排氣管焊接專機(jī)的設(shè)計(jì)

■ 余可安，黃小林，蘭建平，曾慶文

汽車排氣管總成是汽車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，排氣管的失效，不僅會導(dǎo)致排氣氣壓下降，降低整車的動力性能，而且還造成了車內(nèi)噪聲大，發(fā)動機(jī)及底盤明顯振動等現(xiàn)象。如圖1、圖2為某車型新開發(fā)的B15T消排系統(tǒng)總成和排氣管焊接工藝，為滿足用戶的產(chǎn)能需求及氣密性100%檢測的技術(shù)要求，新開發(fā)了一臺排氣管環(huán)焊專機(jī)。

1. 設(shè)計(jì)過程及效果

（1）主要構(gòu)成 如圖3所示,排氣管焊接專機(jī)主要由伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)、提搶座機(jī)構(gòu)、焊機(jī)、送絲機(jī)構(gòu)（各2套）以及電氣柜等組成。

（2）夾具設(shè)計(jì)原則 根據(jù)排氣管總成的焊接工藝材料種類、板厚、焊縫位置等因素，采用焊槍靜止不動、工件轉(zhuǎn)動的焊接運(yùn)動方式。因此夾具的設(shè)計(jì)必須確保波紋管的中心與左、右兩側(cè)的伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心處于同一直線上（見圖4），但波紋管作為典型非線性彈性元件，具有材料非線性、幾何非線性和大變形等特性，不能像傳統(tǒng)剛性物料一樣進(jìn)行定位夾緊，需在波紋管兩端使用4套銅質(zhì)導(dǎo)輪形成V型支撐，同時(shí)夾緊機(jī)構(gòu)帶動其上的兩套銅質(zhì)導(dǎo)輪進(jìn)行夾緊，確保波紋管中心線與驅(qū)動旋轉(zhuǎn)中心線吻合。

圖1 B15T消排系統(tǒng)總成

圖2 B15T排氣管焊接工藝

（3）雙電動機(jī)協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)焊接 如圖5所示，雙電動機(jī)協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)焊接主要是以臺達(dá)DVP系列的PLC做主控單元，控制左、右兩個(gè)伺服伺服電動機(jī)的同步旋轉(zhuǎn)，無級調(diào)節(jié)焊接速度，從而實(shí)現(xiàn)雙電動機(jī)的協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)焊接, 這種方式可以大大降低因焊縫滲漏而引起的質(zhì)量問題。

（4）旋轉(zhuǎn)夾具進(jìn)氣機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)夾具進(jìn)氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理：利用軸用旋轉(zhuǎn)格萊圈的特性，在每兩套軸用旋轉(zhuǎn)格萊圈（見圖6）之間實(shí)現(xiàn)一支氣路的通路。如圖7所示，軸用旋轉(zhuǎn)格萊圈安裝在固定座6上，氣體通過固定座6進(jìn)入到固定座6內(nèi)孔的環(huán)型槽，在軸用旋轉(zhuǎn)格萊圈的密封作用下，經(jīng)由旋轉(zhuǎn)軸8上的孔和O形圈9輸出到法蘭7，再通過氣管連直接連接到旋轉(zhuǎn)夾具上的各個(gè)氣缸，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)夾具氣路的通路。

軸用旋轉(zhuǎn)格萊圈是由一個(gè)低摩擦的聚四氟乙烯密封環(huán)與一個(gè)O形密封圈所構(gòu)成，屬于內(nèi)圓周密封，用于有旋轉(zhuǎn)或擺動軸、旋轉(zhuǎn)接頭等處，可承受兩側(cè)壓力或交變壓力作用實(shí)現(xiàn)雙向的旋轉(zhuǎn)密封。具有以下特性：①啟動時(shí)不爬行，無粘滯現(xiàn)象。②抗磨性及尺寸穩(wěn)定性好。③可承載的密封壓力≤30MPa（速度1m/s時(shí)），≤20MPa（速度2m/s時(shí)）。

（5）氣密性檢測要求 對傳統(tǒng)汽車而言，排氣系統(tǒng)對整車NVH性能至關(guān)重要，排氣管作為乘用車上的一個(gè)重要部件，其SOS焊接工藝要求產(chǎn)品的焊接下線必須100%經(jīng)由氣密性設(shè)備（見圖8）進(jìn)行焊縫檢測，不能出現(xiàn)任何的滲漏。

圖3 排氣管焊接專機(jī)結(jié)構(gòu)示意

圖4 波紋管定位夾緊示意

圖5 雙電動機(jī)變位協(xié)調(diào)焊接運(yùn)動機(jī)構(gòu)

圖6 軸用旋轉(zhuǎn)格萊圈及其安裝示意

檢測技術(shù)要求檢測儀（皖儀LC103或COSMO的DF—24BA）在溫度為（23±5）℃時(shí)，檢測壓力在（30±1）kPa下，檢測時(shí)間內(nèi)總成的泄漏量≤30mL/min，并且所有的焊縫處不能出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。

（6）電氣控制流程 專機(jī)采用臺達(dá)DVP系列的PLC與伺服驅(qū)動器之間采用CANopen通信，其硬件組態(tài)圖如圖9所示。

PLC與專機(jī)外部輸入、輸出端口的I/O通信，外部輸入的信號經(jīng)I/0傳給PLC，PLC編寫的邏輯梯形圖將輸出信號傳給電磁閥等，這樣使系統(tǒng)更簡單更穩(wěn)定，其控制流程如圖10所示。

（7）人機(jī)操作界面 專機(jī)的主控核心是PLC，PLC要在獲取足夠的專機(jī)工作狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，才能根據(jù)焊接的工作循環(huán)，對外部I/O及伺服發(fā)出相應(yīng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)對專機(jī)的控制。PLC采用C網(wǎng)通過伺服控制、I/O擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)專機(jī)與伺服等各電氣控制元件的通信，從而把專機(jī)的各個(gè)焊接狀態(tài)信息進(jìn)行精確處理并顯示在觸摸屏上（見圖11）。

2. 焊接專機(jī)特點(diǎn)

（1）雙伺服電動機(jī)通過精密的RV減速機(jī)實(shí)現(xiàn)左、右旋轉(zhuǎn)夾緊機(jī)構(gòu)的同步旋轉(zhuǎn)，減少了復(fù)雜的機(jī)械轉(zhuǎn)動鏈部件，并且左、右旋轉(zhuǎn)夾緊機(jī)構(gòu)可以單獨(dú)控制，方便產(chǎn)品法蘭角度的調(diào)節(jié)。

（2）通過軸用旋轉(zhuǎn)格萊圈，實(shí)現(xiàn)多支氣路在旋轉(zhuǎn)軸上的通路，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)夾緊機(jī)構(gòu)上的多個(gè)氣缸在焊接過程中的定心與夾緊，保證產(chǎn)品法蘭端面與套管的精度要求，保證焊接質(zhì)量，減小焊接變形。

專機(jī)實(shí)現(xiàn)了B15T消排系統(tǒng)總成排氣管的自動焊接、松開等一系列程序控制，實(shí)施后收到的效果如圖12和圖13所示。

（3）減少相應(yīng)的設(shè)備投資。專機(jī)制造成本8.8萬元，市場采購價(jià)格約16萬元，直接節(jié)約成本7.2萬元。

圖7 雙電動機(jī)變位協(xié)調(diào)焊接運(yùn)動機(jī)構(gòu)

圖8 排氣管氣密性檢測設(shè)備

圖9 硬件組態(tài)

圖10 專機(jī)控制流程

圖11 專機(jī)人機(jī)操作界面

（4）改善了工人勞動強(qiáng)度與焊接操作環(huán)境。由原來的手工焊接轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備自動焊接，提升了消排焊接工藝水平。

（5）提高了勞動生產(chǎn)率。由原來的焊接節(jié)拍45JPH提高到了62JPH，快速響應(yīng)了客戶產(chǎn)能需求的拉動。

（6）提高了產(chǎn)品焊接質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。改變了原有手工焊接在氣密性檢測工序時(shí)因焊縫質(zhì)量問題而經(jīng)常引起的返工補(bǔ)焊的被動局面，焊接質(zhì)量明顯提高，一次焊接合格率達(dá)到98%以上。

（7）降低了人工成本，緩解招工難的問題。

（8）N*360°的左、右旋轉(zhuǎn)夾緊機(jī)構(gòu)不僅可以應(yīng)用在氣路上，還可以應(yīng)用在液壓油路上，為類似的產(chǎn)品（如排氣管的OBD螺母焊接、后橋法蘭頭焊接等）環(huán)焊工藝提供了借簽。

圖12 排氣管焊接專機(jī)數(shù)模及現(xiàn)場生產(chǎn)效果

圖13 排氣管焊接效果

3. 結(jié)語

排氣管焊接專機(jī)的開發(fā)優(yōu)化了生產(chǎn)線的焊接工藝，提升了消排焊接工藝水平，在快速響應(yīng)客戶需求實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力的同時(shí)，提高了公司自主研發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新能力，取得很好的效果，增強(qiáng)了公司產(chǎn)品的競爭力。

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