組合壓裝式濾清器蓋板多工位自動壓裝用模具及控制系統(tǒng)開發(fā)

湯輝 吳立新 姚運張 張清 王遠志 張翰林

摘要：汽車濾清器作為雜質或氣體過濾的配件，在保證發(fā)動機進氣潔凈、機油和燃油清潔以及發(fā)動機正常工作等方面起著十分重要的作用。在機油濾清器和燃油濾清器中，蓋板是保證車輛在復雜振動工況下能夠穩(wěn)定安裝、正常工作的重要保障。特別是組合壓裝式蓋板，傳統(tǒng)的采用人工壓裝的生產(chǎn)方式存在效率低、質量一致性差、廢品率高的問題。基于此，研發(fā)了濾清器組合式蓋板多工位自動壓裝用成套模具，并通過自動壓裝設備的開發(fā)實現(xiàn)了組合式蓋板的連續(xù)壓裝。該濾清器蓋板多工位自動壓裝設備在降低工人勞動強度的同時，顯著地提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品的質量一致性，為濾清器乃至發(fā)動機的正常工作提供了堅實保障。

關鍵詞：濾清器;蓋板;自動壓裝;模具

0 引言

濾清器是汽車保養(yǎng)維修中更換頻率較高的配件，市場需求量大。作為雜質或氣體過濾的配件，汽車濾清器在保證發(fā)動機進氣潔凈、機油和燃油清潔以及發(fā)動機正常工作等方面起著十分重要的作用。在機油濾清器和燃油濾清器中，蓋板是保證車輛在復雜振動工況下能夠穩(wěn)定安裝、正常工作的重要保障。組合壓裝式蓋板是機油濾清器和燃油濾清器中常用的蓋板形式[1-3]，其生產(chǎn)所采用的傳統(tǒng)人工壓裝生產(chǎn)方式存在效率低、質量一致性差、廢品率高的問題，嚴重影響濾清器的可靠性以及生產(chǎn)企業(yè)的效益[4]。

本文對組合壓裝式蓋板的多工位自動裝配工藝進行了研究，設計了各工位的模具壓頭，并開發(fā)了自動壓裝設備。濾清器蓋板多工位自動壓裝設備在降低工人勞動強度的同時，顯著地提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品的質量一致性，為此類蓋板的自動化生產(chǎn)提供了一定的參考。

1 組合式濾清器蓋板

濾清器蓋板的種類較多，組合式通常采用焊接或鉚接結構。如圖1所示，組合式濾清器蓋板由螺紋蓋板和薄蓋板組成，為鉚合結構。濾清器的工況條件存在振動、溫度變化等多種情況，要求蓋板的連接具有較高的強度、耐熱性，在螺紋蓋板和薄蓋板壓合過程中不應產(chǎn)生斷裂等問題。為了保證鉚接的質量，薄蓋板的鉚接齒和螺紋蓋板的鉚接槽之間需采用過盈配合，以提高工作可靠性，因此對蓋板零件的形狀、尺寸精度等提出了較高的要求。針對產(chǎn)品的壓裝工藝，不能采用一次成型壓裝，而是需分三個工位實現(xiàn)產(chǎn)品的鉚合，具體包括：（1）初步鉚合;（2）預成型鉚合;（3）成型-完成蓋板壓裝鉚合。

2 各工位壓裝模具設計

確定工位后，根據(jù)各工位的要求進行相關模具的設計。如圖2所示，由于鉚接齒和螺紋蓋板的鉚接槽之間為過盈配合，所以在自然放置狀態(tài)下，螺紋蓋板和薄蓋板之間存在一縫隙?？紤]壓合過程，將壓合的模具設計了模頭和卡盤兩部分，卡盤部分定位固定零件，模頭部分用來壓彎鉚接齒，從而實現(xiàn)定位和壓裝。自動化壓裝工藝包括多個工位同時進行不同步驟的壓裝，為此通過分析設計了各工位的壓頭和定位卡盤，保證壓裝的質量和工藝連續(xù)性。

2.1 ? ?模頭設計

蓋板壓裝是通過初步鉚合、預成型、成型三個工位實現(xiàn)。其中初步鉚合模頭將薄蓋板的鉚接齒由內向外壓至一定傾斜度，預成型模頭將鉚接齒卡緊螺紋蓋板，成型模頭將薄蓋板和螺紋蓋板完全鉚合。模頭朝向卡槽的端面為壓合平面，壓合平面的邊緣分別設有倒角。經(jīng)過分析和工藝試驗后，初步鉚合模頭、預成型模頭及成型模頭上的倒角與壓合平面之間的夾角分別為60°、30°、2°，如圖3所示。

2.2 ? ?卡盤設計

卡盤結構如圖4所示，其形狀是根據(jù)薄蓋板底部形狀設計的，能夠與薄蓋板底部良好貼合，承受鉚合過程中的壓力，避免因壓力過大而造成蓋板斷裂、損壞等問題。

3 自動壓裝系統(tǒng)設計

3.1 ? ?控制流程及控制策略

自動壓裝系統(tǒng)采用回轉托盤結構，采用步進切換工位。系統(tǒng)主要由進料、定位、壓裝、出料四部分組成。

詳細流程步驟如下：

（1）將蓋板零件放入回轉托盤上的定位裝置中，零件隨著托盤旋轉到壓裝工位;

（2）當轉到固定工位后，由控制程序對壓力缸輸入命令，各工位同時進行蓋板的壓裝;

（3）蓋板通過多個工位完成壓裝后轉到移出位置，再由移出裝置將蓋板移出。

控制系統(tǒng)主要包含控制機構、傳感機構、驅動機構、人機界面。控制機構是實現(xiàn)動作的關鍵，常采用PLC作為控制機構的核心。傳感機構的作用是感應零件是否到達準確位置、各氣缸是否處于原位還是到位狀態(tài)等，并將這些信號輸入到控制機構PLC中。驅動機構主要采用伺服電機驅動旋轉托盤進行回轉驅動實現(xiàn)托盤回轉;壓力缸由氣體系統(tǒng)驅動氣缸實現(xiàn)模頭的下行壓裝，其控制閥選用三位五通閥。人機界面采用按鈕結合面板的形式，便于操作和控制。

3.2 ? ?控制系統(tǒng)硬件設計

濾清器蓋板自動壓裝系統(tǒng)中有11個輸入信號，包括4個氣缸上的8個限位傳感器（分前傳感器和后傳感器兩類）、2個開關按鈕和1個轉盤的角位移傳感器;輸出信號有6個，包括氣缸的伸出和退回信號、轉盤回轉電機的信號、傳送電機的正反轉信號和上下料電磁鐵通電產(chǎn)生的磁力信號。針對控制要求，選用臺達DVP24ES200R/T可編程控制器，其PLC具有高速、穩(wěn)定可靠的特點，且輸入點數(shù)為16，輸出點數(shù)為8，能夠滿足控制的要求[5]。

控制系統(tǒng)的I/O輸入輸出分配如表1所示。

3.3 ? ?設備控制策略

濾清器蓋板自動壓裝系統(tǒng)軟件設計分為兩大部分：自動壓裝程序和自動零件移出程序。當啟動開關打開臺面，電機轉動，角位移傳感器轉動到固定的角度時，所有氣缸伸出壓裝零件，同時回轉電機停止轉動，電磁鐵通電使之產(chǎn)生磁力將零件吸住。在氣缸伸出到最低位置的前傳感器時，所有氣缸退回，回轉電機轉動，傳送電機正轉。當氣缸退回到氣缸后傳感器時，電磁鐵斷電，傳送電機反轉，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。

4 結語

為了提高鉚接組合式濾清器蓋板的裝配效率，本文開展了該產(chǎn)品的自動壓裝設備的研究開發(fā)工作。首先對組合式濾清器蓋板的自動壓裝工藝進行了分析，規(guī)劃了通過三工位完成壓裝的方案;然后進行了壓裝用模具壓頭和定位卡盤的設計;最后完成了自動壓裝設備控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計。通過項目實踐，實現(xiàn)了鉚接組合式濾清器蓋板的多工位自動壓裝，在降低操作人員勞動強度的同時，生產(chǎn)效率及產(chǎn)品的質量和穩(wěn)定性都得到了大幅度提升。

[參考文獻]

[1] 周毅，吳江.濾清器螺紋蓋板沖壓模具設計[J].機械工程與自動化，2012（2）：87，90.

[2] 吳一敏.車用空氣濾清器的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].汽車研究與開發(fā)，1999（4）：42-51.

[3] 張振龍.電液伺服閥銜鐵組件自動壓裝機的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2011.

[4] 王立志，李元伶.數(shù)控輪對自動壓裝機研制[J].鐵道技術監(jiān)督，2009，37（6）：57-59.

[5] 張亞鋒，孟飛，張美鳳，等.基于汽車起動行星軸的壓裝機設計與實現(xiàn)[J].組合機床與自動化加工技術，2016（11）：134-137.

收稿日期：2020-08-14

作者簡介：湯輝（1997—），男，安徽滁州人，研究方向：機械設計制造及其自動化。