大額定扭矩?cái)[動(dòng)氣缸，這種做法不經(jīng)濟(jì)，也缺少充足的空間對(duì)擺動(dòng)氣缸進(jìn)行固定處理。為有效減少摩擦力，本設(shè)備選取6只滾輪，固定在小車平板之上，底模平板和小車平板間設(shè)置5mm間隙。

2.2直線運(yùn)動(dòng)操作

直線運(yùn)動(dòng)需要通過固定在小車平板上的伺服電機(jī)順利實(shí)現(xiàn)，以電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輸出軸上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，依托固定在支架上的齒條，促使小車平板相對(duì)于支架執(zhí)行直線反復(fù)運(yùn)動(dòng)。其中，小車平板上的直線反復(fù)運(yùn)動(dòng)劃分4個(gè)不同工位，1工位和2工位的距離是45mm，2、3工位兩者距離控制為35mm，而3與4工位之間的距離設(shè)定為7mm，完全通過PLC有效控制不同工位之間的距離。而通過設(shè)置合理地伺服系統(tǒng)，不僅可以保障定位準(zhǔn)確，也能確保定位操作后不會(huì)發(fā)生移動(dòng)。在支架上設(shè)置導(dǎo)軌，對(duì)小車平板上設(shè)計(jì)固定滑塊，小車平板對(duì)支架開展直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)操作。事實(shí)上，就是滑塊相對(duì)于導(dǎo)軌開展直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本研究所選取的導(dǎo)軌、滑塊均是德國Star公司所生產(chǎn)的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，確保導(dǎo)軌和滑塊兩者間的間隙可調(diào)整，輕松完成傳遞操作。為有效預(yù)防程序出現(xiàn)“跑飛”的情況，在電路內(nèi)運(yùn)用硬件看門狗、軟件陷阱這個(gè)雙重的保護(hù)對(duì)策，提升控制操作可靠性[5]。硬件方面則使用光電隔離、浮空供電等技術(shù)，有效提升系統(tǒng)抵抗干擾性能。通過一段時(shí)間的研究，本系統(tǒng)各功能處于正常運(yùn)行狀態(tài)，控制操作非常合理，滿足智能通風(fēng)的要求，對(duì)提升天線系統(tǒng)指標(biāo)發(fā)揮不可替代的作用。

結(jié)論：

綜上所述，塑料材質(zhì)比較輕，且具有優(yōu)良的成型加工性能，在過去的幾十年之中，大量得以取代傳統(tǒng)材料，并廣泛用在汽車領(lǐng)域。這臺(tái)設(shè)備研制成功，能有效填補(bǔ)轎車保險(xiǎn)杠超聲波焊接方面的空白之處，為如何盡可能降低汽車制造成本探索新的發(fā)展思路。同時(shí)，對(duì)轎車生產(chǎn)國際化發(fā)揮著良好的示范作用。本文以超聲波焊接為研究視角，探析轎車前后保險(xiǎn)杠焊接設(shè)備傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)情況，以期為類似研究提供重要參考。

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