某車型門蓋焊裝夾具全氣控系統設計

劉浩+鄭武

摘 要：在某車型門蓋焊裝夾具的設計中，為實現車門焊裝夾具的快速切換，采用全氣動控制形式作為其控制系統，并給出控制系統原理回路圖。設計的控制系統特點：整個焊裝夾具拼臺采用壓縮空氣作為能源和控制介質，便于夾具整體的快速切換；對氣缸關夾狀態進行氣信號輸出處理，控制邏輯中引入氣缸狀態，實現閉環控制；對高低配配置零件進行防錯識別，保證控制系統安全可靠；控制回路層次分明，夾具各執行機構順序動作準確。

關鍵詞：焊裝夾具；全氣動控制；防錯識別；氣缸順序動作

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0100-03

1 概述

近年隨著汽車產業的快速發展，我國逐步成為世界第一的汽車產銷大國，人們的需求逐漸多樣化，汽車產品的更新換代也越來越頻繁，受成本和場地等因素的制約，生產線的柔性兼容和快速切換顯得尤為重要。在白車身焊裝工藝中，主線通常采用同平臺各車型柔性兼容的策略，車門分總成由于不同車型的造型差異性，很難做到焊裝夾具設備的共用，因此車門焊裝夾具往往需要整體切換。氣路控制系統是焊裝夾具的重要組成部分，它由一定的控制元器件組成的邏輯控制系統來實現夾具執行機構要求的工藝動作，從而達到對車體零部件的定位與夾緊[1][2][3]。

車身焊裝夾具的氣動控制系統一般分三種：全氣控、電氣控制以及PLC控制系統。全氣控控制系統是僅利用壓縮空氣作為工作介質，通過使用氣管將氣控閥及相關氣控邏輯元件連接，組成具有相互邏輯關聯的控制系統；電氣控制系統主系統是通過氣源作為工作介質來驅動執行機構動作，而控制部分由電器開關元件與電磁閥的線圈組成，通過電器組成的邏輯電路來控制電磁閥的換向，實現執行機構動作；PLC控制系統的主系統也是利用氣源作為介質驅動執行機構動作，而控制系統是通過PLC來控制。在車門焊裝夾具設備上，純氣控的控制形式能夠抗高溫、強磁，在潮濕、腐蝕等環境下也不易損壞，切換時只需將設備總氣源口的耦合快插接頭斷開即可，顯得優點突出。以某車型車門焊裝生產線中一個焊裝夾具拼臺為例，設計其氣動控制系統，為焊接夾具控制系統設計提供參考[3][4]。

2 焊裝夾具的結構及工藝動作要求

2.1 焊裝夾具結構

門蓋焊裝夾具一般由定位和夾緊兩部分組成，此套夾具主定位銷為固定式，為了焊接工作完成后便于零件脫銷，此門蓋夾具額外多了一套零件舉升裝置。圖1為此套夾具的結構平面圖，表1所列為此工位需要焊接的零件。分析夾具結構不難識別出：01氣缸為舉升機構氣缸，02、03、04為內板夾緊機構氣缸，05、06為鉸鏈加強板定位機構氣缸，07為滾壓窗框總成手動定位機構氣缸，08、09、10、17為鉸鏈加強板夾緊機構，10～15、17、18為滾壓窗框總成夾緊機構，16為鎖扣加強板手動夾緊機構，其中10、17氣缸驅動的夾緊機構為鉸鏈加強板和滾壓窗框總成公用的夾緊機構。

2.2 焊接夾具工藝動作要求

一般而言，夾具工藝動作為：舉升機構下降-安裝上工序總成件（門蓋內板）-總成件夾緊（內板夾緊）-散件定位銷伸出-安裝本工位需焊接的散件-散件夾緊——焊接——零件定位銷退出-夾具打開。手動定位和手動夾緊為上一步工藝動作完成后氣缸泄氣。根據工藝動作要求以及夾具結構將氣缸分為7組：

1組：頂升單元（氣缸01）；2組：內板夾緊單元（氣缸02、03、04）；3組：鉸鏈加強板定位銷單元（氣缸05、06）；4組：滾壓窗框總成定位單元（氣缸07）；5組：鉸鏈加強版、滾壓窗框總成夾緊單元1（氣缸08、09、10、11、12）；6組：鉸鏈加強版、滾壓窗框總成夾緊單元2（氣缸13、14、15、17、18）；7組：鎖扣加強版夾緊單元（氣缸16）。

本工位工藝定義三名工人進行裝件及焊接工作，根據夾具工藝動作繪制出夾具工藝動作魚骨圖，見圖2。

3 氣動控制系統設計

3.1 氣缸信號輸出處理

為了實現焊裝夾具的閉環控制，必須對夾具的關夾或氣缸的伸縮狀態進行信號輸出處理。

拼臺采用氣動控制，氣缸有兩種：夾緊氣缸為一體式夾緊器，見圖3，自身帶有氣動式檢測開關，P口接通主氣源，當夾緊器夾緊到位時，14口輸出氣信號，當夾緊器打開到位時，12口輸出氣信號；伸縮銷機構驅動氣缸為普通導向桿方形氣缸，需要額外安裝匹配機械閥式檢測開關，氣缸到位相關信號通過滾輪杠桿式行程開關檢測并傳遞，此類型檢測開關通過機械接觸檢測，且閥驅動頭和閥體繞縱向軸可實現多角度調節，見圖4，具有安全可靠、易維護特點。

3.2 防錯控制設計

由于高低配車型在零件配置上有些許差異：低配車型前門內板安裝兩顆鉚釘（鉚釘1、鉚釘2），高配車型前門內板安裝三顆鉚釘（鉚釘1、鉚釘2、鉚釘3），見表1。上工序很有可能出現鉚釘錯打、漏打的情況，單純依靠人工來區分十分不可靠，因此必須在夾具控制上設計防錯，及時識別零件的錯裝和漏裝，避免不合格零件流向下一工位造成產品質量問題。

根據零件特征及夾具結構，運用帶常開、常閉復合功能行程檢測開關實現零件防錯，見圖5，該防錯氣路進氣端接主氣源，出氣端接控制箱P6口。檢測開關0S12、0S22為鉚釘1、鉚釘2的檢測開關，檢測開關0S32為高配車型鉚釘3的檢測開關，當鉚釘出現漏打、錯打時，氣信號均無法通過，通過此三個檢測開關，控制系統未切換到相對應車型時，即使完成零件安裝，按工作開始按鈕，焊接夾具也不會有任何動作，從而達到防錯目的。

3.3 氣控回路設計

考慮人機工程和安全因素，每一步零件夾緊動作為裝此件的工人控制。圖1中按鈕盒1～3位置分別為工人1～3工作站立位置。

焊接工裝執行機構的動作是嚴格遵循焊接工藝流程順序動作，其動作間不能存在相互的干擾信號，而且必須有互鎖條件，設計其控制回路圖見圖6、圖7，其工作原理為：

工作開始：夾具各氣缸都處于工作循環初始狀態。工人1～3同時按動按鈕盒1～3的雙手按鈕和下降按鈕，A2口有氣信號輸出，主控閥MV01被驅動到右位，氣缸01縮回，頂升機構下降到位；對應配置車型若內板鉚釘無錯裝漏裝，安裝內板后防錯氣路導通，P6口有氣信號輸入；工人1、2分別驅動按鈕盒1、2的雙手按鈕和內板夾緊按鈕，與閥AND04和AND05進氣口都有氣信號輸入，AND05出氣口氣信號驅動中繼閥V01到左位，A3口有氣信號輸出，主控閥MV02、MV03被驅動到左位，氣缸02、03、04、05、06伸出，內板夾緊，鉸鏈加強板定位銷伸出，氣缸07、16泄氣，滾壓窗框手動定位單元和鎖扣加強板夾緊單元可手動，工人1安裝鎖扣加強板，手動夾緊后氣缸16檢測開關14口有氣信號輸出到控制箱P13，驅動按鈕盒1的雙手按鈕和鎖扣夾緊按鈕，A6口有氣信號輸出，主控閥MV07被驅動到左位，7組氣缸夾緊，工人2安裝鉸鏈加強板，工人3待工人2安裝完后安裝滾壓窗框總成并手動伸銷定位，檢測開關4S12導通，然后驅動按鈕盒3的雙手按鈕和窗框夾緊按鈕，A5口有氣信號輸出，主控閥MV04、MV05、MV06被驅動到左位，4組～6組氣缸夾緊。至此夾具關夾完成，開始焊接工作。

工作完成：工人3驅動按鈕盒3的雙手按鈕和打開按鈕，中繼閥V01被驅動到右位，A4口有氣信號輸出，主控閥MV03、MV04被驅動到右位，3組、4組氣缸縮回，鉸鏈加強板定位銷和滾壓窗框定位銷退出；氣缸06縮回到位后驅動檢測開關3S11，檢測開關3S11導通，A41口有氣信號輸出，主動閥MV02、MV05、MV06、MV07被驅動到右位，2組、5組、6組、7組氣缸縮回，夾具全部打開，氣缸10和氣缸18的檢測開關12口有氣信號輸出至P1、P2口，工人3驅動按鈕盒3的雙手按鈕和舉升按鈕，與閥AND01、AND02進氣口都有氣信號輸入，AND02出氣口A1有氣信號輸出，主控閥MV01被驅動到左位，氣缸01伸出，頂升機構上升到位，輸送本工位焊合件至下一工位，完成工作循環。

4 結束語

針對某車型前門焊裝工藝需求設計焊裝夾具氣動控制系統，實現了夾具整體快速切換功能，高低配車型配置零件防錯識別以及執行機構順序動作的控制，該控制系統生產使用近一年，實踐證明其控制可靠，達到設計預期，主要體現在以下幾個方面：（1）對氣缸開夾狀態進行氣信號輸出處理，實現了全氣動閉環控制，滿足夾具整體快速切換需求。（2）運用機械閥作為檢測開關設計防錯零件，保證了控制系統安全可靠。（3）控制回路邏輯清晰、層次分明，確保焊裝夾具各執行機構順序動作準確。

參考文獻：

[1]方昌林.液壓、氣壓傳與控制[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2]SMC（中國）有限公司.現代實用氣動技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3]韓明軍，鄭武，農振，等.氣缸順序動作的3種不同控制系統對比分析[J].企業科技與發展，2014，9（373）：31-34.

[4]唐德棟，舒慶，劉瑞，等.全氣動多缸行程程序控制系統的快速設計[J].機床與液壓，2013，41（10）：93-94.