汽車尾氣裝飾管焊接設備的設計

□ 楊勁松

寧波普瑞均勝汽車電子有限公司 浙江寧波 315201

1 設計背景

家用寶馬轎車的尾氣裝飾管如圖1所示,由一個電鍍后的圓形金屬外管和四個均勻分布的條形卡簧組成。生產尾氣裝飾管的汽車零部件公司需要將四個條形卡簧通過點焊的方式和外管裝配在一起,如圖2所示。汽車主機廠依靠這四個條形卡簧的彈力將尾氣裝飾管固定在尾氣系統的尾管上。轎車裝配完成后,可以在尾部看到外露的尾氣裝飾管。

▲圖1 尾氣裝飾管

外管和四個條形卡簧的點焊裝配是產品由汽車零部件公司發往主機廠前的最后一道加工工序[1-3]。對于這道加工工序,多數公司采用傳統點焊機,依靠人工逐個安裝條形卡簧,將工件旋轉三次,腳踏開關四次,共進行四次點焊,進而完成四個條形卡簧的裝配焊接。這一方法生產效率低,并且經常出現漏裝現象,而且員工勞動強度大,用腳踏開關容易造成安全事故。對此,筆者設計了專用的汽車尾氣裝飾管焊接設備。

▲圖2 條形卡簧與外管裝配

2 配置方案

汽車尾氣裝飾管焊接設備采用兩工位回轉工作臺的配置方案[4-6],如圖3所示。兩工位回轉工作臺上有兩個結構相同的夾具,分別安裝于焊接工位及裝卸工位,起到焊接工位和裝卸工位相互獨立、人機交互的作用。與此同時,裝卸和焊接時間重合,可以在縮短節拍時間的同時避免安全問題的發生。

▲圖3 汽車尾氣裝飾管焊接設備配置方案

3 夾具結構

夾具由定位塊、伺服電機驅動的旋轉分度機構[7]、夾具自動上下讓位機構組成,如圖4所示。

▲圖4 夾具結構

定位塊是一個中空的套筒形圓柱體,用于安裝、定位被加工的四個條形卡簧和外管。定位塊上設計了仿形定位槽,用于安裝和定位條形卡簧,方便操作人員安裝,并能防止錯裝。定位塊的仿形定位槽中鑲嵌有強力磁鐵,用于吸附卡簧。同時安裝了用于探測防止漏裝條形卡簧及外管的傳感器,一旦條形卡簧或外管漏裝,則設備不啟動并報警,提示員工重新安裝。夾具的中空結構是為在焊接工位加工時避讓點焊頭下電極而設計的。定位塊的一端和旋轉分度機構裝配在一起。

夾具上設計安裝了由伺服電機驅動,通過兩個錐齒輪傳動的旋轉分度機構。這一機構可以精準完成定位塊軸向的三次分度旋轉,從而實現四個不同條形卡簧在焊接工位的自動加工。

在焊接過程中,點焊機的上電極在氣缸的驅動下上下運動,完成點焊,下電極則固定不動。焊完一個點后,工件旋轉,此時工件必須和下電極脫離。為此,設計了夾具自動上下讓位機構設。設計中,在夾具的四個導柱上增加四個彈簧,使工件隨夾具一起上下移動。借助點焊機上電極向下運動的動力,實現工件與定位塊旋轉時工件中心上升,使工件焊接面和下電極脫離。反之,焊接時工件焊接面和下電極接觸。

4 操作動作循環

操作動作循環過程如下:裝入條形卡簧1～條形卡簧3;按下雙手按鈕,夾具旋轉180°;裝入條形卡簧4;裝入外管;按下雙手按鈕,兩工位回轉工作臺回轉;夾具攜帶被加工工件移動至焊接工位;點焊機上電極下移,開始電焊第四個條形卡簧;點焊機上電極上移,返回原位;夾具攜帶被加工工件旋轉90°,使第二個條形卡簧轉至焊接位置;點焊機上電極下移,開始電焊第二個條形卡簧;夾具攜帶被加工工件旋轉90°,使第一個條形卡簧轉至焊接位置;點焊機上電極下移,開始電焊第一個條形卡簧;夾具攜帶被加工工件旋轉90°,使第三個條形卡簧轉至焊接位置;點焊機上電極下移,開始電焊第三個條形卡簧;夾具攜帶被加工工件移動至原位;兩工位回轉工作臺回轉,加工完成的工件返回裝卸工位,操作人員卸件。至此完成一個循環。

在裝卸工位裝完條形卡簧1～條形卡簧3后,按雙手按鈕使夾具旋轉180°,目的是使安裝第四個條形卡簧時位置轉至頂部,便于操作人員安裝。

工件在加工工位的軸向進給是由氣缸驅動安裝在兩個直線導軌上的夾具實現的。

5 人機動作平衡優化

汽車尾氣裝飾管焊接設備的裝卸工位和焊接工位是相互獨立的,同時又相互制約。當裝卸工位的時間長于焊接工位的節拍時間時,點焊機就要等待。反之,如果裝卸工位的時間短于加工工位的節拍時間,那么操作人員就要等待。可見,需要優化兩個工位的節拍時間,使兩者盡量保持接近的時間,這是設備總體設計考慮的問題。人機作業組合動作平衡優化設計分析如圖5所示。由圖5可以看出,裝卸工位的節拍為15 s,焊接工位的節拍為17 s,兩個工位的節拍基本相近,平衡率達到88%[8]。

6 設備節拍及產能

根據圖5分析結果,汽車尾氣裝飾管焊接設備的生產節拍為17 s,汽車尾氣裝飾管焊接設備的產能為1 h生產211件。

7 控制系統

汽車尾氣裝飾管焊接設備控制系統可以實現循環、跳轉、判斷、中斷等復雜的流程控制,還可以進行遠程數據傳輸,通過互聯網瀏覽功能監測生產信息,實現設備管理和企業管理的集成?？刂葡到y有自動和半自動兩種功能,采用半自動功能,可以對各個工位、各個部件獨立進行操作。

▲圖5 人機作業組合動作平衡優化設計分析

控制系統設置了自動停機更換電極頭的程序,每工作1 500個焊點設備自動停止,提示操作員更換或維護電極頭,避免因電極頭磨損造成焊接質量缺陷未能及時發現的問題[9-10]。

8 結束語

經過實際生產驗證,汽車尾氣裝飾管焊接設備基本杜絕了漏裝和錯裝的質量問題,產能從原有的1 h生產60 件提高至1 h生產211件,同時滿足了安全生產的要求。