汽車消聲器筒體旋轉(zhuǎn)翻邊裝置的設(shè)計(jì)*

張超 蔣玲 方忠

1 杰鋒汽車動力系統(tǒng)股份有限公司，安徽 蕪湖 241000；2 蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006；3 東南大學(xué) 復(fù)雜系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究中心，江蘇 南京 210096

社會在發(fā)展，科技在進(jìn)步，思維在改變，品質(zhì)在提升。人們不僅追求物質(zhì)上的享受，更在追求精神上的滿足。高品質(zhì)的汽車已成為人們消費(fèi)的熱點(diǎn)，制造高品質(zhì)的汽車是各大主機(jī)廠的奮斗目標(biāo)。各汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)需要極快適應(yīng)市場的要求，制造高品質(zhì)的產(chǎn)品，滿足市場的需要。目前汽車消音器中的筒體翻邊多采用臥式結(jié)構(gòu)的油壓翻邊機(jī)，依靠油壓推動模具將縱縫咬邊成形的消聲器筒體兩端的邊緣適當(dāng)?shù)胤觥７叺哪康氖菫榱四苁瓜暺魍搀w與前后端蓋順利實(shí)現(xiàn)咬邊、密封[1]。這種油壓翻邊工藝和翻邊裝置，存在以下問題：

1)翻邊垂直度差，翻邊后的筒體長短無法準(zhǔn)確控制，嚴(yán)重影響后續(xù)的插芯和端咬工序封裝質(zhì)量，導(dǎo)致內(nèi)芯體在筒體中的位置不一致，從而影響管件的伸出量，最終影響成品的焊接質(zhì)量。

2)由于油壓機(jī)翻邊易造成兩端翻邊長度的不一致，從而在后續(xù)的端咬工序時，端咬的尺寸和質(zhì)量無法保證、易造成筒體長度有偏差、筒體的泄漏量時好時壞無法進(jìn)行有效的控制等問題，不合格品較多。

3)占地面積大，更換模具麻煩，會浪費(fèi)大量的人力和場地資源。

上述問題會導(dǎo)致消音效果下降，影響整車的消音效果，降低了整車的品質(zhì)，影響駕乘人員的舒適性，這不僅會影響企業(yè)的聲譽(yù)，還會給企業(yè)帶來較為嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)索賠。

制造高品質(zhì)舒適性汽車，需要高品質(zhì)的消聲器，制造高品質(zhì)的消聲器就得進(jìn)行制造設(shè)備的研制。本文設(shè)計(jì)了一種汽車消聲器筒體旋轉(zhuǎn)翻邊裝置，改變了過去人們的慣性思維。靠模具和液壓系統(tǒng)的擠壓成型的技術(shù)，應(yīng)用滾輪沿著仿形模具的邊緣進(jìn)行輥壓，使金屬筒體進(jìn)行塑性變形，確保筒體翻邊一次成型。能夠消除目前消音器筒體利用油壓推動模具對消聲包筒體進(jìn)行翻邊所出現(xiàn)的缺陷。采用滾輪輥壓翻邊使得消聲器筒體翻邊尺寸均勻一致，為后續(xù)的端蓋鎖邊工序提供了保障，零件的一致性得到極大提升，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和氣密性，報(bào)廢率顯著降低，企業(yè)生產(chǎn)成本得到下降，企業(yè)利潤回報(bào)明顯增加[2]。

1 旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)的工作原理

消聲器筒體是薄壁類零件,傳統(tǒng)的液壓翻邊無法控制兩端翻邊的一致性和翻邊的角度，導(dǎo)致后續(xù)端咬成型效果差，難以保證產(chǎn)品的品質(zhì)。然而旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)的工作原理是通過滾輪沿著翻邊模具進(jìn)行滾動，應(yīng)用塑性折邊原理將縱縫咬邊成形的消聲器筒體兩端的邊緣按照生產(chǎn)圖紙的要求翻出合格的尺寸，確保消聲器筒體與進(jìn)氣端蓋、出氣端蓋進(jìn)行咬邊、密封。翻邊后的汽車消聲器筒體兩端翻邊口應(yīng)均勻平齊、翻邊與筒體接近垂直的直角邊，兩端翻邊距離一致，不能出現(xiàn)波浪邊和折疊現(xiàn)象[3-4]。

2 消聲器筒體翻邊工藝及翻邊裝置組成

消聲器筒體翻邊工藝流程過程如圖1所示。首先人工將消聲器筒體放置到旋轉(zhuǎn)翻邊模具內(nèi)，按下啟動開關(guān)按鈕，上伺服1運(yùn)行至工作位置，壓料機(jī)構(gòu)下降；上下模夾爪對消聲器筒體進(jìn)行定位夾持，上、下壓邊滾輪前進(jìn)壓邊，使筒體上、下端口在模具和壓邊滾輪共同作用下被強(qiáng)制折成90度的直角邊，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動下上下轉(zhuǎn)盤同步旋轉(zhuǎn)，筒體上下端口一周都被強(qiáng)制折成90度的直角邊；消聲器筒體上下端口旋轉(zhuǎn)翻邊完畢后，壓邊輪退回，上下模夾爪放開，壓料上升，設(shè)備回到原點(diǎn)狀態(tài)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)+1，人工取出工件，這樣旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)完成了一個工作循環(huán)。等待設(shè)備啟動進(jìn)入下一工作循環(huán)[2]。

圖1 消聲器筒體翻邊工藝流程圖

旋轉(zhuǎn)翻邊裝置機(jī)械部分主要由主體機(jī)架、定位機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和翻邊機(jī)構(gòu)組成。主體采用立式結(jié)構(gòu)，包括：下工作臺1、固接在工作臺1上的連接架、連接架上方能夠豎直移動的上工作臺。上工作臺上設(shè)置有能夠以豎直軸線為軸自轉(zhuǎn)的上轉(zhuǎn)動盤16，上轉(zhuǎn)動盤16同軸設(shè)置有上定位機(jī)構(gòu)，上定位機(jī)構(gòu)下方的軸線位置軸接有通過上油缸驅(qū)動的上曲軸，上曲軸的上端套設(shè)有上壓邊滾輪23，工作臺1上設(shè)置有能夠以豎直軸線為軸自轉(zhuǎn)的下轉(zhuǎn)動盤2，下轉(zhuǎn)動盤2的上方與所述下轉(zhuǎn)動盤2同 軸設(shè)置有下定位機(jī)構(gòu)，下定位機(jī)構(gòu)上方的軸線位置軸接有通過下油缸驅(qū)動的下曲軸，曲軸的上端套設(shè)有下壓邊滾輪5，下支架3的上端設(shè)置有下模盤4，下模盤4上設(shè)置有與消聲器筒體相契合的下通孔，通孔的內(nèi)側(cè)面靠近壓邊滾輪5；使用時，啟動旋轉(zhuǎn)翻邊裝置，將消聲器筒體的下端放在下模盤4的下通孔內(nèi)，控制上工作臺位于連接架上向下滑動，直到消聲器筒體的上端卡合于上通孔內(nèi)，此時，上定位機(jī)構(gòu)和下定位機(jī)構(gòu)分別將消聲器筒體的上下端實(shí)現(xiàn)定位，限制消聲器筒體上下移動。緊接著，通過啟動上、下油缸使得上、下曲軸轉(zhuǎn)動位置，此時所轉(zhuǎn)動位置后筒體緊貼于上模盤19的內(nèi)側(cè)壁，將消聲器筒體的下端沿水平方向向外進(jìn)行擠壓變形，隨后上轉(zhuǎn)動盤16和下轉(zhuǎn)動盤2同時同向轉(zhuǎn)動360°，消聲器筒體的上、下端進(jìn)行擠壓一周，從而完成了整個翻邊工作，翻邊結(jié)束后各組件恢復(fù)至初始位置以便進(jìn)行下一步的翻邊工作。整個設(shè)備動作控制采用PLC+HMI。設(shè)備關(guān)鍵部分帶有安全網(wǎng)保護(hù)。工作區(qū)域帶有光柵防護(hù)設(shè)計(jì)，保證設(shè)備工作時人員安全。帶有生產(chǎn)計(jì)數(shù)功能。消聲器筒體旋轉(zhuǎn)翻邊裝置機(jī)械組成如圖2所示。

1下工作臺； 2下轉(zhuǎn)動盤；3下支架；4下模盤；5下壓邊滾輪；6第二防護(hù)盤；7第二光軸；8第三伺服電機(jī)；9第二減速電機(jī)；10第一伺服電機(jī)；11第二伺服電機(jī)；12第一減速電機(jī)；13滑板；14滑塊；15豎直滑槽 ；16上轉(zhuǎn)動盤；17第一防護(hù)盤 ；18第一光軸 ；19上模盤；20滾珠絲杠；21固定塊；22控制面板 ；23上壓邊滾輪；24安全光柵圖2 消聲器筒體翻邊裝置結(jié)構(gòu)圖

3 氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車消聲器筒體旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)的氣動控制系統(tǒng)主要用來控制上、下翻邊模與消聲器筒體壓合與松開。根據(jù)氣動回路的設(shè)計(jì)要求及原則，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了如圖3所示的旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)氣動回路。氣動回路由氣動三聯(lián)件、雙作用氣缸、電磁閥、單向節(jié)流閥等組成，在氣動回路的總進(jìn)氣口處安裝由過濾器、減壓閥、油霧器等氣源處理元件組成的氣動三聯(lián)件，其作用是降低氣壓滿足設(shè)備儀表的氣壓要求和過濾凈化氣源，確保設(shè)備氣動硬件正?？煽糠€(wěn)定運(yùn)行,設(shè)計(jì)中選用日本SMC公司的AC40-04DG-SV-A型號。為了實(shí)現(xiàn)自動控制，在氣動回路中利用可編程邏輯控制器控制電磁閥中電磁感應(yīng)線圈通、斷電來實(shí)現(xiàn)氣體方向流動。在電磁閥線圈通電時，靜鐵芯產(chǎn)生電磁力，動鐵芯受到了磁力的作用帶動閥芯的運(yùn)動，以達(dá)到控制氣體的流動方向。為了控制氣缸運(yùn)動的速度，需要在氣缸的進(jìn)氣端和排氣端安裝節(jié)流閥，確保翻邊模與消聲器筒體壓合、松開時氣缸活塞桿的速度滿足生產(chǎn)節(jié)拍的需要，氣缸壁也不會受到撞擊，氣缸的使用壽命得以延長[5]。

圖3 氣動控制回路原理圖

本系統(tǒng)的氣動回路選用了三位五通閥，該閥有3個工作位置和5個接氣口，通過控制氣缸活塞桿的運(yùn)動來控制氣路的通斷，以達(dá)到氣體流動方向。本項(xiàng)目控制閥選型列表如表1所示。

表1 控制類閥選型表

氣動元器件采用日本SMC品牌，保證了氣路部件的使用壽命；進(jìn)出氣管道分別采用不同顏色標(biāo)識，方便設(shè)備的維護(hù)及保養(yǎng)。

4 消聲器筒體翻邊裝置的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 電氣控制回路的硬件設(shè)計(jì)

通過對消聲器筒體翻邊裝置的工藝要求和工作過程的分析，確定該設(shè)備所要達(dá)到的控制要求，列表分配I/O的點(diǎn)數(shù)，預(yù)留至少10%的I/O點(diǎn)數(shù)，方便日后的設(shè)備改造和維修保養(yǎng)[6]。為了操作和維修人員的安全，在PLC選型時選用FX3U-48MT三菱PLC，且輸出回路是24 V直流電源進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)的核心PLC是消聲器筒體翻邊裝置大腦，它接收來自設(shè)備的開關(guān)、按鈕、傳感器等輸入信號，通過內(nèi)置程序的運(yùn)算控制直流繼電器線圈、直流電磁閥線圈的通斷電和指示燈等輸出[7]。如圖4是PLC的外部接線圖。

圖4 PLC的外部接線圖

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于消聲器旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)的動作多, 靠人工進(jìn)行上、下件, 因此旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)的各個動作之間的關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)及安全可靠性能就顯得非常重要。因此，在旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用PLC作為設(shè)備的控制大腦。控制程序是旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)的神經(jīng)中樞，它控制著設(shè)備的動作和精度。避免了傳統(tǒng)繼電器控制線路中電氣元件可靠性差引起的損壞機(jī)器設(shè)備的不足，確保了操作者的人身安全。設(shè)備控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)要嚴(yán)謹(jǐn)、周密，滿足實(shí)際生產(chǎn)，同時便于調(diào)試和維修人員的操作，所以程序由手動運(yùn)行和自動運(yùn)行兩個部分組成。是采用手動還是自動運(yùn)行通過選擇開關(guān)來進(jìn)行切換。自動程序是在正常生產(chǎn)情況下使用, 讓設(shè)備自動連續(xù)的運(yùn)行，操作人員只需進(jìn)行上件和卸件即可。手動程序是在設(shè)備調(diào)整和檢修時使用?；貧w原點(diǎn)的程序是讓不在原點(diǎn)狀態(tài)下的機(jī)構(gòu)快速回到原點(diǎn)，便于設(shè)備自動運(yùn)行啟動。在自動運(yùn)行模式，生產(chǎn)人員首先將消聲器筒體安裝到翻邊模具上，再去按啟動按鍵，設(shè)備就處在自動運(yùn)行狀態(tài)[6]。

設(shè)備自動運(yùn)行順序功能圖如圖5所示。首先在觸摸屏上選中需要操作的程序，在觸摸屏啟動液壓站，在觸摸屏上點(diǎn)擊回原點(diǎn)操作，使設(shè)備各系統(tǒng)回到原點(diǎn)，回原點(diǎn)后切換到自動狀態(tài)。將待翻邊的筒體放置在定位裝置上，按照上內(nèi)翻邊模、下內(nèi)翻邊模形狀要求放置好筒體，按下啟動按鈕，在伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動下，帶動滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，上端旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)構(gòu)沿著直線導(dǎo)軌達(dá)到啟動位置，壓料裝置下降，壓住筒體，上外翻邊模、下外翻邊模在上、下氣缸的作用下，分別推動上、下凸輪機(jī)構(gòu)帶動上、下外翻邊模移動閉合。上翻邊模和下翻邊模閉合到位后，上翻邊滾輪和下翻邊輪前進(jìn)緊貼筒體上、下端內(nèi)側(cè)，上端旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)啟動，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)帶動上端旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，將筒體上端伸出模具的板料在上端旋輪的作用下向筒體外側(cè)近似垂直折出；與此同時，下端旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的啟動經(jīng)減速機(jī)構(gòu)帶動下端旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，將筒體上端伸出模具的板料在下端旋輪的作用下向筒體外側(cè)近似垂直折出。上模具與上定位機(jī)構(gòu)之間的距離決定了上部翻邊的高度，下模具與下定位機(jī)構(gòu)之間的距離決定了下部翻邊的高度。在伺服電機(jī)和油缸的驅(qū)動下，完成對筒體兩端板料的旋轉(zhuǎn)翻邊。翻邊完成后，翻邊機(jī)構(gòu)退回原點(diǎn)，油缸收縮曲軸帶動翻邊滾輪退回原位，上翻邊模、下翻邊模分別在氣缸帶動凸軸機(jī)構(gòu)的作用下，脫離筒體，夾持松開，壓料裝置上升。設(shè)備進(jìn)行一次計(jì)數(shù)。翻邊好的筒體在卸料裝置的推動下推出設(shè)備，進(jìn)入下一工序。為了防止手部無意伸入翻邊操作設(shè)備內(nèi)造成傷害，在上下料兩側(cè)邊上均設(shè)置有安全光柵。在筒體旋轉(zhuǎn)翻邊的過程中，若操作者的手伸入裝置之中，光柵就會起到保護(hù)作用。當(dāng)安全光柵檢測到物體的時候會自動停止整個裝置的運(yùn)行[2]。

圖5 順序功能圖

當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時綠色指示燈亮，在非正常的情況下或設(shè)備有故障時，設(shè)備立即停止運(yùn)行，并發(fā)出聲光報(bào)警。操作人員禁止再次啟動設(shè)備，盡快通知維修人員進(jìn)行故障排除，設(shè)備修復(fù)后，通過啟動回原點(diǎn)程序使各機(jī)構(gòu)快速回到原點(diǎn)，回原點(diǎn)后原點(diǎn)指示燈亮[7-8]。在設(shè)備進(jìn)行維修和調(diào)試時，利用手動程序進(jìn)行單步操作。利用PLC進(jìn)行控制，增加了設(shè)備控制的靈活性，在不改變外部硬件電路的情況下，通過修改PLC程序，就能實(shí)現(xiàn)改變控制功能，設(shè)備的柔性控制顯著增強(qiáng)。該旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)已應(yīng)用到生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場，獲得企業(yè)良好的反饋：裝置具有良好的穩(wěn)定性，且達(dá)到了預(yù)定的效果，減少了企業(yè)的成本，提升了產(chǎn)品的合格率。設(shè)備實(shí)物如圖6所示。

圖6 消聲器筒體旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)

5 結(jié)束語

消聲器旋轉(zhuǎn)翻邊機(jī)的成功研制，解決了傳統(tǒng)液壓翻邊成型筒體兩端翻邊長度不一致，翻邊角度不垂直的問題，滿足了企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的需求，解決了消聲器批量生過程中尺寸和泄漏量難以控制的問題，提高了消聲器的制造品質(zhì)，提升了汽車的舒適感。同時提升了產(chǎn)品的品質(zhì)，減少了報(bào)廢，給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，消音措施屬于汽車零部件生產(chǎn)中不可或缺的一部分，本設(shè)備具有廣闊的市場前景以及推廣應(yīng)用價(jià)值。