張 璘，張 雷，馬 巖

(1.吉林化工學院汽車工程學院，吉林，132022；2.北汽大世汽車系統(tǒng)有限公司，重慶，401120)

1 引言

汽車座椅制造業(yè)在未來市場中將更具競爭力且生產(chǎn)周期響應需求更快，企業(yè)在全球互聯(lián)環(huán)境和日益復雜的產(chǎn)品和流程的未來實現(xiàn)創(chuàng)新，實現(xiàn)價值鏈和利潤的有效轉(zhuǎn)移，并完成OEM供應鏈協(xié)調(diào)的數(shù)字化和透明化，改善生產(chǎn)過程、降低成本并提高效率，引領生產(chǎn)和創(chuàng)新的轉(zhuǎn)型[1]。自動化制造和汽車座椅組裝的目標是實現(xiàn)整個制造價值鏈的智能化，包括工藝規(guī)劃、制造、采購、倉儲、營銷和服務。整合最新技術的信息技術、先進的制造技術、自動化技術和通信并開始整合人工智能技術，強調(diào)靈活性、集成、協(xié)同、效率、精益、綠色并注重以人為本。推進自動化制造是為了促進汽車座椅產(chǎn)品、設備、生產(chǎn)線、車間、工廠和研發(fā)。從而更好滿足客戶不斷變化的需求，充分整合行業(yè)特點、產(chǎn)品和工藝特點、構(gòu)建健康和諧的生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)[2]。

圖1 汽車座椅裝配流程

國內(nèi)座椅骨架中卡簧裝配舊法是通過手工卡簧鉗或卡簧治具來完成，安裝時容錯率較低并耗費大量人力成本，尤其是在安裝小型卡簧時由于卡簧和工件的尺寸較小，需要將卡簧的卡口和卡簧槽精確對準完成工件，安裝更加困難、生產(chǎn)效率更低；同時這種復雜而刻意的裝配工作將使工人更加疲憊，不僅難以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，而且容易發(fā)生工傷事故[3-4]。目前國內(nèi)典型自動/半自動卡簧壓裝設備多采用：自動送料、工件定位、氣缸壓裝、檢測定位、工件卸載、成品輸送的工藝流程[5]，各設計結(jié)構(gòu)如圖2所示?，F(xiàn)根據(jù)實際生產(chǎn)需要設計SU2型座椅卡簧自動壓裝機，通過較簡單的結(jié)構(gòu)特征實現(xiàn)汽車座椅骨架上卡簧的自動壓裝。可實現(xiàn)手動模式與自動模式切換，操作簡便可視效果好，較大程度提高了汽車座椅卡簧壓裝過程的裝配質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

圖2 國內(nèi)典型卡簧壓裝設備結(jié)構(gòu)示意圖

2 總體方案設計

2.1 技術要求

實際生產(chǎn)中座椅卡簧壓裝過程具有：產(chǎn)量大、精度高、加工節(jié)拍短等特點，本設備需符合以下技術要求：

1)設備穩(wěn)定性。設備能夠在AC單相220V±5%供電下穩(wěn)定運行，設備故障率在5‰以下。

2)結(jié)構(gòu)合理性。使用氣動作為動力輸入，氣動系統(tǒng)可靠且穩(wěn)定，使用壓力范圍為0.5MPa-1.0MPa；整體結(jié)構(gòu)尺寸適中。

3)模式互換性。系統(tǒng)應具有手動與自動模式，且兩種模式能夠快速、方便切換。

4)人機交互性。操作界面應簡潔，利用觸屏或按鍵均可設置、控制系統(tǒng)運行[6]。

5)操作安全性。專用機應良好接地，且接地電阻符合國家規(guī)定；手動安全調(diào)試后可進入自動模式；急停按鍵醒目且可靠。

2.2 總體方案設計

SU2型座椅卡簧自動壓裝機所示專為卡簧壓裝組裝設計，主要單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，分為：照明支架單元；支架；HMI；左、右壓裝單元；產(chǎn)品定位單元。

1.照明支架單元 2.支架 3.HMI 4.左壓裝單元 5.右壓裝單元 6產(chǎn)品定位單元

1)照明單元：結(jié)構(gòu)較簡單，由底座和燈管兩部分組成。布置在設備支架的上部，當組裝機在夜間或者視線不佳的情況下使用。

2)支架：基本尺寸見表1，結(jié)構(gòu)較簡單。分為上、中、下三部分，其中上部支架主要作用是固定照明設備以及人工交互界面HMI；中部為動力裝置及夾具承載板，用于承載動力裝置、壓裝單元和產(chǎn)品定位單元；下部機架箱內(nèi)裝有儲氣罐。

3)HMI：面板最上部為人-機界面(觸摸屏)，下部信號燈、開關、旋鈕自左向右依次為：電源指示燈HL1、電源開關POW OFF/ON、模式切換開關MANUAL/AUTO、自動執(zhí)行開關EXECUTE及緊急停止按鈕EMERGENCY STOP，分別以HL1、SA1～SA3、SC1表示，便于查詢?nèi)藱C界面操作說明及系統(tǒng)檢測維修。

4)左、右壓裝單元：壓裝單元以氣動系統(tǒng)氣缸為動力，由PLC控制分別將卡簧壓裝進座椅骨架的左右端。

5)產(chǎn)品定位單元：產(chǎn)品定位單元由夾具和預緊機構(gòu)組成，起到卡簧的定位作用，根據(jù)廠家的實際需要，選擇各種不同規(guī)格的夾具。

根據(jù)上述各單元功能，汽車座椅卡簧壓裝設備總體控制方案如圖4所示。

圖4 設備總體控制方案

3 硬件選擇與設計

設備的主要硬件部分為手動/自動模式中的各部件，主要包括控制器選型、氣路系統(tǒng)裝置的選型。

3.1 控制器選型

作為設備的核心部件，控制器是否合適將直接影響設備的性能[7]。根據(jù)設備的工作要求和總體控制方案，選用可編程邏輯控制器PLC作為設備的控制器。PLC作為工業(yè)控制的重要支柱，具有適應工業(yè)環(huán)境，可靠性高、配置靈活、面向過程和用戶等優(yōu)點[8]。本設備選用三菱FX3U-48MR/ES-A型第三代小型可編程控制器，該控制器具有速度快、容量大、性能強、兼容性好等顯著特點，能夠進行目前業(yè)內(nèi)最高水平的高速處理，能夠滿足本設備的性能需求。

3.2 氣路系統(tǒng)裝置

氣路系統(tǒng)裝置主要包括儲氣罐，高壓氣體增壓泵、氣動電磁閥以及氣缸。生產(chǎn)場地中輸入氣源經(jīng)過各氣路系統(tǒng)裝置為設備提供動力。

3.2.1 儲氣罐

EURE艾瑪爾氣動增壓泵搭配儲氣罐可以儲存一部分壓力，同時起到穩(wěn)定壓力的作用，防止壓力大幅波動影響氣動設備的使用，使用氣路壓力更加平穩(wěn)。

3.2.2 高壓氣體增壓泵

選用日本SMC公司生產(chǎn)的VBA40A-04gn型高壓氣體增壓泵，在保證各高壓容器、管件、閥門、接頭等產(chǎn)品的高壓氣體密封性的前提下，將0.3-0.8MPa壓縮空氣驅(qū)動轉(zhuǎn)為1.0MPa壓縮氣體從而使設備穩(wěn)定工作。此型號氣體增壓泵高壓柱塞由不銹鋼制作，并具有雙層密封。具有壓力穩(wěn)定性好，啟動響應快、能夠?qū)崿F(xiàn)回位，維持壓力時能耗低等顯著優(yōu)點。

3.2.3 氣動電磁閥

氣動電磁閥為手動模式中最基本部件。SU2卡簧壓裝設備采用兩個四通手動電磁閥，采用韓國TPC電磁閥系列中DH2四通手動閥。手動電磁閥1、 2分別控制手動模式中夾具的開合和氣缸推桿的進推，其中手動電磁閥1實際加工時夾具僅需打開位與加緊位。由于工作習慣與防止工人兩檔位疏忽且與氣缸三通保持一致，其功能如圖5所示。

圖5 電磁閥操作示意圖

3.2.4 氣缸

氣路系統(tǒng)裝置中氣缸為最重要的動力輸入源，四個氣缸均為日本SMC生產(chǎn)的CQ2薄型系列中的CDQ2B125-150DCM型氣缸。本型號氣缸主要特點具有125mm大缸徑和150mm推桿行程，此外具有空間緊湊、磁性開關隱蔽且無突出表面尺寸、質(zhì)量輕及可配磁性開關等優(yōu)點，能夠符合汽車企業(yè)卡簧壓裝生產(chǎn)時精準度和穩(wěn)定性的要求。

4 控制系統(tǒng)設計

系統(tǒng)程序流程與控制器接口功能如圖6、7所示。為便于設備調(diào)試和維護，設置為手動及自動兩種工作模式。手動模式通過電磁閥分別控制夾具狀態(tài)和氣缸進退位；自動模式下設備自動運行，在氣缸能否正常工作與是否接觸產(chǎn)品定位處設置中斷處理程序，在是否壓裝到位處設置系統(tǒng)循環(huán)，完成座椅前、后卡簧壓裝氣缸回歸初始位置后，進行產(chǎn)品輸送。設備啟動控制器接通24V電源后，HL2接口控制原點指示燈亮起，系統(tǒng)進入操作界面。選擇手動模式后在VBA40A-04gn型氣體增壓泵作用下，經(jīng)過AC30-03CG-SV-A三聯(lián)件對設備中各氣動裝置輸入1.0MPa的穩(wěn)定氣壓源。由接口SA1控制SA3開關進行手動調(diào)試。手動調(diào)試正常后PLC切換為SA2接口控制的自動模式，從而SB1自動模式啟動，接口依次控制： YV8產(chǎn)品進位、YV1～YV2產(chǎn)品定位及壓緊、YV3～YV5產(chǎn)品側(cè)向定位、Y6～Y7座椅前后卡簧壓裝、YV1～YV5解除定位、YV8產(chǎn)品退位，控制器完成卡簧與座椅骨架安裝工藝。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

圖7 控制器接口功能示意圖

5 操作界面設計

開機首頁畫面分為服務信息和系統(tǒng)主界面。服務信息提供設備基本信息；系統(tǒng)主界面用于設定、顯示設備的各個參數(shù)及功能選擇，從上至下依次為：當前狀態(tài)、當前生產(chǎn)號、參數(shù)設定允許/禁止、產(chǎn)量計數(shù)、產(chǎn)量清零、單件生產(chǎn)周期、邊板定位銷自動退回延時、卡簧壓進到保位延時、生產(chǎn)動作狀態(tài)。底部六個按鈕分別為：回歸首頁、報警信息、原位信號、信號輸入、信號輸出、手動界面。操作及信息錯誤發(fā)生系統(tǒng)報警，手動恢復；原位信號功能為對各設備初始位置檢測，綠燈亮起代表條件正常；信號輸入分為信號檢測與可視化信號輸入圖形監(jiān)控，分別用于顯示按鈕、檢測開關對應PLC接口實時狀態(tài)及信號接通狀態(tài)；信號輸出界面用于顯示各指示燈及電磁閥等外部執(zhí)行元件對應PLC接口輸出實時狀態(tài)。手動截面控制鍵分別為：產(chǎn)品定位、壓緊動作控制、邊板定位、前后卡簧壓裝控制、產(chǎn)品移位控制及設備位置復位，在手動模式下選擇控制鍵后對設備進行操作，長按設備動作復位鍵可將各氣缸動作復位至原位置狀態(tài)。系統(tǒng)操作界面流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)操作界面流程示意圖

6 結(jié)語

SU2型汽車座椅卡簧壓裝設備在實際使用中表明：該設備能夠精確完成卡簧與座椅骨架的壓裝工藝，具有較高的可靠性、安全性及實用性，自動化程度高，觸屏式人機交互操作簡易，能夠滿足汽車座椅卡簧壓裝的實際生產(chǎn)需要。手動調(diào)試后轉(zhuǎn)全自動生產(chǎn)模式使設備故障率極低且產(chǎn)品效率和質(zhì)量均有顯著提高，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本和從業(yè)人員的勞動強度，取得良好的經(jīng)濟社會效益，具有較廣闊的市場應用前景。