基于PLC控制的車架柔性拼裝夾具設計

楊華東，梁森，劉振海

（1.青島理工大學，山東青島266000；2.一汽解放青島汽車有限公司，山東青島266217）

基于PLC控制的車架柔性拼裝夾具設計

楊華東1，2，梁森1，劉振海2

（1.青島理工大學，山東青島266000；2.一汽解放青島汽車有限公司，山東青島266217）

本文提出了卡車車架柔性拼裝夾具的設計思路及實施方案,其中包括機械結構和控制系統，主要闡述了如何利用PLC處理器、位移傳感器及集成液壓系統來完成對夾具的動力系統的控制,實現夾具參數控制的自動調整和柔性化控制的過程。

車架；柔性拼裝夾具；PLC；卡車

車架總成拼裝夾具主要用于車架裝配過程中的總成拼裝工序，對車架的各個組成部件先定位，然后再進行緊固，以保證總成組裝后關鍵尺寸的裝配精度。由于總成拼裝夾具的輔助，使裝配質量和生產效率大大提高，因此該裝配工藝方法在國內各主流卡車生產廠家車架總成裝配過程中得到了廣泛應用[1-2]。

但目前常用的總成拼裝夾具多為針對一種或幾種車型設計，定位參數變化一般采用機械定位塊實現，產品適用范圍窄，柔性化程度很差。且機械定位塊進行參數調整時操作繁瑣，定位精度難以保證，嚴重影響生產效率和裝配質量[3-5]。

鑒于此種情況，本文在現有總成拼裝夾具應用的基礎上，研究設計了一種基于PLC控制的柔性化自動控制夾具。即采用位移傳感器、集成液壓系統、PLC控制器實現總成拼裝夾具系統的控制設計，配合機械運動單元，實現多品種車型更換參數時的快速調整和機械裝置的精確定位，樣機的現場測試結果證實了本文提出的設計方案的有效性。

1 車架裝配柔性拼裝夾具的設計參數

1.1 車架裝配工藝流程

車架總成拼裝夾具主要應用于車架總成裝配，是車架總成生產線諸多工裝設備中的關鍵設備。根據圖1所示的車架裝配工藝流程布置方案，此套工裝夾具布置于生產線的車架裝配一工位上。工作內容主要是將單股鉚接工位上轉運過來的縱梁鉚接總成和分裝后的零部件總成進行固定合裝,形成車架總成。要求在裝配過程中對定位尺寸進行控制,保證車架裝配精度。車架總成裝配完成后，由空中輸送裝置將該總成轉運至后序工位繼續裝配。

1.2 柔性拼裝夾具的主要參數

該夾具應用于車架總成流水生產線，需滿足“多品種、小批量、多批次”的柔性生產模式。目前產品主要包含某公司輕、中、重型三個平臺系列的卡車車架，根據車架裝配特點及外部形狀分類主要可分為如圖2a的直通梁車架及如圖2b的前寬后窄車架。具體產品參數見表1。

圖1 車架裝配工位布置圖

圖2 不同車型的車架

卡車車架總成作為卡車整車關鍵的總成部件之一，其總成質量的好壞是影響整車裝配質量及使用性能好壞的一個重要因素。因此車架在裝配過程中必須做好寬度、對角線、同軸度等關鍵尺寸的精度控制，以滿足后序大總成部件裝配及整車質量要求,實現使用性能。主要控制參數及允許誤差范圍見表2。

表1 車架結構的裝配參數

表2 車架結構的裝配參數控制范圍

2 柔性拼裝夾具系統

車架總成拼裝夾具具體系統如圖3所示，它主要由機械結構、液壓系統、控制系統及人機交互界面幾大部分組成。

圖3 柔性拼裝夾具系統組成

2.1 機械結構

機械結構作為整套工裝的重要工作部分，主要由固定裝配臺的基準臺面、車架左右縱梁的夾緊和撐開單元、支撐縱梁的支撐機構以及控制車架對角線的左右定位機構等幾部分組成，如圖4所示。

夾具各運動模塊通過驅動單元驅動，實現其輸送與定位夾緊功能。下面主要從夾緊單元和定位單元兩個方面就對如何實現夾具的柔性，如何控制裝配精度，加以詳細說明。

2.1.1 夾緊單元

如圖4所示的車架拼裝夾具共設置了4組夾緊單元，其中2、3、4三組為固定基準夾緊單元，6為基準可調夾緊單元。

車架總成關鍵尺寸的精度控制主要是由2、3、4和6四組夾緊單元配合定位單元5通過合理的控制方法來實現。本設計主要通過四個夾緊單元夾緊寬度的變化實現車架寬度在750mm～865mm范圍內的直通梁車架總成的寬度尺寸控制；通過定位單元的定位銷精確定位實現車架的對角線尺寸及同軸度偏差控制；通過夾緊單元的底部支撐面、側支撐面的T形定位塊和內側夾緊機構實現車架總成梯形尺寸及整體平面度的控制。

圖4 柔性拼裝夾具機械結構

各夾緊單元均采取單側移動，另一側為定位基準。4個夾緊單元分布于整個12m長的夾具上，并可以沿縱向夾緊單元上的直線導軌7進行區間移動。通過不同夾緊單元的組合，就可以實現各種長度的縱梁夾緊，而且單根縱梁的夾緊點數不少于3個，有效地保證了縱梁定位的精度要求。同時，車型參數輸入后系統會根據車架長度和車架部件特征以夾具前端定位點為基準自動選擇組合夾緊單元，避免非工作夾緊單元空運行和實現特殊零部件避讓。

為滿足前寬后窄車架前端特殊寬度的控制需要，夾緊單元6采用了特殊設計。其定位基準可以相對于2、3、4三組夾緊單元的夾緊中心線進行基準調整，使其工作范圍變大，滿足前端變寬車架的夾緊尺寸需求，如圖4所示。生產直通梁車型時，夾具整體在寬度方向上各夾緊單元尺寸基準一致；生產前寬后窄車型時，可通過參數調整將夾緊單元6寬度基準相對夾具中心線向外側調整，調整后夾緊動作與其余三組保持同步。

根據功能和結構將夾具夾緊單元劃分為兩種類型：同一種結構類型，如圖4中2、3、4所示；特殊結構類型，如圖4中6所示。圖5給出了具體夾緊單元結構細節。

圖5 柔性拼裝夾具夾緊單元

圖5a所示的夾緊單元，夾緊機構工作部分采用液壓缸驅動提供夾緊力。為控制整體夾具外形寬度尺寸，提升操作空間，夾緊工作部分采用內側液壓缸拉緊方式，在基準立柱2與移動立柱4之間底部安裝拉緊油缸1。在油缸作用下移動立柱4沿底部橫向直線導軌9往復移動。其主要功能是定位縱梁的腹面，配合其與夾緊單元矯正變形的縱梁。

圖5b所示的夾緊單元，除了具備圖5a的結構特點外，在定位基準立柱側設置了一組獨立驅動液壓缸，實現了定位基準在80mm范圍內精確調整。方便操作者根據前寬后窄車型的前端尺寸進行基準調整，滿足車架前寬后窄車型裝配需要。

各夾緊單元縱梁支撐平臺底部設計內側夾緊機構3（見圖5a），由頂出液壓缸和夾緊機構組成。主要用于縱梁外側定位后內側夾緊裝配，保證縱梁腹面與定位T形塊緊密貼合，消除縱梁腹面傾斜帶來的車架總成梯形尺寸偏差。夾緊機構末端設置快換萬向定位夾頭，通過更換夾頭裝配位置實現200mm～320mm范圍內不同腹面的縱梁可靠夾緊。

所有夾緊單元定位位移傳感器均設計在液壓缸內部，避免磕碰，保證使用精度，提高使用壽命。夾具各機構關鍵部位在設計時進行合理的部件公差分配，均采用數控設備進行高精度加工。安裝調試過程中利用高精度大尺寸光筆測量設備，進行跟蹤測量。最終實現整體裝配精度誤差小于0.3mm。

2.1.2 定位單元

夾具前端設有左/右定位裝置，利用左/右縱梁腹面的定位孔定位，定位采用手持定位銷定位方式。根據產品結構共設置6組直徑不同定位銷，可滿足6種規格同軸孔定位要求。兩側定位立柱可以沿底部橫向直線導軌往復移動，便于不同寬度車架快速定位。

在縱梁下落過程中，將定位銷放入左右縱梁腹面的同軸定位孔中，定位銷隨縱梁一起放入定位單元的U型定位面，實現靈活定位。在裝配過程中先定位再進行內側夾緊，保證定位后車架總成對角線差值控制在2mm內。具體定位單元結構如圖6所示。

圖6 定位單元

2.2 柔性拼裝夾具液壓系統

總成拼裝夾具的多組液壓缸驅動共用一套液壓站，油泵流量48L/Min，系統壓力12MPa。液壓站采用外置循環溫度固定型油液冷卻溫控裝置，實現液壓系統油溫按預設值自動控制，避免油溫過高現象，以保證工作主機或液壓系統能長期、可靠、高效地工作。整個系統共有5組比例伺服閥控制的液壓驅動油缸用于夾緊定位，四組普通油缸用于內撐夾緊。在各執行元件動作到位后系統有保壓功能（液壓泵卸荷，避免發熱，液壓泵卸荷的過程中，夾緊機構的夾緊力不變）。具體液壓系統原理如圖7所示。

2.3 柔性拼裝夾具系統的控制

根據設計要求，該套柔性總成拼裝夾具在實際生產過程中需要滿足12種寬度、長度各不相同的車架總成裝配需要。由于生產線采用“多品種、小批量、多批次”的柔性生產模式，實際生產中車型經常更換導致裝配夾具的車型參數要進行頻繁調整。為保證生產節拍，該套夾具必須實現車型更換時參數及工作部位的快速調整。

圖7 液壓系統原理

經分析，最終柔性拼裝夾具采用了基于PLC控制系統的柔性化控制技術。利用PLC控制器、直線位移傳感器完成定位距離測定功能，取消常用固定尺寸定位塊，實現參數快速調整。同時各組定位夾緊機構，可以同步動作，也可分別動作，根據輸入指令自由組合并完成車架夾緊，可實現12種車型快速切換和定位塊精確定位。

2.3.1 控制動作說明

圖8 夾具動作流程圖

夾具具體工作動作流程如圖8所示。車架柔性拼裝夾具在控制程序編制時以實際工作流程為基礎，對復雜裝配工藝進行多工步分解。為適應不同車架零部件裝配，夾具夾緊時采取分步動作，首先進行一次夾緊，之后夾緊寬度比車架理論尺寸寬25mm，方便全尺寸總成部件及螺栓等標準件裝配。裝配完成后再完成二次夾緊，達到車架控制寬度，然后緊固。夾緊單元及內撐夾緊松開時采取手動觸摸操作，離手即停，防止誤操作。

2.3.2 PLC控制系統設計

為保證控制精度及設備運行效率，提升整個控制系統的抗干擾能力，夾具控制系統采取了以比例伺服閥為基本控制元件的PID閉環控制系統。幾組液壓缸位移協同運動主要以位置控制為主，速度控制為輔，同時進行加速度控制。其主要的控制元件有：指令元件、比較元件、電控器、比例閥、液壓執行器和檢測反饋元件幾個部分。夾具控制系統中央處理器單元采用西門子S7-300；位移控制采用巴魯夫內置位移傳感器BTL7-E100-M0350-BS32；比例伺服閥采用4WRAE10W60-2X/G24K31/A1V，控制模塊內置，重復精度誤差小于3％，滯環小于6％。該比例閥是本控制系統中最重要的一種控制元件,它能將微弱的電信號轉換成大功率的液壓信號（流量和壓力）。控制回路中用電信號作為控制信號和反饋信號使整個系統靈活、快速、方便；整個系統慣量小、精度高[6]。夾具控制系統原理如圖9所示。

圖9 控制原理圖

在整個總拼夾具柔性化控制系統中，液壓發生器提供整套夾具各運動機構的驅動動力；各組伺服液壓油缸通過油缸活塞桿帶動相應夾緊單元按照設定參數進行軌跡運動。直線位移傳感器對夾緊單元的運動位移進行實時測量，并將信號反饋給PLC處理器；處理單元將位移傳感器反饋值與系統預設參數值進行即時比對，根據比對結果形成控制信號；同時將信號作為比例伺服閥的輸入信號進入其指令元件，控制比例伺服閥的工作狀態，實現油缸進出油量的精確控制，從而控制夾緊單元的各運動模塊的運行精度。并且通過系統編程實現夾具全部運行動作的自動控制。PLC網絡結構圖如圖10所示。

2.3.3 人機交互界面

為了方便人員操作及夾具參數調整，總拼夾具控制系統采用了可視化人機交互界面，利用觸摸屏控制命令輸入，通過不同操作界面可實現自動控制和手動控制兩種控制模式。工作過程中可以根據需要隨時對夾具車型參數進行調整，手動模式可對夾具的多組夾緊工作單元進行任意匹配調整，對單個夾緊單元進行動作微調，滿足特殊車型的工作狀態需要，具體操作界面如圖11、12所示。

圖10 PLC網絡結構圖

圖11 主操作界面

圖12 單元選擇界面

3 實施效果

經過加工、裝配和調試，本文柔性拼裝夾具實際應用現場情況如圖13所示。

圖13 夾具應用現場圖

從實際運行結果來看，這種柔性化的設計方式，實現了在一套柔性拼裝夾具上滿足多種車型和批量混線生產的功能要求，優化了車架總成拼裝工藝；簡化了操控過程的復雜程度；提高了車架總成關鍵尺寸的控制能力，提高了生產效率。為卡車車架總成總拼夾具向高效、柔性化方向發展積累了經驗。

4 結論

此次柔性拼裝夾具在傳統的車架總成裝配夾具應用基礎上，結合產品工藝特點，通過對各種車架之間的異同進行分析，找出其規律，采取數控柔性化設計。這種設計方式雖使單體夾具的機械結構及控制系統的復雜程度有所增加，但是減少了夾具種類，整個生產線的工裝成本投入得到很大程度的降低，生產準備周期也大大縮短。柔性拼裝夾具系統作為整個裝配工藝流程中的一個關鍵工裝，必將隨著車架裝配工藝技術水平的提升，而得到不斷創新和快速發展。此套柔性化總拼夾具的設計應用，將為未來卡車車架總成總拼夾具向高柔性化、智能化和數字化方向發展奠定基礎。

[1]姜海濤，修永芝.車架總成柔性化鉚接夾具設計[J].現代零部件，2013，（2）：78-80.

[2]曾東建.汽車制造工藝學[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]應毅萍.車架總拼夾具設計解決方案[J].機械工程與自動化，2011，（6）：103-104.

[4]徐明民.新型車架鉚接定位技術[J].汽車工藝與材料，2001，（6）：6-8.

[5]王忠勝.車架定位合裝胎的設計與應用[J].重型汽車，2012，（3）：19-20.

[6]陳彬，易孟林.電液伺服閥的研究現狀和發展趨勢[J].液壓與氣動，2005，（6）：5-8.

Design of flexible assembly fixture for truck frame based on PLC control

YANG Huadong1，2,LIANG Sen1,LIU Zhenhai2
（1.Qingdao Technological University,Qingdao 266000,Shandong China；2.FAW Jiefang Qingdao Automotive Co.,Ltd.,Qingdao 266217,Shandong China）

The design idea and implementation plan of flexible assembly fixture for truck frame have been put forward in the text,which includes mechanical structure and control system.The way to use PLC processor,displacement sensor and integrated hydraulic system to control the power system of the fixture has been mainly described.The automatic adjustment of parameter control and flexible control process for the fixture have been realized.

Frame;Flexible assembly fixture;PLC control

TP211

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.012

1672-0121（2016）05-0040-05

2016-06-17；

2016-07-29

楊華東（1981-），男，碩士在讀，高級工程師，從事卡車車架部件沖壓及總成裝配工藝研究。E-mail：13954275668@163.com