車門包邊引出焊的設(shè)計研究

□ 莫易敏 □ 王 敏 □ 蔡 曦

武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院 武漢 430070

目前汽車車身焊接主要采用人工焊接方式，具有生產(chǎn)線投資低、設(shè)備維護簡單的優(yōu)勢，但隨著人員流動越來越頻繁，人工成本不斷攀升，質(zhì)量波動和人力成本壓力越來越大，以及人們對汽車制造質(zhì)量要求的不斷提高，人工焊接方式難以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求［1］。機器人焊接取代人工焊接將成為車身焊接的發(fā)展趨勢，但焊接機器人的投入和維護成本較高，技術(shù)要求高［2］，短期內(nèi)無法實現(xiàn)普及，因此需要從企業(yè)實際生產(chǎn)情況出發(fā)，在人工和自動化生產(chǎn)方式之間作出一個滿足較低制造成本和一定自動化程度的精益化平衡。

1 設(shè)計概要

焊點分布特征為某車型中門外包邊補焊點，呈三維空間分布，如圖1所示，5個包邊焊點處平面與拼臺平面所成角度不盡相同，其中3個焊點處所在平面與拼臺成10°左右夾角，另2處分別成5.8°和26.1°，可通過機構(gòu)作角度調(diào)整，將三維空間分布焊點轉(zhuǎn)為平面焊點，有利于實現(xiàn)平面補焊點焊接機構(gòu)的一致通用。

圖1 焊點分布圖

針對某車型車門焊接工藝要求，需在該車門包邊處補焊5次，本設(shè)計需要滿足如下要求：①引出焊機構(gòu)電極帽能夠壓到車門包邊處；②本設(shè)計能在包邊處形成符合焊接要求的焊點；③完成焊接后，動電極能夠離開車門；④完成焊接后豎直提到預(yù)定高度的過程中不會碰到焊頭。

2 設(shè)計流程

設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計流程圖

本設(shè)計主要包括前期調(diào)研、中期機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制方案設(shè)計和后期評估推廣4大部分，具體流程分析如下。

1）調(diào)研，獲取基本資料：了解并分析該車門的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝條件，獲取該車門所需引出焊點數(shù)及能形成標(biāo)準(zhǔn)焊點的必要條件等資料，分析該車門及拼臺相關(guān)件的布局情況以及拼臺所處生產(chǎn)線位置情況。

2）引出式自動焊系統(tǒng)方案設(shè)計：包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制方案設(shè)計，選用合理的通電方式和壓力方式，保證系統(tǒng)所形成的焊點能滿足要求。

3）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計：主要有杠桿及動靜電極結(jié)構(gòu)設(shè)計、UG建模仿真并優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)及通電銅板布局。

4）控制方案設(shè)計：主要有控制元器件選型、控制元器件線路布局以及控制程序設(shè)計，其中氣路布局不能影響到機械結(jié)構(gòu)的連續(xù)動作。

5）調(diào)試評估：裝配引出焊系統(tǒng)，在車門上進行焊接試驗。根據(jù)調(diào)試結(jié)果，修改完善結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)布局，優(yōu)化引出焊系統(tǒng)。完成評估報告，建立標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和規(guī)范。

6）全線推廣：針對不同車型車門，只需修改少數(shù)零件即可適應(yīng)全線焊接要求。

3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足以上4點工藝要求，采用了氣缸推動杠桿結(jié)構(gòu)。其工作原理為車門下落到焊接平面前，氣缸氣閥關(guān)閉，動電極抬起，動電極離車門距離≥20 mm；拼臺放上車門后，氣缸氣閥打開，氣缸推動杠桿結(jié)構(gòu)翹起，電極帽則下降到車門包邊處。

要在車門包邊處形成符合焊接要求的焊點，除需要通過適當(dāng)?shù)碾娏魍猓€需在焊點處施加一定的壓力。本設(shè)計為氣缸推動杠桿結(jié)構(gòu)，選用63標(biāo)準(zhǔn)氣缸，由杠桿原理得知，杠桿比為120∶70時焊點處的焊點力為2 243.3 N，滿足焊接要求，計算方法見表1。

表1 杠桿比為80∶53焊點力計算

平面引出焊結(jié)構(gòu)設(shè)計包括動電極材料選型、電極帽結(jié)構(gòu)選型、電極帽連接板結(jié)構(gòu)、握桿結(jié)構(gòu)、靜電極結(jié)構(gòu)、杠桿結(jié)構(gòu)、絕緣形式及機構(gòu)、耐磨材料及耐磨標(biāo)準(zhǔn)件選型等，并要計算校核焊接補償、最小通電截面積是否滿足車間連續(xù)工作要求，必要的情況下要考慮導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的散熱冷卻。另外，還需避免平面引出焊結(jié)構(gòu)和周圍零部件的干涉。

平面引出焊結(jié)構(gòu)UG三維模型如圖3所示。

工藝要求該車門包邊處有5個焊點，需5個平面引出焊機構(gòu)。但5個包邊焊點處平面與拼臺平面所成角度不盡相同，其中3個焊點處所在平面與拼臺成 10°左右夾角，另2處 分 別 成 5.8°和26.1°。本設(shè)計通過圖3中的底座墊塊調(diào)整來適應(yīng)不同的焊接平面，調(diào)整底座支撐的高度使電極帽降落在不同的焊接平面高度。

圖3 平面引出焊結(jié)構(gòu)三維圖及結(jié)構(gòu)變化處

4 機構(gòu)的電氣控制布局

機構(gòu)采用單次焊接單焊點與單次焊接雙焊點電路連接布置結(jié)構(gòu)，1、2號點為第 1回路，3、4號點為第 2回路，5號點為單獨回路，每組回路用一個電磁閥控制，每組焊點與銅板對應(yīng)相連。其工作原理如下：PLC輸出信號至電磁閥，電磁閥控制1、2號點氣缸關(guān)閉，變壓器延遲壓緊信號后通電，1、2號點氣缸打開，焊接1、2點成功，同理3、4點亦然。5點采用單焊點策略，回路由5點動靜電極直接完成，控制原理同1、2號點控制策略。圖4為控制策略流程圖。

圖4 控制策略流程圖

電氣布局采用緊密分層布置及拼臺支撐，利用絕緣墊片與絕緣套筒隔開相鄰銅板。各焊點通過空冷電纜與銅板總線相連，可在PLC控制下完成自動化焊接工作，整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠，工作效率高。電氣控制布局圖及與機械機構(gòu)裝配圖如圖5所示。

圖5 電氣控制布局圖

圖6為裝配在某車門的焊接平臺上的現(xiàn)場實際UG模擬裝配圖情況,1-5號為設(shè)計的引出焊夾具結(jié)構(gòu)。

圖6 引出焊與某車門焊接平臺UG裝配圖

5 結(jié)論

本文針對某車型汽車車門包邊連接處焊接拼臺，考慮現(xiàn)有焊接線的自身特點，借助AutoCAD平面設(shè)計與UG三維建模仿真，通過氣缸選型、材料選擇、補償設(shè)計多方面因素考慮，采用機械機構(gòu)與控制策略雙向控制來實現(xiàn)焊接自動化輔助機械手補焊外包邊點，設(shè)計出了一種引出焊接結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了機械手焊接與包邊補焊的同時進行，提升焊接效率，降低了后期維護成本。

［1］ 胡繩蓀.焊接自動化技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2007.

［2］ 杜輝.白車身焊裝線技術(shù)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［3］ 殷建國.PLC在汽車焊裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2007.

［4］ 徐灝.機械設(shè)計手冊（1-2版）［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2006.

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