一種用于汽車安全側(cè)氣囊Z型折疊設(shè)備的設(shè)計(jì)

姚佩林

(上海希騰電子信息技術(shù)有限責(zé)任公司，上海 201806)

0 引言

汽車安全側(cè)氣囊是汽車上必不可少的被動(dòng)觸發(fā)的一種保護(hù)駕駛員或者乘客的安全保護(hù)裝備，大多數(shù)汽車上均配備側(cè)氣囊，因此氣囊的質(zhì)量以及被觸發(fā)時(shí)的彈出速度和壓力會(huì)在很大程度上影響人的生命安全。通常，氣囊都是通過折疊方式放置在氣囊安裝袋里面以減少所占用的空間[1，2]。目前市場(chǎng)上主要有3種氣囊折疊方式，分別是卷帶、折袋以及堆袋。由于折疊方式的不同，當(dāng)氣囊彈開時(shí)產(chǎn)生的危害也不一樣，經(jīng)過調(diào)查研究，目前最常用的方式是折袋方式，因?yàn)檫@種折疊方式彈出安全系數(shù)最高[3，4]。但是，目前大多數(shù)氣囊折疊設(shè)備都是半自動(dòng)化設(shè)備，生產(chǎn)效率不高且精度低，導(dǎo)致氣囊安全系數(shù)降低。因此需要對(duì)目前已有的折疊設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其自動(dòng)化程度、豐富其功能、提高折疊精度。

1 氣囊折疊設(shè)備工作原理及設(shè)計(jì)要求

氣囊折疊設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該設(shè)計(jì)主要通過折疊機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、跟隨機(jī)構(gòu)和粘貼機(jī)構(gòu)4部分來實(shí)現(xiàn)汽車安全氣囊的自動(dòng)折疊膠粘，即主要通過PLC控制系統(tǒng)控制氣動(dòng)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)氣囊的旋轉(zhuǎn)、折疊、壓緊、粘貼及頂出等5個(gè)動(dòng)作。為了提高該設(shè)備的自動(dòng)化程度和氣囊折疊效果，該設(shè)備中的左、右旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過PLC控制并行上下層交叉Z折袋機(jī)構(gòu)，跟隨機(jī)構(gòu)通過氣壓調(diào)節(jié)依次推進(jìn)預(yù)緊氣袋折疊，粘貼機(jī)構(gòu)通過傳感器將粘貼、頂出功能集成到系統(tǒng)之中[5，6]，氣囊折疊過程如圖2所示。該設(shè)備的設(shè)計(jì)要求如下：

圖1 氣囊折疊設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 氣囊折疊過程

(1) 將氣袋展開固定，用氣爪夾住氣袋前端，開始以寬度25 mm～30 mm尺寸緊湊向上旋轉(zhuǎn)。

(2) 保證氣袋不發(fā)生刮傷、磨損。

(3) 疊袋過程中，氣袋中間部位保持一定的張緊，不能出現(xiàn)松弛。

(4) 能夠?qū)崿F(xiàn)柔性加工,可以實(shí)現(xiàn)左/右氣袋兩種產(chǎn)品的折疊。

(5) 氣袋疊袋過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制(無人工干預(yù))。

(6) 工藝布局要合理，從而保證操作者操作安全方便。

(7) 自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)以PLC/HMI與手動(dòng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。

2 氣囊折疊設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣囊折疊機(jī)構(gòu)是由上Z型折疊機(jī)構(gòu)和下Z型折疊機(jī)構(gòu)組成。工作時(shí)，通過上、下Z型折刀交錯(cuò)配合的方式實(shí)現(xiàn)平鋪的氣囊Z型折疊，當(dāng)上、下折刀進(jìn)行配合折疊時(shí)，相互插入彼此留有的空隙中，這樣便形成了Z型并且對(duì)氣囊起到夾持作用[7-9]。

(1) 上Z型折疊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。該機(jī)構(gòu)主要由氣缸、連接塊、折刀、折刀固定板、角碼、氣缸固定板和機(jī)架組成。氣缸固定板通過角碼垂直安裝在機(jī)架上，在氣缸固定板上安裝有5個(gè)氣缸，氣缸的下端通過連接塊與折刀固定板相連接，折刀固定板上安裝有Z型折刀。由于5把Z型折刀為相互平行設(shè)置，因此上邊連接的氣缸只能呈斜線設(shè)置。在工作時(shí)，由于相互平行的Z型折刀是交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的，因此在折刀固定板之間安裝有滑塊和滑軌以實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。

圖3 上Z型折疊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

(2) 下Z型折疊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與上Z型折疊機(jī)構(gòu)基本一致，但是由于氣囊Z型折疊是通過上、下兩個(gè)折疊機(jī)構(gòu)的配合工作實(shí)現(xiàn)的，因此在工作過程中會(huì)伴隨振動(dòng)沖擊，所以在下Z型折疊機(jī)構(gòu)的氣缸固定板上均勻設(shè)置了4根支撐桿，用來平衡工作過程中的振動(dòng)沖擊，提高了工作精度以及下Z型折疊機(jī)構(gòu)與臺(tái)面的連接強(qiáng)度。下Z型折疊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 下Z型折疊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用是當(dāng)汽車安全氣囊展開且固定后，通過上端的氣爪夾住氣袋的前端，以寬度25 mm～30 mm的尺寸向上旋轉(zhuǎn)2圈，從而保證氣袋前端旋緊。該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括左、右兩個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)且對(duì)稱布置[10]。圖5為左、右旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括氣缸、電機(jī)、同步鏈、滑塊和導(dǎo)軌。為了保證較高的工作精度、響應(yīng)速度以及工作穩(wěn)定性，電機(jī)均采用伺服電機(jī)。由于滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、使用壽命長等特性，因此Y方向上的傳動(dòng)采用“伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的組合形式；由于同步鏈具有較高的傳動(dòng)比、穩(wěn)定的傳送速度和較長的使用壽命，因此在X方向上采用“伺服電機(jī)+同步鏈”的組合形式進(jìn)行傳動(dòng)。為了進(jìn)一步減少傳動(dòng)誤差，氣缸采用直線氣缸，且為行程可調(diào)式，有利于針對(duì)不同尺寸的氣囊進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖5 左、右旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 跟隨機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

跟隨機(jī)構(gòu)的作用是為了保證折疊過程中氣囊的張緊以及防止折疊后由于內(nèi)外壓差造成氣囊回復(fù)原貌。圖6為跟隨機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，主要由尼龍擋板、上固定板、下固定板、支撐桿、氣缸、導(dǎo)軌、滑塊等組成。尼龍擋板安裝在保持架上，在保持架的另一邊安裝有氣缸，通過氣缸驅(qū)動(dòng)滑塊在導(dǎo)軌上的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)尼龍擋板對(duì)氣囊的壓緊。由于壓緊過程具有一定的阻力，為了提高工作精度和連接強(qiáng)度，上、下固定板之間設(shè)置支撐桿，且下固定板通過螺栓固定在臺(tái)面上[11]。

圖6 跟隨機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 粘貼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

粘貼機(jī)構(gòu)的作用是對(duì)折疊后的氣囊進(jìn)行粘貼，保證氣囊保持折疊壓緊狀態(tài)。圖7為粘貼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，膠帶安裝在下壓固定氣缸的連桿上，且與傳感器相連。粘貼機(jī)構(gòu)整體通過上固定板安裝在臺(tái)面下方，為了連接可靠，下方設(shè)置4個(gè)支撐桿和支撐塊。當(dāng)氣囊由鋪開狀態(tài)變?yōu)檎郫B狀態(tài)后，連桿開始工作，膠帶開始粘貼。當(dāng)傳感器檢測(cè)到膠帶粘貼完成后，下方的氣缸工作將氣囊通過頂塊頂出，完成整套折疊工序。

圖7 粘貼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3 氣囊折疊設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)采用S7-1200 PLC控制單元，并配備觸摸屏進(jìn)行信息的交互。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，外部傳感器和磁性開關(guān)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞給PLC控制單元，經(jīng)過控制單元的診斷分析，PLC發(fā)出相應(yīng)指令對(duì)各電磁閥進(jìn)行控制。人機(jī)界面如圖8所示，上面有各種數(shù)據(jù)顯示以及復(fù)位、自動(dòng)、手動(dòng)、伺服、啟動(dòng)、停止等按鈕，外部可以通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)氣囊折疊機(jī)的各類操作。

圖8 氣囊折疊設(shè)備人機(jī)交互界面

控制系統(tǒng)工作流程為：上電復(fù)位→各工位氣缸/電機(jī)復(fù)位→人工上料→雙手啟動(dòng)→氣缸伸出將氣袋夾住→電機(jī)聯(lián)動(dòng)將氣袋上卷→跟隨氣缸伸出頂住氣袋→夾爪松開退出→上/下層氣缸交叉伸出將氣袋Z型折疊→跟隨氣缸同步推進(jìn)將氣袋固定防止松開→末端定型氣缸伸出將氣袋四周限位→各氣缸松開復(fù)位→伺服聯(lián)動(dòng)復(fù)位→自動(dòng)膠帶粘貼→頂出光幕區(qū)域檢測(cè)膠帶有無→檢測(cè)合格各氣缸復(fù)位→裝袋→完成→機(jī)構(gòu)復(fù)位→結(jié)束。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)該設(shè)備樣品進(jìn)行制造、安裝、調(diào)試后，進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，主要對(duì)SAB氣袋(兼容左右件)進(jìn)行折疊壓緊。該產(chǎn)品具體尺寸為578 mm(長)×337 mm(寬)，安全氣囊袋卷成寬度為30±5 mm的Z型，并裝入固定的氣囊殼內(nèi)。氣囊折疊狀態(tài)示意圖如圖9所示。

圖9 氣囊折疊狀態(tài)示意圖

試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。生產(chǎn)試驗(yàn)證明，該設(shè)備折疊的氣囊寬度誤差小于2 mm，全程自動(dòng)化且折疊緊實(shí)，滿足汽車安全氣囊折疊要求。

圖10 氣囊折疊生產(chǎn)試驗(yàn)

5 結(jié)語

本氣囊折疊設(shè)備的左、右旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過PLC控制并行上下層交叉Z折袋機(jī)構(gòu)，跟隨機(jī)構(gòu)通過氣壓調(diào)節(jié)依次推進(jìn)預(yù)緊氣袋折疊等功能集成到系統(tǒng)之中。其優(yōu)點(diǎn)是：①上下折疊機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)行，保證了折疊過程中的壓力；②左右旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)行，保證了旋轉(zhuǎn)寬度的準(zhǔn)確性以及氣囊前端平整性；③上下折疊機(jī)構(gòu)交錯(cuò)工作時(shí)，跟隨機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，保證了折疊氣囊壓緊可靠性；④粘貼機(jī)構(gòu)自動(dòng)膠粘，提高了膠粘精度以及穩(wěn)定性。通過生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)該設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，運(yùn)行過程中，該設(shè)備功能齊全，系統(tǒng)路暢，滿足具體產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，達(dá)到設(shè)備設(shè)計(jì)要求，證明該設(shè)計(jì)具有可行性。