前車架柔性焊接夾具氣路控制系統設計

鄭武　韓明軍　農振

摘 要：為實現前車架柔性焊接夾具執行機構順序動作，采用純氣動控制形式，設計其控制系統，并給出控制系統原理回路圖。設計的控制系統特點：柔性程度高，實現四種車型切換控制；實現防錯，保證控制系統安全可靠；控制回路層次分明，保證焊接夾具各執行機構順序動作準確；其設計為汽車分拼焊裝夾具控制系統的設計提供參考。

關鍵詞：焊接夾具；氣動控制；車型切換；防錯控制；氣缸順序動作

中圖分類號：TG431 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）04-0096-03

Abstract： In order to realize the sequential action of the mechanism of the flexible welding fixture for the front frame， the control system is designed in the form of pure pneumatic control， and the principle circuit diagram of the control system is given. The characteristics of the designed control system are as follows： high degree of flexibility， realizing the switch control of four kinds of vehicles， realizing error prevention， ensuring the safety and reliability of the control system， and making the control loop clear in order to ensure that the sequential actions of each executing mechanism of the welding fixture are accurate； The design provides a reference for the control system design of automobile assembly welding fixture.

Keywords： welding jig； pneumatic control； vehicle switching； anti-misalignment control； cylinder sequential action

焊接夾具是汽車車身制造的關鍵設備，它對汽車生產制造水平起著至關重要的作用，直接影響汽車生產質量和效率，進而影響公司的效益。其中，氣路控制系統是焊接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焊接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。因此，氣路控制系統的好壞決定著焊接夾具定位與夾緊是否準確。以某公司開發的多種車型前車架柔性焊接生產線中一個焊接夾具拼臺為例，設計其氣動控制系統，為焊接夾具控制系統設計提供參考[1][2][3][4]。

1 焊接夾具系統

1.1 焊接夾具結構

焊接夾具系統由兩部分組成：機械結構部分及氣路控制部分，討論的焊接生產線需要完成N111汽油車，N111柴油車，N120汽油車，N120柴油車四種車型前車架總成的焊接，這里只討論其2#拼臺。其機械結構部分見圖1，需要焊接的零件見表1。

1.2 焊接夾具動作要求

根據圖1夾具結構，給出焊接夾具的氣缸定位夾緊功能：

（1）N111&N120汽油車型：01氣缸為舉升機構，02R＼06R＼07R＼02L＼06L＼07L＼氣缸夾緊車架大梁，03R＼05R氣缸夾緊右蓋板B焊合件，03L＼05L氣缸夾緊左蓋板B焊合件，04R＼04L車型切換。

（2）N111&N120柴油車型：01氣缸為舉升機構，02R＼06R＼07R＼02L＼06L＼07L＼03R＼05R＼03L＼05L氣缸夾緊車架大梁，08R＼08L氣缸夾緊地板1#橫梁總成，09氣缸為地板1#橫梁總成推進機構。其要求的動作順序見表2、表3，根據氣缸的功能對氣缸進行分組見表4。

2 氣動控制系統設計

汽車焊接夾具的氣動控制系統一般分三種：純氣控、電氣控制以及PLC控制系統。純氣控控制系統是利用氣源（壓縮空氣）作為工作介質，通過使用氣管將氣控閥及相關控制邏輯元件連接，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。前兩種適用于小規模控制系統，PLC控制系統適用于中、大規?？刂葡到y。本文采用純氣動控制形式，此種控制系統在一些特殊環境下，如高溫、易燃易爆、對電氣設備易造成損壞的潮濕、腐蝕等環境，應用優勢較為明顯[5][6][7]。

2.1 車型切換控制設計

柔性焊接夾具具有適用性、廣泛性、靈活性高的特點，并能節省廠房、設備、人員等投資，是現在夾具設計趨勢，因此其柔性切換控制方式也應滿足廣泛線、靈活性及準確性要求。針對文中討論的柔性焊接夾具2#拼臺的特點，采用具有雙穩態功能手動兩位五通閥MV1、MV2實現車型切換控制，其手動閥處于不同的位置對應不同車型控制系統，MV1實現柴油車與汽油車切換，MV2實現N120與N111車型切換，見圖2；此手動閥閥芯有一個鎖頭，此鎖頭通過氣源進行解鎖，在未通氣時，手動閥處于鎖定狀態，左右都無法換向，運用一個兩位三通按鈕閥PB03進行切換確認，見圖2；在車型切換時，必須按住按鈕PB03，手動閥MV1、MV2才能進行換向，松開按鈕PB03，手動閥處于鎖定狀態，以防止員工誤操作。

2.2 防錯控制設計

焊接夾具要求焊接N120與N111兩種不同車型的柴油車與汽油車，這四種車型的零件差異較小，員工在取件時易混淆。因此必須在控制上設計防錯，避免員工在操作的過程中，拿錯不同車型零件焊接，造成損失情況，也為防止員工未正確切換到對應車型時操作夾壞零件的情況發生。

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，運用常開功能行程開關實現車型切換控制防錯，見圖3，其中：檢測開關F21、F31、H11為零件檢測，其中N120車型控制系統接常閉，N111車型控制系統接常開；F11為夾具切換檢測，用于識別柴油車與汽油車車型。通過此四個檢測開關，控制系統未切換到相對應車型時，即使完成零件安裝，按開始工作按鈕，焊接夾具也不會有任何動作，從而達到防錯保護要求。

2.3 順序動作設計

氣動控制原理動作時序圖是設計、分析氣動控制系統的重要手段，從圖中可以直觀地反映出氣動控制系統中執行元件的狀態以及各個執行元件的相互關系，見圖4、圖5。

根據圖4、圖5可知，焊接夾具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，其工作原理為：

（1）N111汽油車：按住按鈕PB03，將手動閥MV1、MV2切換到右位，使得控制系統處于N111汽油車車型狀態，其控制原理：按下降按鈕PB04，氣控閥MV7換向到左位，氣源控制信號傳輸到氣控閥MV3，使之處于右位，A組氣缸下降，到位后壓下檢測開關A10，控制氣源通過邏輯與閥ZK05、ZK06將控制信號傳輸到氣控閥MV04，使之處于左位，B組氣缸夾緊車架左右大梁，同時壓下檢測開關B11；安裝右蓋板B焊合件，按下按鈕PB01，氣源控制信號通過邏輯或閥OR02、OR01推動兩位三通單氣控閥V01換向到右位，從而使得E組氣缸夾緊右蓋板B焊合件；安裝左蓋板B焊合件，按下按鈕PB02，氣源控制信號通過邏輯或閥OR04、OR03推動兩位三通單氣控閥V02換向到右位，從而使得F組氣缸夾緊左蓋板B焊合件；焊接完成后，按工作完成按鈕PB06，推動氣控閥MV7換向到右位，控制氣源信號傳輸到氣控閥MV04右位，B、E、F組氣缸打開并壓下檢測開關B10，控制氣源通過邏輯與閥ZK02、ZK01將控制氣源信號傳輸到氣控閥MV3使之換向到左位，A組氣缸上升，完成一個工作循環。（2）N120汽油車：按住PB03按鈕，將手動閥MV1切換右位、MV2切換左位，使得控制系統處于N120汽油車車型狀態，其控制原理與N111汽油車相同。（3）N111柴油車：按住PB03按鈕，將手動閥MV1切換左位、MV2切換右位，使得控制系統處于N111柴油車車型狀態，其控制原理：按下降按鈕按鈕PB04，氣控閥MV7換向到左位，將氣源控制信號傳輸到氣控閥MV3，并使之處于右位，升降氣缸01下降，到位后壓下檢測開關A10，控制氣源通過邏輯與閥ZK05、ZK06將控制信號傳輸到氣控閥MV04，使之處于左位，氣缸B組夾緊車架左右大梁，并壓下檢測開關B11，氣源通過單氣控閥V01、V02使得氣缸E、F組夾緊；安裝地板1#橫梁總成，按前橫梁夾緊按鈕PB05，控制氣源信號通過邏輯與閥ZK07傳輸到MV5，并使之換向到左位，C組氣缸夾緊并壓下檢測開關C11，控制氣源通過行程開關C11與邏輯與閥ZK08將控制信號傳輸到MV6使之換向到左位，D組氣缸推進，前橫梁與大梁貼合；焊接完成后，按工作完成按鈕PB06，控制氣源推動氣控閥MV7換向到右位，控制氣源信號傳輸到氣控閥MV4、MV5右位，B、E、F組氣缸打開并壓下檢測開關B10，C組氣缸打開并壓下檢測開關C10；氣源控制信號通過C10、邏輯與閥ZK09使MV06換向到右位，D組氣缸退出，并壓下檢測開關D10；在B、C、D、E、F組氣缸打開后，控制氣源通過邏輯與閥ZK01、ZK02使得MV3換向到左位，A組氣缸上升，完成一個工作循環。（4）N120柴油車：按住PB03按鈕，將手動閥MV1、MV2切換左位，使得控制系統處于N120柴油車型狀態，其控制原理與N111相同。

3 結束語

針對柔性焊接夾具拼臺焊接工藝需求設計其氣動控制系統，實現了車型切換控制，防錯控制以及執行機構順序動作的控制，該控制系統現場應用近一年，實踐證明其控制可靠，主要體現在以下幾個方面：（1）柔性好，實現四種車型控制切換。（2）運用檢測開關設計防錯，保證控制系統嚴密可靠。（3）控制回路層次分明，確保焊接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.氣缸順序動作控制系統設計[J].企業科技與發展，2014，4（368）：13-16.

[4]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.

[5]閆莉敏，吳青松.鋸盤磨削機氣動控制系統設計[J].機床與液壓，2014，42（5）：119-120.

[6]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.

[7]邢靜宜.紙漿模塑餐具生產中整線氣動控制系統的設計[J].機床與液壓，2012，40（20）：96-102.