車門包邊引出焊的設(shè)計(jì)研究

□ 莫易敏 □ 王 敏 □ 蔡 曦

武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 武漢 430070

目前汽車車身焊接主要采用人工焊接方式，具有生產(chǎn)線投資低、設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但隨著人員流動(dòng)越來越頻繁，人工成本不斷攀升，質(zhì)量波動(dòng)和人力成本壓力越來越大，以及人們對(duì)汽車制造質(zhì)量要求的不斷提高，人工焊接方式難以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求［1］。機(jī)器人焊接取代人工焊接將成為車身焊接的發(fā)展趨勢(shì)，但焊接機(jī)器人的投入和維護(hù)成本較高，技術(shù)要求高［2］，短期內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)普及，因此需要從企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況出發(fā)，在人工和自動(dòng)化生產(chǎn)方式之間作出一個(gè)滿足較低制造成本和一定自動(dòng)化程度的精益化平衡。

1 設(shè)計(jì)概要

焊點(diǎn)分布特征為某車型中門外包邊補(bǔ)焊點(diǎn)，呈三維空間分布，如圖1所示，5個(gè)包邊焊點(diǎn)處平面與拼臺(tái)平面所成角度不盡相同，其中3個(gè)焊點(diǎn)處所在平面與拼臺(tái)成10°左右夾角，另2處分別成5.8°和26.1°，可通過機(jī)構(gòu)作角度調(diào)整，將三維空間分布焊點(diǎn)轉(zhuǎn)為平面焊點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)平面補(bǔ)焊點(diǎn)焊接機(jī)構(gòu)的一致通用。

圖1 焊點(diǎn)分布圖

針對(duì)某車型車門焊接工藝要求，需在該車門包邊處補(bǔ)焊5次，本設(shè)計(jì)需要滿足如下要求：①引出焊機(jī)構(gòu)電極帽能夠壓到車門包邊處；②本設(shè)計(jì)能在包邊處形成符合焊接要求的焊點(diǎn)；③完成焊接后，動(dòng)電極能夠離開車門；④完成焊接后豎直提到預(yù)定高度的過程中不會(huì)碰到焊頭。

2 設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)流程圖

本設(shè)計(jì)主要包括前期調(diào)研、中期機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制方案設(shè)計(jì)和后期評(píng)估推廣4大部分，具體流程分析如下。

1）調(diào)研，獲取基本資料：了解并分析該車門的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝條件，獲取該車門所需引出焊點(diǎn)數(shù)及能形成標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)的必要條件等資料，分析該車門及拼臺(tái)相關(guān)件的布局情況以及拼臺(tái)所處生產(chǎn)線位置情況。

2）引出式自動(dòng)焊系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)：包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方案設(shè)計(jì)，選用合理的通電方式和壓力方式，保證系統(tǒng)所形成的焊點(diǎn)能滿足要求。

3）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：主要有杠桿及動(dòng)靜電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、UG建模仿真并優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)及通電銅板布局。

4）控制方案設(shè)計(jì)：主要有控制元器件選型、控制元器件線路布局以及控制程序設(shè)計(jì)，其中氣路布局不能影響到機(jī)械結(jié)構(gòu)的連續(xù)動(dòng)作。

5）調(diào)試評(píng)估：裝配引出焊系統(tǒng)，在車門上進(jìn)行焊接試驗(yàn)。根據(jù)調(diào)試結(jié)果，修改完善結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)布局，優(yōu)化引出焊系統(tǒng)。完成評(píng)估報(bào)告，建立標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和規(guī)范。

6）全線推廣：針對(duì)不同車型車門，只需修改少數(shù)零件即可適應(yīng)全線焊接要求。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足以上4點(diǎn)工藝要求，采用了氣缸推動(dòng)杠桿結(jié)構(gòu)。其工作原理為車門下落到焊接平面前，氣缸氣閥關(guān)閉，動(dòng)電極抬起，動(dòng)電極離車門距離≥20 mm；拼臺(tái)放上車門后，氣缸氣閥打開，氣缸推動(dòng)杠桿結(jié)構(gòu)翹起，電極帽則下降到車門包邊處。

要在車門包邊處形成符合焊接要求的焊點(diǎn)，除需要通過適當(dāng)?shù)碾娏魍?，還需在焊點(diǎn)處施加一定的壓力。本設(shè)計(jì)為氣缸推動(dòng)杠桿結(jié)構(gòu)，選用63標(biāo)準(zhǔn)氣缸，由杠桿原理得知，杠桿比為120∶70時(shí)焊點(diǎn)處的焊點(diǎn)力為2 243.3 N，滿足焊接要求，計(jì)算方法見表1。

表1 杠桿比為80∶53焊點(diǎn)力計(jì)算

平面引出焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括動(dòng)電極材料選型、電極帽結(jié)構(gòu)選型、電極帽連接板結(jié)構(gòu)、握桿結(jié)構(gòu)、靜電極結(jié)構(gòu)、杠桿結(jié)構(gòu)、絕緣形式及機(jī)構(gòu)、耐磨材料及耐磨標(biāo)準(zhǔn)件選型等，并要計(jì)算校核焊接補(bǔ)償、最小通電截面積是否滿足車間連續(xù)工作要求，必要的情況下要考慮導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的散熱冷卻。另外，還需避免平面引出焊結(jié)構(gòu)和周圍零部件的干涉。

平面引出焊結(jié)構(gòu)UG三維模型如圖3所示。

工藝要求該車門包邊處有5個(gè)焊點(diǎn)，需5個(gè)平面引出焊機(jī)構(gòu)。但5個(gè)包邊焊點(diǎn)處平面與拼臺(tái)平面所成角度不盡相同，其中3個(gè)焊點(diǎn)處所在平面與拼臺(tái)成 10°左右夾角，另2處 分 別 成 5.8°和26.1°。本設(shè)計(jì)通過圖3中的底座墊塊調(diào)整來適應(yīng)不同的焊接平面，調(diào)整底座支撐的高度使電極帽降落在不同的焊接平面高度。

圖3 平面引出焊結(jié)構(gòu)三維圖及結(jié)構(gòu)變化處

4 機(jī)構(gòu)的電氣控制布局

機(jī)構(gòu)采用單次焊接單焊點(diǎn)與單次焊接雙焊點(diǎn)電路連接布置結(jié)構(gòu)，1、2號(hào)點(diǎn)為第 1回路，3、4號(hào)點(diǎn)為第 2回路，5號(hào)點(diǎn)為單獨(dú)回路，每組回路用一個(gè)電磁閥控制，每組焊點(diǎn)與銅板對(duì)應(yīng)相連。其工作原理如下：PLC輸出信號(hào)至電磁閥，電磁閥控制1、2號(hào)點(diǎn)氣缸關(guān)閉，變壓器延遲壓緊信號(hào)后通電，1、2號(hào)點(diǎn)氣缸打開，焊接1、2點(diǎn)成功，同理3、4點(diǎn)亦然。5點(diǎn)采用單焊點(diǎn)策略，回路由5點(diǎn)動(dòng)靜電極直接完成，控制原理同1、2號(hào)點(diǎn)控制策略。圖4為控制策略流程圖。

圖4 控制策略流程圖

電氣布局采用緊密分層布置及拼臺(tái)支撐，利用絕緣墊片與絕緣套筒隔開相鄰銅板。各焊點(diǎn)通過空冷電纜與銅板總線相連，可在PLC控制下完成自動(dòng)化焊接工作，整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，工作效率高。電氣控制布局圖及與機(jī)械機(jī)構(gòu)裝配圖如圖5所示。

圖5 電氣控制布局圖

圖6為裝配在某車門的焊接平臺(tái)上的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際UG模擬裝配圖情況,1-5號(hào)為設(shè)計(jì)的引出焊夾具結(jié)構(gòu)。

圖6 引出焊與某車門焊接平臺(tái)UG裝配圖

5 結(jié)論

本文針對(duì)某車型汽車車門包邊連接處焊接拼臺(tái)，考慮現(xiàn)有焊接線的自身特點(diǎn)，借助AutoCAD平面設(shè)計(jì)與UG三維建模仿真，通過氣缸選型、材料選擇、補(bǔ)償設(shè)計(jì)多方面因素考慮，采用機(jī)械機(jī)構(gòu)與控制策略雙向控制來實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化輔助機(jī)械手補(bǔ)焊外包邊點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種引出焊接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手焊接與包邊補(bǔ)焊的同時(shí)進(jìn)行，提升焊接效率，降低了后期維護(hù)成本。

［1］ 胡繩蓀.焊接自動(dòng)化技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

［2］ 杜輝.白車身焊裝線技術(shù)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［3］ 殷建國(guó).PLC在汽車焊裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2007.

［4］ 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（1-2版）［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

［5］ 朱正行,嚴(yán)向明.電阻焊技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.