發動機出水管生產焊接設備自動化改造淺談

曾科　周舟

【摘 要】本文通過對傳統汽車發動機出水管的生產工藝和生產環節進行研究，結合焊裝生產線基礎設計原則進行優化改造，將其從純手工進行改進為半自動化過程，以提高生產效率和產品合格率。

【關鍵詞】發動機出水管；自動化改造；柔性夾具

0 引言

近年來，隨著國民經濟的高速增長和人員工資的提高，高自動化、高柔性已經成為了汽車制造產業的發展方向[1]。作為汽車發動機散熱循環系統的重要一環，汽車發動機出水管的生產制造工藝也必須向自動化方向加以改造，使生產企業達到降低成本和提高生產效率，以適應我國現階段的市場競爭需求。

本文通過對傳統汽車發動機出水管的生產工藝和各個生產環節進行研究，結合焊裝生產線基礎設計原則進行優化改造，以提高生產效率和產品合格率。

1 傳統生產情況

發動機出水管的焊接是在母管組件上根據產品型號同時對4～6個彎管接頭組件進行環形焊接。傳統生產線基本依賴人工操作，首先是主管上料和夾持過程，將主管放入夾具中夾持好，要求其和支管連接部位向內放置，并且連接部位正對焊槍。接下來支管上料和夾持，將每一個支管分別放入主管上的孔中，調整好支管方向以使其向內，然后使用夾具分別夾緊固定。接下來焊接過程，開啟焊機，其根據固定設置程序焊接完成。最后取下焊件過程，也由人工操作，先將支管和主管夾具分別松開，然后將焊好器件取出放置，再重復下一個焊件的上料和夾持過程，這就是一個傳統的汽車發動機出水管焊裝生產線的生產過程。

很明顯，傳統汽車發動機出水管焊裝生產線存在生產效率低下、生產安全的問題：

首先，每一個人只能對應一臺生產設備，效率極其低下，兼且在上料夾持和松開夾具、取下焊件過程中，占有整個制造過程絕大部分時間，在這段時間內焊接機器人實際處于空閑狀態，而在焊接機器人焊接過程中，工人也處于空閑狀態，這造成了對設備和人力的極大浪費。

其次，焊接常常伴隨有刺眼閃光、大強度輻射和有毒煙霧，對工人身體健康傷害很大，即使戴著護眼設備，也不能長時間工作。焊接器件在焊接完成后溫度很高，但傳統焊接生產線需要人工松開夾具、取下焊件，極易對人造成嚴重的燙傷。

2 改造方案

現根據汽車發動機出水管焊接工藝特點設計一套自動上下料系統，實現出水管焊接的自動上下料、彎曲支管接頭的自動松開和夾緊。工人只需在焊接前裝卡好主管和彎曲支管接頭，焊接后直接取出焊好的工件。系統實現后一個工人可同時操作兩臺或三臺焊接設備，提高生產率。改造后系統主要分為柔性夾具裝置、夾具運送平臺、控制系統三部分。

2.1 柔性夾具裝置[2]

柔性夾具裝置是針對汽車出水管多點、多方向的機器人焊接進行定位和固定的裝置，主體由方槽鋁型材設計，導軌托著滑塊以螺釘固定在上面。而滑塊則作為汽車出水管工件的載體在氣動推桿的作用下進行預定行程的動作。

柔性夾具由兩層機械構件組成；底層為汽車出水管主管道的固定部件，它由一邊固定點和一邊活動點構成，活動點的控制由可控制的氣動推桿實現。頂層為出水管各方向輸水通道的定位和固定，它由氣動手指機構進行緊固，在水平軌道上左右移動可實現水平方向不同工位的水管輸出通道定位，方便機器人的焊接。

柔性夾具裝置上下層的活動部件均由在橫向和縱向水平鋪設成的導軌實現橫向和縱向方向上的任意點工位的固定。

柔性夾具柔性的機械結構示意圖如圖1所示：

2.2 夾具運送平臺

夾具運送平臺就是針對汽車出水管零配件焊接夾具裝置而設計的，采用了擴展性強的鋁型材作為結構框架，可以對平臺進行擴展，使得焊機夾具運送平臺數量與焊接時間、裝配時間三者得到很好配合，提高人工與機器的效率；并且該平臺有很好的兼容性，移動方便，可以適用于不同大小、高低的工作臺；通過多個氣動桿，對模具平臺進行縱向、橫向移動，做到了焊接的進出料自動化，雙方的等待時間都得到了利用，效率就得到了大大的提高。

夾具運送平臺可根據不同焊臺高度、寬度進行擴展，采用了擴展性強的材料，進行結構搭建，目前搭建的是單工位結構，可以對單工位或者多工位操作平臺進行擴展，使得人工效率和焊接效率達到最優效果，也可以滿足不同規格大小、角度的要求的出水管焊接工作臺。也可以根據需求改變相應位置，例如裝配區與過渡區調換，也可以等待區與過渡區調換，可以有多種形式，多個等待區，多個裝配區，組成了一個柔性的出水管焊接操作平臺。夾具運送平臺結構圖如圖2、3所示。

夾具運送平臺分為裝配區、等待區、過渡區和焊接區；裝配區是用于工人對出水管零配件組裝固定的位置；焊接區域就是用在出水管焊接的區域；等待區是裝配好的出水管在此區域等待上一個出水管焊接的完成；過渡區是焊接好的出水管將裝配好的出水管推到此位置，然后再將裝配好的出水管送至焊接區的位置。例如工人在裝配區進行出水管B零配件裝配工作，而此時焊接區域正在對出水管A進行焊接，裝配固定好的出水管B用氣動推桿通過軌道滑到等待區，等待焊接區出水管A出來，然后出水管A將出水管B推送到過渡區，而出水管A停留在等待區，再將出水管A用氣動推桿送到裝配區進行卸貨裝配，而過渡區的出水管B則通過直線模組送到焊接區進行焊接，裝配區繼續進行出水管C的裝配工作。

2.3 控制系統[3]

控制系統作為整個自動化系統的頭腦，其主要分為PLC部分、輸入傳感器部分和執行機構部分。其結構圖如圖4：

PLC部分采用西門子s7-200PLC CPU模塊作為控制核心，配以I/O模塊，實現夾具平臺各個位置的傳感器信號和直線模組的編碼器信號的采集和處理；PLC程序根據采集到的傳感器數據控制氣閥組的動作輸出和直線模組的步進電機控制信號輸出，以及焊機的運行控制。輸入傳感器部分主要由起定位作用的霍爾開關、保護作用的限位開關和直線模組行程檢測的編碼器組成。執行機構部分主要有開關氣閥組、氣缸直線模組和6管圓弧焊機，動作狀態由PLC控制。

3 結語

與傳統發動機出水管生產相比，自動化改造后裝配工作和6管焊機同時焊接極大的提高了發動機出水管的生產效率，工人遠離焊接過程產生的輻射和有毒氣體，并且根據汽車發動機出水管特點設計的焊裝夾具和針對不同焊接過程輸出不同的合適電壓電流對于汽車發動機出水管合格率有著相當大的提高。

【參考文獻】

[1]王德平.淺談我國先進汽車制造技術的特點及發展趨勢[J].科技資訊，2009，17：8+10.

[2]廖志環.白車身試制柔性焊裝線及夾具設計研究[D].湖南大學，2010.

[3]王金濤.基于PLC控制的環形焊縫自動焊接系統[D].山東大學，2013.

[責任編輯：楊玉潔]