一種固定后組合燈LED模組的熱熔設(shè)備設(shè)計

陳德立，陳振宇，舒 奎 ，董天放

(1.大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.比亞迪汽車工業(yè)有限公司 汽車工程研究院，廣東 深圳 518118)

0 引言

后組合燈是汽車主動安全的重要組成部分，而其主要的發(fā)光源就是采用LED燈，由于大功率LED 芯片散熱困難，后組合燈模組化的研發(fā)應(yīng)運而生[1-2]。后組合燈的核心部件就是LED模組，而后組合燈裝配關(guān)鍵工序是本體與LED模組的熔接。熱熔的效果直接影響后組合燈的配光性能及LED的壽命，熱熔點表面光亮程度、是否拉絲等細節(jié)都會影響整車的品質(zhì)[3]。早期汽車后組合燈的熱熔是由工人進行熔接的，手動逐個焊接，焊接效果差。為提高生產(chǎn)效率，將焊點累加到一個模塊上，由單一的熱源進行加熱，后組合LED模組熔接效率得到了一定的提高。但是這種方式對于面積小、結(jié)構(gòu)簡單的工件熔接效果較為理想，便于保證加熱面的均勻[4]。當(dāng)需要加工的工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者體積較大時，會造成工件受熱不均勻，導(dǎo)致熔點拉絲、未熔，一致性差。汽車后組合燈LED模組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔點小而多，熱熔點排布空間性強，如果采用單熱源模塊熔接的方式，會出現(xiàn)熱溫度控制不精確、傳熱不均勻，無法滿足生產(chǎn)要求。充分考慮到塑料工件脫模后縮水現(xiàn)象，為了達到良好的熱熔效果，結(jié)合塑料材質(zhì)熔點特性，開發(fā)出單點溫控熔接的熱熔設(shè)備。熱熔設(shè)備每個熱熔頭與熱熔點的同軸度及安裝高度均可調(diào)整，并對需要熱熔的工件通過工裝固定；對于外觀相似后組合燈，可通過調(diào)整熱熔頭的數(shù)量或布置，實現(xiàn)熱熔設(shè)備的快速切換，減少熱熔工裝的開發(fā)種類，降低生產(chǎn)成本；熱熔頭的溫度進行實時熱熔頭的溫度進行實時采集和監(jiān)控，做到恒溫智能控制。

1 熱熔設(shè)備總裝及工作原理

1.1 熱熔設(shè)備總裝圖

為了生產(chǎn)方便，運用柔性化的設(shè)計理念，轎車后組合燈LED模組支架熱熔設(shè)備由設(shè)備主體及獨立模架兩大部分組成，整體結(jié)構(gòu)緊湊，自動化程度高，只需通過更換模架，可適用不同車型同類產(chǎn)品的生產(chǎn)。如圖1所示是熱熔設(shè)備總裝實物圖，由工控機、舉壓機構(gòu)、加熱機構(gòu)、送料機構(gòu)、工作臺、機架等組成。

1.舉壓機構(gòu) 2.操作面板 3.加熱機構(gòu) 4.送料機構(gòu) 5.機架

熱熔設(shè)備集成了兩個工位，生產(chǎn)效率得到了極大的提升，同時配備雙啟動按鈕及送料、出料滑臺，保證操作者的安全生產(chǎn)。熱熔設(shè)備具有自動與手動兩種工作模式，同時配備了人機界面，可手動設(shè)置參數(shù)、溫度及實時顯示等，還有故障報警、自動停機以及顯示報警信息等功能。

1.2 熱熔設(shè)備的工作原理

熱熔設(shè)備采用兩工位同時加工的方式，當(dāng)檢測到工裝到位后，舉壓機構(gòu)動作帶動熱熔頭向下移動，加熱管熱熔頭對準(zhǔn)每一個熱熔點，熱熔頭到位后加熱LED燈熔接點使其熔化[5]。熱熔頭復(fù)位后風(fēng)扇動作，快速的對熔接點降溫，LED燈帶被固定到LED模組本體上，然后進入下一個工件加工環(huán)節(jié)。

2 熱熔設(shè)備機械裝置設(shè)計

2.1 舉壓機構(gòu)

舉壓機構(gòu)主要由平衡吊、氣缸、導(dǎo)軌、垂直移動總成、快速換裝總成等組成[6]，如圖2所示。通過氣缸提供動力，帶動與快速換裝總成相連接的加熱機構(gòu)垂直移動。為了適應(yīng)高速化的自動化生產(chǎn)線的要求，提高設(shè)備生產(chǎn)計劃彈性，提升附加價值而專門設(shè)計了快速換裝部件。其組成由設(shè)備主體的快速夾頭、模架通用接口以及快速給電給氣等部分組成?？焖賷A頭既有快速夾緊功能，又能起到定位自動找正的作用[7]，快速換裝部件采用常閉結(jié)構(gòu)，工作期間即使斷電斷氣，模架也不會掉落，安全可靠。換裝過程簡單快捷，只需把模架放到滑臺上即可，設(shè)備能夠自動完成進退模架。

圖2 舉壓機構(gòu)

2.2 加熱與送料機構(gòu)

如圖3中A部分所示是熱熔設(shè)備加熱機構(gòu)。為了便于新車導(dǎo)入時所需的后組合燈工件進行熔接，實現(xiàn)共線生產(chǎn)，加熱機構(gòu)采用獨立模架結(jié)構(gòu)，其配備通用電氣接口，可快速與設(shè)備主體對接，成為一臺完整的設(shè)備。主要結(jié)構(gòu)有：上下模支架、加熱管鎖緊結(jié)構(gòu)、預(yù)壓結(jié)構(gòu)、加熱總成及產(chǎn)品工裝等組成。加熱管鎖緊采用裝配容易的脹緊套結(jié)構(gòu)，可以保證加熱管的同軸度，高度又可調(diào)整，工作中降低磨損，增加設(shè)備的使用壽命[8]。

圖3 加熱和送料機構(gòu)

送料機構(gòu)如圖3中B部分所示，完成對封裝后的工件的水平移動。主要作用是在有限的工作范圍內(nèi)，方便操作者放置樣品，滿足生產(chǎn)工件生產(chǎn)對中的要求。

2.3 氣動驅(qū)動回路

在氣動回路中，氣缸通過電磁閥得電、失電而產(chǎn)生前進、后退或者上行、下降的運動[9-10]，由此實現(xiàn)垂直與水平移動機構(gòu)動作的功能，如圖4所示。快速換裝部件氣缸通氣后伸出，鋼珠復(fù)位，工裝模架與夾頭分離，氣缸回復(fù)由缸內(nèi)彈簧控制。氣缸為熱熔機的動作部件提供動力，氣源統(tǒng)一供給，降低工作環(huán)境的噪聲。

圖4 氣動原理示意圖

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件電路設(shè)計

熱熔設(shè)備系統(tǒng)由智能型電控柜(包括7寸觸摸屏、PLC恒溫控制系統(tǒng)、DC24V電源、斷路器、交流接觸器、中間繼電器)，48路固態(tài)繼電器，48路加熱管和48路溫度傳感器以及供電主回路構(gòu)成。系統(tǒng)以歐姆龍CJ2M-CPU35 PLC為控制核心，具有程序容量大，運算速度高，可擴展性強的優(yōu)點[11]。PLC使用輸入模塊CJ1W-ID211與輸出模塊CJ1W-OD211作為擴展單元；12臺溫度控制單元共48路溫度傳感器輸入及48路繼電器輸出。

3.1.1 系統(tǒng)主電路

系統(tǒng)主電路采用三相五線制供電，兩路斷路器和接觸器電路分別給24路加熱管供電(加熱管R1-R48采用AC220V供電)，斷路器作設(shè)備的短路保護。合上斷路器QF2或QF3后，接觸器KM1或KM2主觸點吸合，由溫度控制單元控制固態(tài)繼電器KA1-KA24或KA25-KA48的觸點閉合，加熱管R1-R24或R25-R48開始加熱，每相電路供應(yīng)8路加熱管。在加熱管供電線路上裝設(shè)浪涌保護器，來防止電源通斷產(chǎn)生的瞬時電流過大給加熱管熱熔頭造成損壞。

3.1.2 系統(tǒng)控制電路

熱熔設(shè)備采用雙工位系統(tǒng)，其中一工位雙啟動按鈕(ID-A0)和二工位雙啟動按鈕(ID-B0)分別控制一工位和二工位的啟動運行，采用的雙啟動按鈕能有效的保護電路。復(fù)位按鈕(ID-A1)為設(shè)備的報警復(fù)位位；停止按鈕(ID-B1)控制設(shè)備運行動作的停止及兩個主接觸器(KM1、KM2)的通斷；其他觸點控制反映設(shè)備狀態(tài)的指示燈以及氣缸執(zhí)行機構(gòu)控制點，圖5為控制系統(tǒng)的輸入回路。

圖5 控制系統(tǒng)的輸入回路

系統(tǒng)的輸出控制回路中有24個輸出控制點，其中點OD-A0～OD-B7為PLC輸出軟繼電器觸點，點OD-A0和OD-B0控制主接觸器通斷[12]，其他輸出點反映設(shè)備運行狀態(tài)指示燈、吹氣降溫風(fēng)扇動作以及氣缸執(zhí)行機構(gòu)運行等控制，圖6為控制系統(tǒng)的輸出回路。

圖6 控制系統(tǒng)的輸出回路

3.1.3 恒溫控制系統(tǒng)

熱熔設(shè)備的恒溫控制系統(tǒng)以PLC作為控制器，使用歐姆龍溫度控制模塊，應(yīng)用閉環(huán)控制原理達到對加熱管溫度的控制。在溫度控制回路中有12臺溫度控制單元的共48個K型熱電偶對一、二工位的熱熔加熱設(shè)備進行溫度信號的采集，實現(xiàn)恒溫控制，防止溫度不滿足熱熔要求，圖7為溫度控制回路。

圖7 溫度控制回路

通過加熱管加熱熱熔頭，溫度傳感器和溫控模塊進行實時采樣，控制器通過溫度傳感器檢測的信號做出動作，當(dāng)設(shè)備的熱熔頭溫度低于溫度設(shè)定值時，輸出控制信號啟動加熱管開始加熱，通過加熱管加熱使熱熔頭溫度達到設(shè)定值。如果熱熔頭溫度超過設(shè)定值，控制器停止信號輸出使加熱管停止加熱，熱熔頭溫度下降回到設(shè)定值。如此循環(huán)往復(fù)控制，使熱熔頭溫度穩(wěn)定在允許的設(shè)定溫度值波動范圍，達到恒溫控制要求。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

熱熔設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵在于PLC程序設(shè)計、觸摸屏組態(tài)的合理性與可行性和溫度控制模塊的參數(shù)設(shè)置問題。從生產(chǎn)線操作人員的角度出發(fā)，生產(chǎn)設(shè)備的操作需求為：“送料→啟動→出料”。設(shè)備后臺運作通過完全程序自動化實現(xiàn)，如圖8所示為熱熔設(shè)備工作流程。

圖8 熱熔設(shè)備工作流程

在對溫度控制模塊設(shè)置中，輸入信號選擇K型熱電偶的采集溫度數(shù)據(jù)，由圖7知溫度控制單元可以執(zhí)行4個控制回路的基本ON/OFF 控制或PID 控制，在本系統(tǒng)中選擇ON/OFF 控制。在ON/OFF控制時，當(dāng) PV(顯示)值低于SV(設(shè)定)值時控制輸出為 ON，當(dāng)PV值大于或等于SV值時控制輸出為OFF。當(dāng)系統(tǒng)檢測的信號不到位，會及時的報警，若出現(xiàn)致命錯誤時停機待檢。

CPU單元與溫度控制單元間的數(shù)據(jù)實時傳輸，通過分配給作為特殊I/O 單元的溫度控制單元傳送給CPU 單元的CIO 和DM 區(qū)中的字來執(zhí)行的。操作數(shù)據(jù)在在DM區(qū)中的數(shù)據(jù)傳輸給溫控單元進行初始化數(shù)據(jù)，可以交換報警模式、報警遲滯以及使電源處于ON或者重新啟動。CIO區(qū)和DM區(qū)的字可以與溫控單元通過I/O刷新連續(xù)的交換參數(shù)。

3.3 人機界面設(shè)計

人機界面是系統(tǒng)與用戶進行信息交互的媒介，良好的人機界面設(shè)計使系統(tǒng)更加人性化[13]。圖9所示為熱熔設(shè)備的人機交互主界面，主要體現(xiàn)了控制系統(tǒng)的通信連接狀態(tài)，在主界面上可以查看到所有設(shè)備的連接關(guān)系。該設(shè)備的監(jiān)控主畫面具有系統(tǒng)狀態(tài)指示、加熱電路送電、預(yù)熱完成指示、生產(chǎn)計數(shù)、溫度模塊傳感器差錯指示、控制操作以及各個子界面進入選擇。

圖9 設(shè)備主操作界面

4 熱熔效果分析

該熱熔設(shè)備已經(jīng)在企業(yè)投入使用，解決了汽車后組合燈LED模組熔接的難題，熱熔效果良好，熱熔接點無拉絲，操作方便安全，符合加工熔接的設(shè)計要求，可適用于不同車型同類產(chǎn)品的生產(chǎn)，系統(tǒng)控制可以實現(xiàn)參數(shù)一鍵推送。圖10是人工熱熔與設(shè)備熱熔的效果對比。

(a) 人工熱熔

(b) 設(shè)備熱熔圖10 LED模組熱熔圖

單點熔接的工藝，對大工件產(chǎn)品的加工提供參考，還可以有效的降低能源消耗。通過該設(shè)備研發(fā)，可以應(yīng)對各種形狀復(fù)雜、焊點多的工件，可以應(yīng)用在汽車門板熱熔、手機外殼等塑料熱熔領(lǐng)域。

5 結(jié)論

解決了后組合燈LED模組熔接的難點，完成了熱熔設(shè)備的機械設(shè)計和裝配，對熱熔的恒溫智能控制進行了深入研究，實現(xiàn)了熱熔設(shè)備的自動化生產(chǎn)。該設(shè)備對不同車型后組合燈LED模組熔接時，只需更換加熱機構(gòu)模架，具備柔性化設(shè)計理念。運行結(jié)果表明，產(chǎn)品具有一致性程度高，熱熔效果好的優(yōu)點，提升了生產(chǎn)效率及品質(zhì)，滿足了企業(yè)的生產(chǎn)需要，擁有廣泛的應(yīng)用前景。

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