汽車天窗密封條自動下料機(jī)設(shè)計

陳衛(wèi)華 陶 略 毛瑞杰 苑紅濤

(①華晨寶馬汽車有限公司，遼寧 沈陽 110143；②東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

伴隨著人們生活水平的不斷提高，帶天窗配置的轎車越來越普遍。在轎車完成裝配進(jìn)行路試時，天窗異響或漏雨是一類常見的質(zhì)量缺陷[1]。天窗密封條是實現(xiàn)天窗防水、防噪功能的關(guān)鍵部件，在現(xiàn)有生產(chǎn)中需要人工將密封條盤料展開后進(jìn)行測量、下料。由于不同車型天窗尺寸不一且單件物料長度較長不便測量，人工備料效率與合格率較低。此外，盤料中的密封條是用金屬連接件互相連接，含有連接件的密封條無法使用。若操作人員在備料時未能切除含連接件的料段，在裝配時就需要重新備料并進(jìn)行返工。因此，對工人操作水平要求較高。

近年來研究人員相繼設(shè)計開發(fā)出基于PLC、單片機(jī)等控制器的自動備料裝置[2-5]。根據(jù)作業(yè)對象不同，裝置的結(jié)構(gòu)各不相同。吳成江[6]針對鋁制扁管設(shè)計可實現(xiàn)自動較直定尺的電氣液壓自動下料機(jī)；劉恒珍[7]針對包裝牙膏、藥膏的軟管設(shè)計基于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的自動下料機(jī)；寧海峰[8]介紹氣動系統(tǒng)在下料機(jī)切割機(jī)構(gòu)的靈活應(yīng)用。但目前下料機(jī)構(gòu)功能比較單一，具有識別和拋棄廢料功能的自動下料機(jī)尚不多見?；诖耍疚母鶕?jù)汽車天窗密封條下料工藝需求設(shè)計可檢測并拋棄廢料的自動下料機(jī)，并利用PLC搭建其控制系統(tǒng)。

1 自動下料機(jī)整體方案設(shè)計

1.1 功能設(shè)計

自動下料機(jī)的主要功能是實現(xiàn)天窗密封條的定長切割，此外，還要求下料機(jī)能夠?qū)U料，即含連接件的料段實現(xiàn)識別和拋棄。為滿足整車廠總裝車間混流生產(chǎn)線的要求，自動下料機(jī)應(yīng)具備以下功能。

(1)能夠根據(jù)生產(chǎn)線上即將裝配的不同車型切割不同長度密封條。

(2)廢料識別和拋棄。

(3)供料節(jié)拍小于流水線的生產(chǎn)節(jié)拍。

(4)機(jī)構(gòu)簡單，易于料卷更換。

(5)能夠在故障時進(jìn)行報警和急停。

1.2 自動下料機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

汽車天窗密封條結(jié)構(gòu)如圖1所示，是由橡膠與發(fā)泡海綿粘合而成，為橫截面不規(guī)則的筒狀結(jié)構(gòu)，金屬連接件插入兩條密封條的中孔實現(xiàn)連接，金屬連接件如圖2所示。

根據(jù)復(fù)合結(jié)構(gòu)的特殊性，設(shè)計如下方案：車型信息在安裝密封條前序工位通過掃描裝置自動錄入至PLC，PLC接收到信號后啟動電動機(jī)，驅(qū)動兩滾輪組成供料機(jī)構(gòu)將密封條輸送至下料機(jī)構(gòu)。當(dāng)達(dá)到當(dāng)前車型所需長度時，停止供料并進(jìn)行下料。當(dāng)檢測到密封條連接件時會提前下料并拋棄。在當(dāng)前料卷余量不足時，警示燈閃爍提示操作人員更換料卷。所設(shè)計的天窗密封條自動下料機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 自動下料機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計

由圖3可知，該自動下料機(jī)主要由供料裝置、檢測裝置、下料裝置和棄料裝置組成。

2.1 供料裝置

供料裝置由減速電動機(jī)、編碼器、主動輪、從動輪和導(dǎo)料槽組成，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

在供料裝置中，主動輪、從動輪擠壓密封條。在主動輪轉(zhuǎn)動時，即可利用與密封條接觸面上作用力實現(xiàn)上料。該作用力受主動輪、從動輪輪緣間隙大小的影響。之后力傳遞到密封條料卷上帶動其轉(zhuǎn)動，因料卷具有一定質(zhì)量，若作用力過小則不足以帶動料卷轉(zhuǎn)動，造成物料打滑；作用力過大會對密封條結(jié)構(gòu)造成損壞。通過現(xiàn)場測試，確定合適的輪緣間隙為7 mm。

2.2 檢測裝置

檢測裝置由檢測車輛型號的條形碼掃描儀和料架上的稱重裝置組成。稱重裝置是利用兩個單點式稱重傳感器對稱布置在底板上，分別與底板和料架底座固連，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5。

經(jīng)現(xiàn)場測試，在無預(yù)警情況下，從操作人員發(fā)現(xiàn)物料用盡到完成換料、下料耗時約40 s，進(jìn)行預(yù)警后總時間會節(jié)約15 s。為避免車輛到達(dá)時未完成下料，在系統(tǒng)中將料卷安全重量設(shè)定為1 kg，稍大于空料卷重量960 g，以此提示進(jìn)行料卷更換。

2.3 下料裝置與棄料裝置

天窗密封條為柔體，其硬度較低，從能源環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，下料裝置和棄料裝置均利用氣動機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動作，分別使用單作用氣缸和無桿氣缸。單作用氣缸氣動回路如圖6所示。

下料裝置由氣源、單作用氣缸、電磁換向閥、限位開關(guān)和刀具構(gòu)成，刀具與氣缸活塞桿固連。當(dāng)需要下料時換向閥得電，氣源對氣缸無桿腔充氣，壓縮有桿腔內(nèi)彈簧的同時推動活塞桿和刀具伸出進(jìn)行切割。當(dāng)活塞桿伸出到行程終點時，限位開關(guān)導(dǎo)通，PLC控制換向閥斷電，氣缸無桿腔與大氣連通，活塞桿受有桿腔內(nèi)彈簧作用返回原位。

棄料裝置與下料裝置原理相仿，不同之處是使用無桿氣缸實現(xiàn)動作。將氣缸滑塊與無底面的料筐固連，料筐放置在有缺口的隔板上。當(dāng)需要進(jìn)行棄料時滑塊帶動料筐移動至隔板缺口處，廢料掉入下方廢料箱。料筐的移動距離由行程開關(guān)安裝位置決定，料筐在隔板缺口停留2 s后復(fù)位。下料裝置與棄料裝置結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

3 自動下料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)要求

在受到外界擾動時，軟硬件的穩(wěn)定性決定控制系統(tǒng)的魯棒性。系統(tǒng)崩潰會造成生產(chǎn)波動乃至停產(chǎn)，給企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此決定使用穩(wěn)定性高的可編程邏輯控制器(PLC)搭建天窗密封條自動下料機(jī)的控制系統(tǒng)。要求如下：

(1)工作模式選擇?？刂葡到y(tǒng)需要可以在自動模式與手動模式間切換。自動模式用于實際生產(chǎn)過程，通過下料機(jī)各部件的協(xié)同運動進(jìn)行自動下料。手動模式主要用于維護(hù)或調(diào)試，在自動模式發(fā)生故障時也可由操作人員進(jìn)行手動下料。

(2)自動下料。能夠及時、準(zhǔn)確地向工位提供不同型號的密封條料段，并實現(xiàn)廢料拋棄、余料監(jiān)測等附屬功能。

(3)故障檢測。能夠檢測各運動部件動作是否到位，各傳感器狀態(tài)是否正常。當(dāng)發(fā)生故障時機(jī)器停止運行，警示燈閃爍。

(4)急停。當(dāng)發(fā)生緊急情況時按下急停按鈕，機(jī)構(gòu)停止所有動作。

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)自動下料機(jī)所需的電動機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速和氣缸行程等參數(shù)要求，系統(tǒng)選用SEW-EURODRIVE DRS系列步進(jìn)電動機(jī)與減速器，編碼器選用TR-Electronic CEV65M電子編碼器，氣動元件選用SMC單作用氣缸(氣缸1)與無桿氣缸(氣缸2)。

(2)檢測機(jī)構(gòu)。氣缸1和氣缸2上分別配置1個、2個SMC磁感式行程開關(guān)，用于檢測活塞是否運動到指定位置。用于監(jiān)測料卷重量的傳感器選擇Mettler-Toledo單點式稱重傳感器，單個量程5 kg，通過模擬量輸出信號。條碼掃描器選擇Mindeo ES4600嵌入式掃描器，利用RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

(3)控制機(jī)構(gòu)。操作面板上共有5個按鈕，實現(xiàn)分型號供料、自由供料、切割和急停功能，另有2個選擇開關(guān)實現(xiàn)啟停控制和手自動切換。氣缸1、氣缸2分別采用SMC兩位三通、三位五通電磁換向閥進(jìn)行控制。硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖8所示。

根據(jù)上述對系統(tǒng)的功能設(shè)計與硬件選型，天窗密封條自動下料機(jī)控制系統(tǒng)具有11個輸入點、6個輸出點、脈沖輸入輸出、AD模塊和RS232通訊接口。系統(tǒng)輸入、輸出分配如表1所示。根據(jù)PLC選型原則，應(yīng)在使用端口的基礎(chǔ)上預(yù)留出相應(yīng)余量。綜上選擇西門子S7-200-CPU224系列的PLC，其內(nèi)置輸入、輸出點個數(shù)分別為24個、16個，此外有6個脈沖輸入端口和2個脈沖輸出端口，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。AD采集功能通過西門子EM231擴(kuò)展模塊實現(xiàn)。

表1 PLC I/O端口分配

輸入信號輸出信號地址注釋地址注釋X0啟動/停止按鈕Y0步進(jìn)電動機(jī)脈沖信號X1手動/自動切換Y1步進(jìn)電動機(jī)方向信號X2急停按鈕Y2氣缸1換向閥X3型號A供料按鈕Y3氣缸2換向閥左位X4型號B供料按鈕Y4氣缸2換向閥右位X5自由供料按鈕Y5警示燈X6切割按鈕X7氣缸1行程開關(guān)X8氣缸2行程開關(guān)1X9氣缸2行程開關(guān)2X10連接件傳感器

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

汽車天窗密封條自動下料機(jī)的動作控制流程如下：在每次更換新的密封條料卷后，利用手動模式下的供料操作將密封條物料起始端穿過導(dǎo)料槽夾在兩滾輪之間，之后切換為自動模式。當(dāng)生產(chǎn)線上某車身抵達(dá)安裝密封條前序工位時，掃描裝置對車輛型號進(jìn)行采集后傳輸至PLC，PLC設(shè)定與該車型對應(yīng)的出料長度，之后驅(qū)動供料電動機(jī)帶動主動輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。從動輪轉(zhuǎn)動角度通過與之相連的編碼器采集至PLC，利用從動輪半徑和轉(zhuǎn)動角度計算出密封條實際出料長度。

當(dāng)實際出料長度和該車型預(yù)設(shè)長度相等時，PLC控制供料電動機(jī)停轉(zhuǎn)，并驅(qū)動氣動換向閥換向進(jìn)行切割下料。無異常情況時，切下的密封條放置在料筐內(nèi)等待安裝，當(dāng)檢測到料段含有需要拋棄的連接件或料卷用盡無法滿足當(dāng)前車型所需長度密封條時，拋棄當(dāng)前料段。自動下料機(jī)的控制流程如圖9所示。

4 自動下料機(jī)調(diào)試與運行

在完成控制系統(tǒng)設(shè)計及程序編寫后，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案對自動下料機(jī)進(jìn)行初步搭建并進(jìn)行相關(guān)測試。首先對供料、下料兩項核心功能進(jìn)行性能測試，之后對自動下料機(jī)投產(chǎn)前后天窗密封條安裝工位的各項生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行對比。汽車天窗密封條自動下料機(jī)實物圖如圖10所示，自動下料機(jī)性能測試結(jié)果如表2所示。投產(chǎn)前后工位生產(chǎn)指標(biāo)對比如表3所示。

表2 自動下料機(jī)性能測試

供料速度/(m/s)下料時間/sA型B型數(shù)值0.142631

在實驗中，分別對混流生產(chǎn)線上A、B種兩車型所要求的天窗密封條進(jìn)行生產(chǎn)。測得自動下料機(jī)的平均下料速度為0.14 m/s，最長下料時間31 s。而車間流水線線速為63 unit/h，車輛在工位停留時間為57 s，因此該自動下料機(jī)生產(chǎn)能力充分滿足生產(chǎn)需求。

表3 投產(chǎn)前后工位生產(chǎn)指標(biāo)對比

物料平均成本(RMB/unit)操作人員下料時間/sA型B型平均總操作時間/s工作負(fù)荷/(%)合格率/(%)投產(chǎn)前7412145698.294.8投產(chǎn)后72004375.499.6

另由表3可知，操作人員對兩種車型所需密封條進(jìn)行手動下料平均耗時13 s，安裝密封條平均耗時43 s，總操作時間56 s。取總操作時間和車輛在該工位停留時間的比值為工人工作負(fù)荷，可計算出在自動下料機(jī)投入生產(chǎn)前其工作負(fù)荷為98.2%；投入生產(chǎn)后下料操作在車輛抵達(dá)前一工位時開始進(jìn)行，省去了操作人員的下料時間，工作負(fù)荷降至75.4%。由此可得，自動下料機(jī)的投產(chǎn)可在工廠產(chǎn)能不變的前提下減少人力投入，若保持勞動力投入不變則該工位可以提供更高的產(chǎn)能。

除此之外，采用自動下料機(jī)能夠減少在測量、連接件檢測等環(huán)節(jié)由于人為因素導(dǎo)致的物料浪費，單件平均成本下降3%，產(chǎn)品合格率提升4.8%。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的針對汽車天窗密封條的自動下料機(jī)主要由供料裝置、下料裝置、檢測裝置和棄料裝置四部分組成，使用PLC進(jìn)行集成控制，能夠自動根據(jù)不同車型生產(chǎn)不同長度的密封條料段，可以實現(xiàn)檢測密封條中的金屬連接件并自動棄料，有效減少物料浪費和操作失誤導(dǎo)致的返工。

通過對樣機(jī)進(jìn)行性能測試可知，自動下料機(jī)在滿足生產(chǎn)需求的前提下使操作人員工作負(fù)荷降低22.8%，單件成本節(jié)約3%，產(chǎn)品合格率提升4.8%。同時部分采用清潔能源進(jìn)行驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟(jì)性高。該設(shè)備現(xiàn)已在整車廠總裝車間投入使用，動作可靠，運行平穩(wěn)，極大地提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。