集汽車保險杠打孔和焊接于一體自動化設備研究

吳開軍

摘 要：隨著現代汽車工業的迅速發展，汽車越來越多的金屬構件被工程塑料結構所取代，各類塑料焊接方式在汽車工業得到更廣泛的使用。其中，超聲波焊接由于具有諸多雨點，成為最主要的聯接方法之一。本文選取超聲波塑料焊接技術，遵循機電一體化設計思想，把機械與電子裝置相關軟件及硬件設備結合起來，研發一套新型的焊接設備，將其用于轎車前后保險桿焊接中，大大提升產品質量和勞動生產率。

關鍵詞：汽車保險杠；自動化設備；打孔；焊接

隨著大眾生活水平的提升，對轎車提出更高的要求，例如：用戶要求設置寬敞的乘坐空間、配置舒適座椅、較低噪聲等。通過塑料材質制作汽車零部件，不僅可以達到美學與實用之間的完美結合，也并不影響產品制作成本。現階段，現代汽車上配置的部分零部件制造已經被塑料材料取代，能夠達到良好的減重效果，這對有效節約資源、降低溫室氣體排放發揮著重要的作用。在汽車領域各種塑料焊接方式中，熱板焊、超聲波焊及電阻焊是最廣泛的焊接方式。其中，超聲波焊主要用在小型零部件批量身長，是一種具有較大潛力的塑料焊接方式。塑料超聲焊接就是運用超聲波激發塑料件接觸面即塑料分子之間的高頻機械振動摩擦產生熱量，促使不同塑料件結合面之間能夠快速熔化，且在并無壓力的條件下迅速融合起來的連接方式。為提升焊接產品質量，設計一套轎車前、后保險杠超聲波焊接設備，促使生產產品的成本即勞動力降低。

1.超聲波焊接方案設計

1.1超聲波焊接機理

超聲波振動頻率控制在20-20000赫茲的機械波，可以通過耳鼓膜振動促使人聽到聲音，稱作聲波[1]。如果其頻率超過20000赫茲稱作超聲波，比20赫茲低稱為次聲波。超聲波焊接原理就是運用超聲波在反射面形成駐波，而反射面處在波幅處，如此一來，反射面的物質會出現劇烈振動，從而達到焊接的效果。在超聲波焊接操作中，接頭位置的能量轉換就是因超聲波機械能轉變為促使塑料融合的熱能，其能量變化會在一定程度上影響結合面溫度改變情況，進而影響接頭位置的質量[2]-[3]。

1.2保險杠定位與夾緊

保險杠主要安裝在汽車前端與后端，在汽車造型風格中發揮著重要的作用，它可以詮釋車輛外裝飾風格。加之，汽車保險杠也是其重要的安全防護裝置之一，也成為現代汽車結構主要組成部分，有利于減少汽車損壞及人員傷亡程度。汽車各種設備中，前、后保險杠應該設置固定的位置，保險杠外形如圖1（a）所示。根據保險桿結構特點可知，通過外形定位具有簡單、可靠地優點，定位底模見圖1（b），最外層為硬質鋁合金底座，與保險杠接觸點為汽巴嘉基聚氨酯。處在液態條件下，將其澆入鋁合金底座，依照保險杠樣件實施外形凝固，如圖1（b）所示。基于此，在運用脫模劑，將保險杠樣件和汽巴分開，如此做成相應的底膜，并與保險杠全部貼合，放入、取出均比較方便，確保不會劃傷工件表面。前、后保險杠底膜并排設置在一塊長度、寬度分別為170mm、1000mm平板上，以此形成傳動裝置重要組成部分。同時，利用手動快卡，在各位置執行夾緊保險杠。

1.3設計合理地傳動裝置

為順利實現焊接自動化，傳動裝置必須可以在4個工位直線上往復運動，并于1工位順利實現前保面罩和耳朵板、后保面罩與耳朵板各焊接點之間的焊接。在其他工位順利實現前保面罩和內襯或者包面罩與內襯12焊點之間的焊接。因前后保險杠焊接處部分點完全重合，結構層面利用一套焊接單元，在焊接前保時，確保前保底模處在焊接位置，如圖2所示。進行后保焊接時，將下圖平板旋轉180o，確保后保處在焊接位置，順利完成一臺設備焊接兩種保險杠這一目標。

2.設計合理地傳動裝置結構

2.1旋轉運動操作

傳動裝置結構中，前、后保處在焊接位置，方可對其進行焊接操作，并依托1-4工位完成。因此，承載底膜平板必須可以執行下列操作：（1）繞著O點執行180o旋轉運動；（2）1-4工位開展直線運動。其中，旋轉運動時利用Festo擺動氣缸來完成，如果擺動氣缸經過180o旋轉，借助同步齒形帶輪傳送至 80的軸，并與底膜平板螺連接?；诖耍瑢?80o旋轉運動傳送給底膜平板，通過空心軸，則是根據軸心走線，并通過同步齒形帶，獲得準確、可靠地傳動角度。Festo作為德國一家氣動元件生產公司，其所生產的產品具有質量好、可靠性高等優點[4]。本設備運用的擺動氣缸，其內部結構屬于齒輪齒條形，跟齒輪齒條直線運動以此形成輸出軸180o左右搖擺。底膜平板經過旋轉操作后，定位則根據氣缸完成，底模平板設計兩個導套a/b，配置銷子的氣缸設置在小車平板上。如果對前保進行焊接時，銷子

會被插入b孔；而實施后保焊接時，銷子插入到a孔，促使底模與小車平板組成一體。實施旋轉操作時，底模及銷子平板間會出現相對運動，若兩個平面之間直接接觸，會產生較大的摩擦力，以此產生較大的阻扭矩。這種情況下，必然選取大額定扭矩擺動氣缸，這種做法不經濟，也缺少充足的空間對擺動氣缸進行固定處理。為有效減少摩擦力，本設備選取6只滾輪，固定在小車平板之上，底模平板和小車平板間設置5mm間隙。

2.2直線運動操作

直線運動需要通過固定在小車平板上的伺服電機順利實現，以電機轉動帶動輸出軸上的齒輪轉動，依托固定在支架上的齒條，促使小車平板相對于支架執行直線反復運動。其中，小車平板上的直線反復運動劃分4個不同工位，1工位和2工位的距離是45mm，2、3工位兩者距離控制為35mm，而3與4工位之間的距離設定為7mm，完全通過PLC有效控制不同工位之間的距離。而通過設置合理地伺服系統，不僅可以保障定位準確，也能確保定位操作后不會發生移動。在支架上設置導軌，對小車平板上設計固定滑塊，小車平板對支架開展直線往復運動操作。事實上，就是滑塊相對于導軌開展直線往復運動。本研究所選取的導軌、滑塊均是德國Star公司所生產的產品，這些產品質量優良，確保導軌和滑塊兩者間的間隙可調整，輕松完成傳遞操作。為有效預防程序出現“跑飛”的情況，在電路內運用硬件看門狗、軟件陷阱這個雙重的保護對策，提升控制操作可靠性[5]。硬件方面則使用光電隔離、浮空供電等技術，有效提升系統抵抗干擾性能。通過一段時間的研究，本系統各功能處于正常運行狀態，控制操作非常合理，滿足智能通風的要求，對提升天線系統指標發揮不可替代的作用。

結論：

綜上所述，塑料材質比較輕，且具有優良的成型加工性能，在過去的幾十年之中，大量得以取代傳統材料，并廣泛用在汽車領域。這臺設備研制成功，能有效填補轎車保險杠超聲波焊接方面的空白之處，為如何盡可能降低汽車制造成本探索新的發展思路。同時，對轎車生產國際化發揮著良好的示范作用。本文以超聲波焊接為研究視角，探析轎車前后保險杠焊接設備傳動裝置設計情況，以期為類似研究提供重要參考。

參考文獻：

[1]黃慧喜.汽車塑料保險杠噴涂工藝流程[J].汽車維修，2017，（2）：20-21.

[2]朱永平，鄔坤.汽車保險杠激光打孔機的研制[J].湖北工業大學學報，2015，30（2）：24-27.

[3]崔慶林，周兵，楊德斌等.工業機器人在汽車保險杠二次加工中的應用[J].現代制造技術與裝備，2013，（6）：39-40.

[4]肖志，李素雯，孔春玉等.拼焊板保險杠橫梁耐撞性的離散優化設計[J].汽車安全與節能學報，2015，6（2）：150-155.

[5]曾文瑜.汽車保險杠冷熱流道結合注塑成型工藝CAE優化分析[J].塑料工業，2016，44（3）：83-88.