超聲波沖孔一體化技術研發與應用

孟健 潘凱楠 馮羽聰 王妍婕 賴先勤

摘要：為了提高汽車保險杠超聲波沖孔工藝自動化程度、提高人員效率、降低生產成本，對超聲波沖孔工藝進行智能化升級改造。通過對超聲波沖孔凹模結構創新設計，引入視覺檢測系統、一元化追溯系統，取消了傳統底涂劑人工涂布及品質檢查工作，實現了品質及生產信息錄入與追溯功能，完成了保險杠超聲波沖孔及涂布工藝一體化作業，為智能制造與數字化轉型打下堅實基礎。

關鍵詞：超聲波沖孔 自動涂布 視覺檢測 追溯系統 智能制造

中圖分類號：TU753.3? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220091

Abstract： In order to improve the automation of the ultrasonic punching process of automobile bumpers， improve personnel efficiency and reduce production costs， the ultrasonic punching process has been upgraded intelligently. Through the innovative design of the ultrasonic punching concave die structure， a visual inspection system and a unified traceability system have been introduced， and the manual coating and quality inspection of traditional primers have been canceled， and the functions of input and traceability of quality and production information have been completed. The integrated operation of bumper ultrasonic punching and coating process has been realized， laying a solid foundation for intelligent manufacturing and digital transformation.

Key words： Ultrasonic punching， Automatic coating， Visual inspection， Traceability system， Intelligent manufacturing

作者簡介：孟健（1992—），男，碩士學位，研究方向為高分子材料加工及其自動化。

參考文獻引用格式：

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1 前言

隨著汽車工業的高速發展，更多客戶追求魅力外觀的同時，對汽車安全性能也提出了更高要求。汽車保險杠具有裝飾車輛、安全保護以及改善車輛空氣動力學特性的作用。外觀上，汽車保險杠具有外觀裝飾性，成為裝飾轎車外型的重要部件。安全上，汽車發生低速碰撞事故時保險杠能起到緩沖作用，對行人可以起到一定的保護作用[1-3]。

汽車保險杠作為重要的安全裝置，其上安裝雷達等安全裝置，汽車雷達可以提高車輛及行人的安全性。保險杠安裝雷達前，需對保險杠進行沖孔和粘貼雷達支架[4-6]。目前多數保險杠均是采用高分子塑料，通過注射成型工藝得到，借助超聲波沖孔工藝對保險杠進行高精準沖孔[7-9]。為了讓雷達支架能夠粘貼得更加牢固，需要在粘貼雷達支架部位涂一層底涂劑，底涂劑可以進一步增強雷達支架上面強力雙面膠的粘性，而底涂劑的涂布均是通過人工進行涂布，自動化程度較低。此外，由于底涂劑屬于危險化學品，含有揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs），由于人工進行涂布，長期接觸底涂劑存在職業健康安全隱患。

通過自主創新，研發出超聲波沖孔涂布一體式裝置，該設備可實現自動化沖孔及底涂劑涂布，并借助視覺檢測系統對保險杠底涂劑的涂刷品質進行實時檢測，確保底涂劑的涂刷品質，從而保證雷達支架與保險杠間的粘合力，建立全工藝流程信息一元化追溯系統，實現品質及生產信息錄入與追溯功能，對其進行及時的運行維護，能有效確保生產過程中的管理為智能制造與數字化轉型打下基礎。

2 現狀

為了讓雷達支架粘貼牢固，需要通過人工在保險杠上面涂一層底涂劑，底涂劑可以進一步增強雷達支架雙面膠粘性。底涂劑是屬于危險化學品，員工長期接觸，存在一定的職業健康安全隱患。如圖1所示為超聲波沖孔粘支架的工藝流程，由員工從臺車上取下保險杠，將保險杠置于工作臺上，用指定的3M底涂劑涂刷在保險杠需要粘雷達支架的表面，再由員工將保險杠置于自動化沖孔機夾具上進行沖孔及粘貼支架。

該工藝流程存在以下5個方面不足。

a.職業健康影響。底涂劑屬于危險化學品，具有揮發性強、氣味刺激的特點，人工進行涂布會與VOCs近距離接觸，影響員工健康。

b.自動化程度低。底涂劑的涂布是通過員工手工進行涂布，沒有輔助設備代替人工進行涂布，自動化程度不高。

c.生產效率低。員工需要先從臺車上取件，將保險杠置于工作臺上，再使用刷子進行底涂劑的涂布，最后再將保險杠放置于沖孔夾具上進行沖孔，人工操作步驟繁瑣，影響生產節拍。

d.潛在不良流出風險。由于底涂劑的涂布以及底涂劑的涂布品質均是通過人工來進行確認，存在漏涂、少涂不良風險，導致不良品流向下工序或市場的隱患。

e.人力成本高。該工序需要配備相應人員在保險杠零件沖孔前，需要通過人工在保險杠雷達安裝支架對應位置涂布一層底涂劑，既耗時又增加人力成本。

3 自動化思路

汽車企業推進數字化轉型是實現智能制造的基礎和必要條件。數字化和自動化是企業實現智能制造的兩大支柱，實現智能制造，柔性化生產是關鍵的一環，需要依賴數字化系統支撐[10-11]。研究思路如圖2所示，本課題需要通過對超聲波沖孔凹模底座進行改造，研發出一種底涂劑智能涂布板塊的沖孔凹模底座，可實現保險杠超聲波沖孔涂布粘支架自動一體化作業。并借助視覺檢測系統對保險杠底涂劑的涂刷品質進行實時檢測，確保底涂劑的涂刷品質，從而保證雷達支架與保險杠間的粘合力。最后，建立全工藝流程信息一元化追溯系統，實現產品品質及生產信息的錄入與追溯功能。

4 自動化設計方案

4.1 底涂劑自動涂布凹模裝置

通過對保險杠超聲波沖孔設備進行改造，設計了一款帶涂布板塊的沖孔底座，可以實現保險杠底涂劑涂布、沖孔、粘貼支架自動一體化作業。如圖3所示，此沖孔底座不僅擁有沖孔的基本功能，還同時具備底涂劑自動涂布的功能。其工作原理如圖4所示。通過在底座上設置涂布組件，涂布組件上設有用于與底座配合完成沖孔的落料孔，落料孔兩側設有容納底涂劑的容置腔，容置腔的頂部設有若干溢膠孔。由此，在沖孔過程中，產品在超聲波作用下，受力向下運動，產品與溢膠孔接觸，容置腔內的底涂劑從自溢膠孔排出與產品底面接觸，從而在沖孔同時完成產品底部底涂劑的自動涂布。

詳細構造式如圖5所示，一體化沖孔底座包括底板、落料孔，且位于底板的兩側均開設有開口朝上的腔室第一容納腔和第二容納腔頂部均設有涂布板塊，溢膠孔開設于涂布板塊上，可以拆卸安裝在底座上，由此便于對日常維護拆裝。各涂布板塊的外表面均包裹有吸附布，吸附布能夠吸取底涂劑，吸附布為超纖維物料布，吸附布用于吸收腔室內的底涂劑，便于底涂劑在沖孔時能夠充分涂覆在加工零件底面，便于將底涂劑均勻涂覆在加工零件底面。

一體化沖孔底座裝置還包括用于承裝底涂劑的容器、泵送組件、連接管路及快換接頭，快換接頭設置在兩個容納腔內，快換接頭的一端與兩個容納腔相連通，快換接頭的另一端通過連接管路與容器相連通，泵送組件設置在連接管路上，由此能夠讓底涂劑通過快換接頭輸送到腔室內，補充凹模組件內的膠液消耗。

泵送組件包括蠕動泵，快換接頭用聚四氟乙烯管道連接到機臺外的步進電機蠕動泵輸出口，蠕動泵另一端輸入口通過聚四氟乙烯管道連接容器，在蠕動泵上啟動手動模式將底涂劑輸送到凹模組件內，使吸附布表面濕潤，具備涂布功能。蠕動泵系統是通過擠壓管道產生負壓，完全封閉不接觸底涂劑就可沿管道安全精準微量輸送，具有微流速（超低流量為0.1 mL/min）精準控制、防靜電、安全可靠的特點。泵送組件包括蠕動泵如圖6所示，利用聚四氟乙烯管道連接到機臺外的蠕動泵輸出口，將底涂劑輸送到底座的涂布板塊。啟動蠕動泵將底涂劑泵入凹模中，通過設置泵流量和啟停時間可以較為精確地控制底涂劑的吐出量。泵啟停是通過PLC控制系統進行控制，泵運行時間可以通過觸摸屏輸入界面進行修改，從而實現全自動沖孔涂布一體化作業流程。

4.2 底涂劑涂刷品質視覺檢測

為了保證底涂劑的涂刷品質，設計一套視覺檢測系統，通過設定像素閾值對涂布范圍的底涂劑涂布品質進行自動檢測判斷。本系統采用基恩士CV-X400系列的視覺檢測控制器，PLC與視覺控制器之間的通訊方式采用的是PLC鏈接，檢測算法采用的是基恩士有/無辨別算法，將底涂劑拍攝照片進行二值化處理。如圖7所示，保險杠未被底涂劑涂布區域被處理成白色，底涂劑則被處理成了黑色，通過計算黑色區域面積作為評價底涂劑涂布品質指標。

將視覺檢測CCD相機安裝在沖鉗外側，機器人對零件產品沖孔、涂布，作業后機器人進行拍照、檢測工作，整個檢測流程用時0.3 s。通過試驗及機器學習，設定底涂劑像素閾值來判斷底涂劑的涂布品質是否滿足要求。當檢測結果低于下限值時，設備就會報警，并停止作業，最大限度確保產品底涂劑的涂布品質，避免不良品流出。

底涂劑涂布量的檢測數據和檢測圖片會通過以太網實時傳輸到數據硬盤，通過計算機對數據信息進行檢測，圖片與零件條碼信息進行鏈接，儲存到數據庫中，借助程序對數據進行解析，獲取當前工件加工數據信息，實現自動抽檢及品質信息趨勢分析及管理。

4.3 追溯系統

為了確保產品高品質，導入一元化產品生產追溯系統。如圖8所示，基于條形碼技術，將產品生產過程中大量離散的人、機、料、法、環信息進行系統性收集與關聯，達到生產過程透明化，產品信息可追溯化的效果。

追溯系統由6大模塊組成，包括數據庫、報表、通信、Web瀏覽、品質記錄和數據分析模塊。如圖11所示，服務器端工程啟動運行后，一般情況下需要長期不斷電運行（除非生產線停止生產），服務器采用冗余服務器，服務器上安裝有數據庫，完成實時數據存儲業務，并提供查詢統計功能。系統服務器采用冗余服務器，服務器客戶端采用C/S結構， 報表采用B/S形式發布，信號傳輸網絡主要用于底層設備（如按鈕、指示燈、掃碼槍等）信號采集與控制，包括I/O信號網絡、串行通訊網絡。

超聲波沖孔工藝是實現全自動化、高品質產品的重要技術，通過追溯系統可檢測到產品在生產過程中各項參數信息，并能建立生產信息趨勢分析及管理，提高了生產效益和產品質量管理。

5 結束語

本項目通過自主創新研發，研發出可取代人工涂布的沖孔涂布一體式裝置，一鍵操作即可完成保險杠沖孔、底涂劑涂布、雷達支架粘合、產品品質判斷、生產信息追溯工作流程。該項目可消除VOCs接觸崗位，削減作業人員3人，生產節拍可提升35%，整體收益達到824.7萬元，解決行業內以往存在的需要人工涂布、作業人員接觸有毒有害氣體、人工品質檢查難題，率先進入智能、高效自動化時代。

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