SU2型汽車座椅卡簧壓裝設備設計

張 璘，張 雷，馬 巖

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

1 引言

汽車座椅制造業在未來市場中將更具競爭力且生產周期響應需求更快，企業在全球互聯環境和日益復雜的產品和流程的未來實現創新，實現價值鏈和利潤的有效轉移，并完成OEM供應鏈協調的數字化和透明化，改善生產過程、降低成本并提高效率，引領生產和創新的轉型[1]。自動化制造和汽車座椅組裝的目標是實現整個制造價值鏈的智能化，包括工藝規劃、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，強調靈活性、集成、協同、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品、設備、生產線、車間、工廠和研發。從而更好滿足客戶不斷變化的需求，充分整合行業特點、產品和工藝特點、構建健康和諧的生產生態系統[2]。

圖1 汽車座椅裝配流程

國內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，不僅難以保證產品質量的穩定，而且容易發生工傷事故[3-4]。目前國內典型自動/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]，各設計結構如圖2所示。現根據實際生產需要設計SU2型座椅卡簧自動壓裝機，通過較簡單的結構特征實現汽車座椅骨架上卡簧的自動壓裝。可實現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量與生產效率。

圖2 國內典型卡簧壓裝設備結構示意圖

2 總體方案設計

2.1 技術要求

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

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

2)結構合理性。使用氣動作為動力輸入，氣動系統可靠且穩定，使用壓力范圍為0.5MPa-1.0MPa；整體結構尺寸適中。

3)模式互換性。系統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定；手動安全調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，主要單元結構如圖3所示，分為：照明支架單元；支架；HMI；左、右壓裝單元；產品定位單元。

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產品定位單元

1)照明單元：結構較簡單，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，結構較簡單。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、壓裝單元和產品定位單元；下部機架箱內裝有儲氣罐。

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，便于查詢人機界面操作說明及系統檢測維修。

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

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

根據上述各單元功能，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作為工業控制的重要支柱，具有適應工業環境，可靠性高、配置靈活、面向過程和用戶等優點[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，能夠進行目前業內最高水平的高速處理，能夠滿足本設備的性能需求。

3.2 氣路系統裝置

氣路系統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。生產場地中輸入氣源經過各氣路系統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。

3.2.2 高壓氣體增壓泵

選用日本SMC公司生產的VBA40A-04gn型高壓氣體增壓泵，在保證各高壓容器、管件、閥門、接頭等產品的高壓氣體密封性的前提下，將0.3-0.8MPa壓縮空氣驅動轉為1.0MPa壓縮氣體從而使設備穩定工作。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。具有壓力穩定性好，啟動響應快、能夠實現回位，維持壓力時能耗低等顯著優點。

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、質量輕及可配磁性開關等優點，能夠符合汽車企業卡簧壓裝生產時精準度和穩定性的要求。

4 控制系統設計

系統程序流程與控制器接口功能如圖6、7所示。為便于設備調試和維護，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品定位處設置中斷處理程序，在是否壓裝到位處設置系統循環，完成座椅前、后卡簧壓裝氣缸回歸初始位置后，進行產品輸送。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，經過AC30-03CG-SV-A三聯件對設備中各氣動裝置輸入1.0MPa的穩定氣壓源。由接口SA1控制SA3開關進行手動調試。手動調試正常后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產品進位、YV1～YV2產品定位及壓緊、YV3～YV5產品側向定位、Y6～Y7座椅前后卡簧壓裝、YV1～YV5解除定位、YV8產品退位，控制器完成卡簧與座椅骨架安裝工藝。

圖6 系統程序流程圖

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主界面。服務信息提供設備基本信息；系統主界面用于設定、顯示設備的各個參數及功能選擇，從上至下依次為：當前狀態、當前生產號、參數設定允許/禁止、產量計數、產量清零、單件生產周期、邊板定位銷自動退回延時、卡簧壓進到保位延時、生產動作狀態。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。操作及信息錯誤發生系統報警，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控，分別用于顯示按鈕、檢測開關對應PLC接口實時狀態及信號接通狀態；信號輸出界面用于顯示各指示燈及電磁閥等外部執行元件對應PLC接口輸出實時狀態。手動截面控制鍵分別為：產品定位、壓緊動作控制、邊板定位、前后卡簧壓裝控制、產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。系統操作界面流程如圖8所示。

圖8 系統操作界面流程示意圖

6 結語

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需要。手動調試后轉全自動生產模式使設備故障率極低且產品效率和質量均有顯著提高，降低了企業生產成本和從業人員的勞動強度，取得良好的經濟社會效益，具有較廣闊的市場應用前景。