一種汽車安全氣囊自動折袋裝置的研制

2013-08-22 07:34:42王曉東張宏哲張德江

制造業(yè)自動化 2013年1期

王曉東，陳輝，張宏哲，張煒，張德江

（1.長春工業(yè)大學工程訓練中心，長春 130012；2.長春工業(yè)大學機電工程學院，長春 130012）

0 引言

隨著汽車的行駛速度越來越快，司乘人員對安全行駛的意識不斷增強，越來越多的出廠汽車要求配置安全氣囊，安全氣囊已經(jīng)成為汽車的標準配置[1]。研究結(jié)果表明：對稱折疊氣囊在所有的碰撞試驗表現(xiàn)中適中，可用于正常坐姿的標準體位乘員的保護[2]。因此，一種生產(chǎn)效率高、可靠性好的安全氣囊折袋裝置的市場需求是很大的。而在實際生產(chǎn)中，大多數(shù)的折袋機構(gòu)多是半自動化系統(tǒng)。由于技術(shù)不穩(wěn)定或人為因素造成的生產(chǎn)過程失控，導致氣囊的某些重要質(zhì)量缺陷潛伏下來，可能造成重大事故[3]，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性得不到保障。

此外，可生產(chǎn)的品種單一，生產(chǎn)效率低也是實際生產(chǎn)中存在的一個重要缺陷。為克服上述存在的問題，提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量以及設(shè)備的通用性，本文設(shè)計、開發(fā)一種新型汽車安全氣囊自動折袋裝置。

實踐結(jié)果表明采用本折袋機系統(tǒng)進行折袋操作，操作過程簡單，生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量能得到明顯的提高，能夠滿足當前的生產(chǎn)線要求。

1 安全氣囊折袋裝置原理介紹

對稱折疊是傳統(tǒng)的折疊方式，先將平鋪的氣袋橫向折疊，然后從兩端同時向中間折袋，具體過程圖1所示。

圖1 對稱折疊流程圖

本裝置完成兩道工序，首先是氣袋的折疊，然后是氣囊端蓋的扣緊和氣囊的壓緊。無論是傳統(tǒng)或是本文所所研究對稱折疊設(shè)備，利用的原理很簡單，都是利用旋轉(zhuǎn)運動對氣囊進行橫向和縱向兩個方向的纏繞卷袋。但保證卷繞過程的連續(xù)性采用的方法卻是不同的，傳統(tǒng)裝置采用人工操作保證袋的連續(xù)，本裝置通過協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運動和進給速度來保證卷袋動作的連續(xù)性。所以無論在效率還是在質(zhì)量穩(wěn)定性上面都要比傳統(tǒng)的卷袋裝置要有所提高。而且將扣蓋的工序也集成到該裝置上，通過替換端蓋固模塊滿足不同型號氣囊的扣蓋工序。

2 安全氣囊折袋裝置的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 氣囊折袋裝置的整體機構(gòu)分布

氣囊折袋系統(tǒng)的具體機構(gòu)簡圖分布如圖2所示。

圖2 整體機構(gòu)分布簡圖

該裝置結(jié)構(gòu)總體包含：機架、三個卷袋機構(gòu)、多次折袋機構(gòu)、操作臺以及端蓋軋緊機構(gòu)。相比于現(xiàn)有的折袋裝置的機構(gòu)分布，本系統(tǒng)多了一個后卷袋機構(gòu)和多次折袋機構(gòu)，并將端蓋軋緊功能集成到系統(tǒng)之中來。其優(yōu)點是：1）兩個后卷袋機構(gòu)同時運行，相比于只有一個運行而言，能在卷袋的過程中讓袋始終保持一定的張緊力，保證卷袋的質(zhì)量，不至于讓袋疏松度過高影響堆袋的高度，讓后續(xù)動作無法正常完成。2）添加一個多次折袋機構(gòu)既能保證袋的平整性，同時也能消除不同折袋層數(shù)的要求限制。

2.2 卷袋機構(gòu)設(shè)計

卷袋機構(gòu)是該裝置最重要的核心機構(gòu)，其主體構(gòu)成如圖3所示，步進電機提供旋轉(zhuǎn)運動，電缸保證袋的連續(xù)進給運動。工作狀態(tài)下，汽缸將卷袋裝置推至工作位置，待傳感器檢測到汽缸到位后，在電缸和電機的協(xié)調(diào)下完成連續(xù)的卷袋動作。橫向的進給速度保證袋的穩(wěn)定卷繞，縱向的移動保證機構(gòu)的合理工作位置。橫向的移動需要與旋轉(zhuǎn)運動協(xié)調(diào)工作，所以對橫向運動要求可調(diào)控。

具體機構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 卷袋機構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖

要求可調(diào)控的橫向進給可使用電缸驅(qū)動，縱向移動，可選用無桿氣缸。針對不同的產(chǎn)品可能要求的行程不一樣，本裝置采用兩組無桿缸，缸徑大的作為主缸，缸徑小的作為輔助汽缸，兩者根據(jù)不同的產(chǎn)品選擇配合方式。

為保證傳動的效率和穩(wěn)定性，機構(gòu)中步進電機與卷板的傳動方式采用同步帶傳動這種靠中間件連接的嚙合傳動方式。在電機選擇完畢，小齒輪齒數(shù)初步確定，齒數(shù)比確定后，就可以初步確定傳動系統(tǒng)的一些初步參數(shù)。

如電機輸入功率為P=600W，額定轉(zhuǎn)速為n=800r/min，小齒輪齒數(shù)為z1=20，齒數(shù)比u=2.0，模數(shù)m=2.0。

小齒輪傳遞力矩為：

2.3 多次折袋機構(gòu)

為保證卷袋的質(zhì)量，一次卷袋過程中會有數(shù)個系列的不同速度的卷袋動作。當一個系列的卷袋動作完成后，電機的卷袋動作會停頓一段時間，這個時候為避免已經(jīng)卷好的氣袋回溯變形，所以需要對已經(jīng)卷好的袋做壓緊防護。多次折袋機構(gòu)的執(zhí)行元件使用葉片式擺動氣缸，以葉片式擺動氣缸驅(qū)動壓袋板，擺動氣缸旋轉(zhuǎn)運動中驅(qū)動壓袋板進行下壓和上縮動作。工作狀態(tài)下，壓袋板處于工作臺水平位置，一般狀態(tài)下直立放置。本系統(tǒng)共配置四把折袋叉，最多能完成5個系列的折袋卷袋動作，能滿足大部分的安全氣囊的層數(shù)要求。多次折袋機構(gòu)三維圖如圖4所示。

圖4 多次折袋機構(gòu)三維圖

2.4 端蓋軋緊機構(gòu)

卷袋工序完成后，將卷好的氣袋置入到氣囊端蓋盒中。如圖5所示，將下端蓋盒固定于固定模塊上，背力汽缸隨后將下端蓋盒加緊，加緊完畢，舉升汽缸2將其舉升至工作位置，與此同時兩組滑塊帶動兩端的舉升汽缸2向中間平移，平移至中間位置，壓蓋板下壓，氣囊的壓緊和端蓋的封裝工序完成。

不同型號的氣囊端蓋盒，外形尺寸不一樣，用于定位的端蓋盒底部的定位銷直徑與分布各不相同。固定模塊針對不同型號的端蓋盒選擇的適宜連接板。針對不同的產(chǎn)品替換上相相應(yīng)的定位連接板，在面板操作空間下能容納的前提下，本裝置都能對該型號的端蓋盒進行扣蓋封裝操作。

3 安全氣囊折袋裝置的控制系統(tǒng)

控制器系統(tǒng)以德國西門子S7-300 PLC 作為控制單元，臺達觸摸屏為人機交互界面。磁感應(yīng)開關(guān)、光電傳感器將外部位置信息傳送至PLC中，經(jīng)過PLC處理判斷，電磁閥及指示燈做出各自的響應(yīng)。如圖6所示，控制面板上設(shè)置控制按鈕、各工位狀態(tài)顯示等信息，以及急停、復位、手動、自動等按鈕。一旦出現(xiàn)異常狀態(tài)，能快速反應(yīng)并發(fā)出警報，顯示報警工位，提高了日常的生產(chǎn)安全，在一定程度能減少了裝置維修的時間。

圖5 端蓋壓緊機構(gòu)

PLC不擅長于大量數(shù)據(jù)的保存以及分析處理，不能處理和保存一些重要的信息，為將大量操作信息、計量與位置數(shù)據(jù)通過通訊傳遞到PC上進行保存和進一步的數(shù)據(jù)處理，如對日常的警報，工件信息以及操作者信息等，本系統(tǒng)添加通訊功能，以 PLC作為下位機，以PC為上位機，通過實時通訊完成數(shù)據(jù)的傳輸。

圖6 人機交互界面

3.1 氣囊折袋裝置的硬件設(shè)計

PLC的基本組成一般由四個部分組成：中央存儲器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）模塊和電源。本系統(tǒng)附帶通訊功能，附帶通訊模塊。具體分布如圖7所示。

圖7 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 氣囊折袋裝置的軟件設(shè)計

設(shè)備運行中，傳感器采集信息，通過輸入模塊轉(zhuǎn)化為電信號，傳送到CPU中，根據(jù)CPU的指令經(jīng)輸出模塊轉(zhuǎn)化為輸出信號，控制外置設(shè)備如電磁閥導、繼電器等實現(xiàn)各個工位的汽缸的伸縮，電機的正反轉(zhuǎn)，以及設(shè)備的報警等各項功能。氣囊折袋裝置具體過程流程圖如圖8所示。