汽車白車身門洞滾邊工藝研發(fā)與設(shè)計(jì)

陳賢明

摘 要：針對(duì)汽車白車身門洞滾邊的設(shè)計(jì)目的、工藝方案選擇、主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理等進(jìn)行了分析探討，旨在進(jìn)一步縮短工廠調(diào)試時(shí)間，降低運(yùn)營(yíng)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)快速適應(yīng)不同形狀零件的生產(chǎn)方式，該研究對(duì)實(shí)際汽車生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：汽車白車身；門洞滾邊；成對(duì)滾邊輪；自由浮動(dòng)；滾邊壓力；視覺

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)汽車制造中，主線側(cè)圍內(nèi)板與外板之間的連接方式均為點(diǎn)焊、鉚接等，從而造成前風(fēng)窗玻璃左右A柱的盲區(qū)太大，轉(zhuǎn)彎時(shí)影響視野。為了解決此問題，一種滾邊連接形式可以盡可能減小前風(fēng)窗玻璃左右A柱的面積，以提高更寬的視野，因此在汽車生產(chǎn)自動(dòng)化行業(yè)中對(duì)新型滾邊技術(shù)需求越來(lái)越強(qiáng)烈。相對(duì)傳統(tǒng)的連接方式優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

本研究對(duì)象針對(duì)的是國(guó)內(nèi)某汽車廠對(duì)門洞滾邊的柔性自動(dòng)化島的需求，主要針對(duì)門洞滾邊工藝、設(shè)計(jì)方面來(lái)進(jìn)行闡述、分析和解決問題。

汽車白車身門洞滾邊工藝

門洞是白車身焊裝中最重要的組成部分，它主要是前后門安裝區(qū)域，由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙與前后地板焊合、涂膠、側(cè)圍內(nèi)外板滾邊等組成。側(cè)圍內(nèi)外板滾邊是整個(gè)主線中的關(guān)鍵技術(shù)，滾邊的質(zhì)量直接影響到車身的裝配精度和外觀質(zhì)量。

傳統(tǒng)的滾邊工作站在結(jié)構(gòu)上，由胎模夾具和機(jī)器人兩大部分組成，針對(duì)國(guó)內(nèi)某汽車廠的要求及門洞區(qū)域的特殊性，取消胎模，僅只由機(jī)器人來(lái)完成滾邊。

1.門洞滾邊系統(tǒng)組成

門洞滾邊是按一定軌跡通過支撐端的圓滾輪與末端的圓滾輪在壓力的作用下，使鈑金彎曲成形的一種制造方式，其形式如圖1所示。系統(tǒng)主要由滾邊頭、機(jī)器人與視覺系統(tǒng)、機(jī)器人與控制系統(tǒng)組成（見圖2）。

2.門洞滾邊工藝分析

根據(jù)側(cè)圍外板分析，最大的開發(fā)蘭角度在95°（見圖3），采用3道滾邊工序來(lái)完成整個(gè)滾邊（見圖4），第一道滾邊95°到60°，第二道60°到30°，最后一道30°到0°。根據(jù)滾邊的節(jié)拍要求，在滾邊過程中采用如圖5所示的滾邊軌跡。

3.側(cè)圍外板鈑金材料及力學(xué)分析

1）根據(jù)對(duì)側(cè)圍外鈑金材料分析，材料特性見表2。

2）自由彎曲力計(jì)算公式

F自=mKBt2δb/（r+t）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中 F自——自由彎曲在沖壓行程結(jié)束時(shí)的彎曲力，

單位為N；

t——彎曲材料厚度，單位為mm；

B——彎曲件寬度，單位為mm；

r——彎曲件的內(nèi)彎曲半徑，單位為mm；

δb ——材料的抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度，單位為MPa；

K——安全系數(shù)（一般取K=1.3）；

m——彎曲方式系數(shù)（V形m=0.6，U形m=0.7）。

已知側(cè)圍外板滾邊料厚1.1mm，彎曲件的內(nèi)彎曲半徑1.6mm，彎曲件的寬度7mm，彎曲方式為U形（見圖6），屈服強(qiáng)度δb為130MPa，拉伸強(qiáng)度δt為200MPa。帶入式1可得預(yù)滾邊材料彎曲力F預(yù)自=371N，終滾邊材料彎曲力F終自=571N。

3）校正彎曲是在自由彎曲階段后，進(jìn)一步使貼合彎曲件進(jìn)行擠壓，其校正力比自由壓彎力大得多。由于這兩個(gè)力先后作用，校正彎曲時(shí)只需計(jì)算校正彎曲力。

校正彎曲力公式：

F校=AP? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中 F?！Ｕ龔澢鷷r(shí)的彎曲力，單位為N；

A——校正部分垂直投影面積，單位為mm?；

P——單位面積上的校正力，單位為MPa，

見表3。

4）頂件力或壓料力計(jì)算：

F預(yù)Q=（0.3～0.8）F預(yù)自=0.8×371=297N

F終Q=（0.3～0.8）F終自=0.8×571=457N

5）公稱壓力的確定，有壓料的自由彎曲力：

F預(yù)公稱壓力=（F預(yù)自+ F預(yù)Q）/0.75=668N

F終公稱壓力=（F終自+ F終Q）/0.75=1371N

根據(jù)上面計(jì)算公式可以得出在滾邊過程中產(chǎn)生的壓力值，其中預(yù)公稱壓力為第一、二道滾邊時(shí)產(chǎn)生的壓力值，終公稱壓力為最后一道滾邊產(chǎn)生的壓力值。依據(jù)此數(shù)據(jù)縮短調(diào)試周期，可設(shè)置應(yīng)變式傳感器適用范圍，防止?jié)L邊過程中因力的波動(dòng)對(duì)滾邊質(zhì)量產(chǎn)生影響。

4.視覺方案

車身需要落位底部定位工裝上，側(cè)圍外板由抓手安裝到車身側(cè)圍內(nèi)板上，由預(yù)搭扣進(jìn)行固定。綜上所述，車身會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，這樣就需要視覺介入，視覺滾邊流程如圖7所示。

視覺對(duì)門洞測(cè)量方案如圖8、圖9所示：

1）視覺對(duì)門洞進(jìn)行測(cè)量，利用3-2-1原理建系確定初始坐標(biāo)位置。

2）測(cè)量側(cè)圍外板基準(zhǔn)孔為X1/Z1、X2/Z2，測(cè)量側(cè)圍內(nèi)板棱線為Y1、Y2、Y3。

3）通過對(duì)側(cè)圍的整體測(cè)量定位同時(shí)為前門洞及后門洞區(qū)域提供坐標(biāo)系的修正值。

4）X1和X2取均值計(jì)算X向自由度的偏差。

5）Z1和Z2取均值計(jì)算Z向自由度的偏差。

6）X1、X2、Z1和Z2平面建系計(jì)算Ry自由度的偏差。

7）Y1、Y2和Y3取均值計(jì)算Y向自由度的偏差。

汽車白車身門洞滾邊頭主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

1.門洞滾邊頭結(jié)構(gòu)與功能

門洞滾邊頭滾輪布局如圖10所示，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

滾邊頭功能標(biāo)識(shí)如圖12所示，其功能如下：

1）a平衡氣缸主要用于平衡前端滾邊頭模組的狀態(tài)（對(duì)于不同姿態(tài)下的滾邊，需分段對(duì)比例閥設(shè)定定值）。

2）b零位/隨行氣缸主要用于對(duì)自由狀態(tài)下的前端模組進(jìn)行零位平衡，對(duì)鈑件波動(dòng)進(jìn)行尺寸補(bǔ)償。

3）c倍力氣缸解決不同板厚問題（通過比例閥調(diào)節(jié)改變壓力值）。

4）當(dāng)零件波動(dòng)超出額定設(shè)置范圍時(shí)，1&2傳感器（超行程傳感器）會(huì)得信號(hào)反饋PLC報(bào)警，人為介入檢查。

5）自然狀態(tài)下平衡氣缸和7零位/隨行氣缸的正常工作時(shí)，3 傳感器（檢測(cè)自然狀態(tài)下平衡氣缸和零位/隨行氣缸的狀態(tài)）有信號(hào)。

2.門洞滾邊頭工作原理

（1）滾邊頭原理（見圖13）? 主要表現(xiàn)在如下5方面：

1）力平衡模塊主要由2個(gè)平衡力氣缸和2個(gè)單作用氣缸（零位）組成。

2）滾邊工作經(jīng)過浮動(dòng)框架與力平衡氣缸的輸出軸連接。

3）2個(gè)比例閥分別控制平衡力氣缸的2個(gè)腔體的氣體壓力。

4）1個(gè)比例閥控制2個(gè)單作力氣缸缸體內(nèi)的氣體壓力。

5）3個(gè)傳感器分別控制零位和2個(gè)超行程（起報(bào)警作用）。

（2）力平衡原理? 當(dāng)工具處于非平衡姿態(tài)時(shí)，可通過調(diào)節(jié)比例閥1/比例閥2，控制平衡氣缸的輸出拉力和方向，平衡工具在該姿態(tài)下的重力分量，在調(diào)試過程中，可通過刻度線來(lái)判斷是否產(chǎn)生重力分量，也可判斷鈑金是否產(chǎn)生變形。如圖14所示。

（3）浮動(dòng)力控制原理? 在調(diào)試過程中，以及在機(jī)器人較高速度回轉(zhuǎn)時(shí)，往往需要將滾邊工具鎖定在浮動(dòng)的中間位置，即“零位”，用于標(biāo)定軌跡，防止工具在慣性力下發(fā)生滑動(dòng)。

此時(shí)可控制比例閥3給出較大的壓力，使得1個(gè)單作用氣缸的軸充分伸出，與浮動(dòng)框架兩邊同時(shí)接觸，自動(dòng)鎖定工具在中間位置。

在平衡力氣缸完成力平衡的情況下，可以通過設(shè)置比例閥3的壓力，方便的調(diào)節(jié)浮動(dòng)力，一般工作情況下，該作用力保持較小值。

注意，根據(jù)浮動(dòng)力偏離零位的方向不同，只有一個(gè)浮動(dòng)力氣缸與工具發(fā)生作用，如圖15所示。

（4）零位及超行程工作原理? 當(dāng)力平衡氣缸處于平衡狀態(tài)下或滾邊時(shí)，滾邊實(shí)際軌跡與理論軌跡相符時(shí)，刻度線保持在零位（及中間值），零位傳感器有信號(hào)。

當(dāng)力平衡氣缸處于非平衡狀態(tài)下或?qū)嶋H滾邊軌跡與理論軌跡有偏差（<10mm）時(shí)，刻度線在左右兩邊（中間值的左右兩側(cè)）。

當(dāng)力平衡氣缸處于非平衡狀態(tài)下或滾邊實(shí)際軌跡與理論軌跡有偏差（≥10mm）時(shí)，刻度線處在左右兩頂端（中間值的左右頂側(cè)），超行程傳感器報(bào)警，如圖16所示。

滾邊工作流程如圖17所示。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過對(duì)汽車白車身門洞滾邊工藝方案、視覺方案和工作原理進(jìn)行闡述，針對(duì)在滾邊過程中鈑金波動(dòng)、滾邊壓力值設(shè)定、滾邊初始狀態(tài)及側(cè)圍內(nèi)外鈑金定位偏差等問題，設(shè)計(jì)出門洞滾邊頭的最佳方案，并得出門洞滾邊頭設(shè)計(jì)的工作原理。為門洞滾邊的設(shè)計(jì)與制造提供了理論基礎(chǔ)和模型范例，有利于該設(shè)備的設(shè)計(jì)制造。