一種用于汽車安全側氣囊Z型折疊設備的設計

姚佩林

(上海希騰電子信息技術有限責任公司，上海 201806)

0 引言

汽車安全側氣囊是汽車上必不可少的被動觸發的一種保護駕駛員或者乘客的安全保護裝備，大多數汽車上均配備側氣囊，因此氣囊的質量以及被觸發時的彈出速度和壓力會在很大程度上影響人的生命安全。通常，氣囊都是通過折疊方式放置在氣囊安裝袋里面以減少所占用的空間[1，2]。目前市場上主要有3種氣囊折疊方式，分別是卷帶、折袋以及堆袋。由于折疊方式的不同，當氣囊彈開時產生的危害也不一樣，經過調查研究，目前最常用的方式是折袋方式，因為這種折疊方式彈出安全系數最高[3，4]。但是，目前大多數氣囊折疊設備都是半自動化設備，生產效率不高且精度低，導致氣囊安全系數降低。因此需要對目前已有的折疊設備進行優化設計，提高其自動化程度、豐富其功能、提高折疊精度。

1 氣囊折疊設備工作原理及設計要求

氣囊折疊設備的總體結構示意圖如圖1所示。該設計主要通過折疊機構、旋轉機構、跟隨機構和粘貼機構4部分來實現汽車安全氣囊的自動折疊膠粘，即主要通過PLC控制系統控制氣動設備來實現氣囊的旋轉、折疊、壓緊、粘貼及頂出等5個動作。為了提高該設備的自動化程度和氣囊折疊效果，該設備中的左、右旋轉機構通過PLC控制并行上下層交叉Z折袋機構，跟隨機構通過氣壓調節依次推進預緊氣袋折疊，粘貼機構通過傳感器將粘貼、頂出功能集成到系統之中[5，6]，氣囊折疊過程如圖2所示。該設備的設計要求如下：

圖1 氣囊折疊設備總體結構示意圖

圖2 氣囊折疊過程

(1) 將氣袋展開固定，用氣爪夾住氣袋前端，開始以寬度25 mm～30 mm尺寸緊湊向上旋轉。

(2) 保證氣袋不發生刮傷、磨損。

(3) 疊袋過程中，氣袋中間部位保持一定的張緊，不能出現松弛。

(4) 能夠實現柔性加工,可以實現左/右氣袋兩種產品的折疊。

(5) 氣袋疊袋過程實現自動控制(無人工干預)。

(6) 工藝布局要合理，從而保證操作者操作安全方便。

(7) 自動控制系統應以PLC/HMI與手動相結合的方式實現。

2 氣囊折疊設備結構設計

2.1 折疊機構設計

氣囊折疊機構是由上Z型折疊機構和下Z型折疊機構組成。工作時，通過上、下Z型折刀交錯配合的方式實現平鋪的氣囊Z型折疊，當上、下折刀進行配合折疊時，相互插入彼此留有的空隙中，這樣便形成了Z型并且對氣囊起到夾持作用[7-9]。

(1) 上Z型折疊機構結構示意圖如圖3所示。該機構主要由氣缸、連接塊、折刀、折刀固定板、角碼、氣缸固定板和機架組成。氣缸固定板通過角碼垂直安裝在機架上，在氣缸固定板上安裝有5個氣缸，氣缸的下端通過連接塊與折刀固定板相連接，折刀固定板上安裝有Z型折刀。由于5把Z型折刀為相互平行設置，因此上邊連接的氣缸只能呈斜線設置。在工作時，由于相互平行的Z型折刀是交錯運動的，因此在折刀固定板之間安裝有滑塊和滑軌以實現交錯運動。

圖3 上Z型折疊機構結構示意圖

(2) 下Z型折疊機構的結構與上Z型折疊機構基本一致，但是由于氣囊Z型折疊是通過上、下兩個折疊機構的配合工作實現的，因此在工作過程中會伴隨振動沖擊，所以在下Z型折疊機構的氣缸固定板上均勻設置了4根支撐桿，用來平衡工作過程中的振動沖擊，提高了工作精度以及下Z型折疊機構與臺面的連接強度。下Z型折疊機構結構示意圖如圖4所示。

圖4 下Z型折疊機構結構示意圖

2.2 旋轉機構設計

旋轉機構的作用是當汽車安全氣囊展開且固定后，通過上端的氣爪夾住氣袋的前端，以寬度25 mm～30 mm的尺寸向上旋轉2圈，從而保證氣袋前端旋緊。該旋轉機構包括左、右兩個旋轉機構且對稱布置[10]。圖5為左、右旋轉機構結構示意圖，主要包括氣缸、電機、同步鏈、滑塊和導軌。為了保證較高的工作精度、響應速度以及工作穩定性，電機均采用伺服電機。由于滾珠絲杠副具有傳動效率高、運動平穩、使用壽命長等特性，因此Y方向上的傳動采用“伺服電機+滾珠絲杠”的組合形式；由于同步鏈具有較高的傳動比、穩定的傳送速度和較長的使用壽命，因此在X方向上采用“伺服電機+同步鏈”的組合形式進行傳動。為了進一步減少傳動誤差，氣缸采用直線氣缸，且為行程可調式，有利于針對不同尺寸的氣囊進行調節。

圖5 左、右旋轉機構結構示意圖

2.3 跟隨機構設計

跟隨機構的作用是為了保證折疊過程中氣囊的張緊以及防止折疊后由于內外壓差造成氣囊回復原貌。圖6為跟隨機構結構示意圖，主要由尼龍擋板、上固定板、下固定板、支撐桿、氣缸、導軌、滑塊等組成。尼龍擋板安裝在保持架上，在保持架的另一邊安裝有氣缸，通過氣缸驅動滑塊在導軌上的移動來實現尼龍擋板對氣囊的壓緊。由于壓緊過程具有一定的阻力，為了提高工作精度和連接強度，上、下固定板之間設置支撐桿，且下固定板通過螺栓固定在臺面上[11]。

圖6 跟隨機構結構示意圖

2.4 粘貼機構設計

粘貼機構的作用是對折疊后的氣囊進行粘貼，保證氣囊保持折疊壓緊狀態。圖7為粘貼機構結構示意圖，膠帶安裝在下壓固定氣缸的連桿上，且與傳感器相連。粘貼機構整體通過上固定板安裝在臺面下方，為了連接可靠，下方設置4個支撐桿和支撐塊。當氣囊由鋪開狀態變為折疊狀態后，連桿開始工作，膠帶開始粘貼。當傳感器檢測到膠帶粘貼完成后，下方的氣缸工作將氣囊通過頂塊頂出，完成整套折疊工序。

圖7 粘貼機構結構示意圖

3 氣囊折疊設備控制系統設計

該設計中，控制系統采用S7-1200 PLC控制單元，并配備觸摸屏進行信息的交互。當系統工作時，外部傳感器和磁性開關將數據信號傳遞給PLC控制單元，經過控制單元的診斷分析，PLC發出相應指令對各電磁閥進行控制。人機界面如圖8所示，上面有各種數據顯示以及復位、自動、手動、伺服、啟動、停止等按鈕，外部可以通過觸摸屏實現對氣囊折疊機的各類操作。

圖8 氣囊折疊設備人機交互界面

控制系統工作流程為：上電復位→各工位氣缸/電機復位→人工上料→雙手啟動→氣缸伸出將氣袋夾住→電機聯動將氣袋上卷→跟隨氣缸伸出頂住氣袋→夾爪松開退出→上/下層氣缸交叉伸出將氣袋Z型折疊→跟隨氣缸同步推進將氣袋固定防止松開→末端定型氣缸伸出將氣袋四周限位→各氣缸松開復位→伺服聯動復位→自動膠帶粘貼→頂出光幕區域檢測膠帶有無→檢測合格各氣缸復位→裝袋→完成→機構復位→結束。

4 試驗驗證

對該設備樣品進行制造、安裝、調試后，進行了生產試驗，主要對SAB氣袋(兼容左右件)進行折疊壓緊。該產品具體尺寸為578 mm(長)×337 mm(寬)，安全氣囊袋卷成寬度為30±5 mm的Z型，并裝入固定的氣囊殼內。氣囊折疊狀態示意圖如圖9所示。

圖9 氣囊折疊狀態示意圖

試驗結果如圖10所示。生產試驗證明，該設備折疊的氣囊寬度誤差小于2 mm，全程自動化且折疊緊實，滿足汽車安全氣囊折疊要求。

圖10 氣囊折疊生產試驗

5 結語

本氣囊折疊設備的左、右旋轉機構通過PLC控制并行上下層交叉Z折袋機構，跟隨機構通過氣壓調節依次推進預緊氣袋折疊等功能集成到系統之中。其優點是：①上下折疊機構同時運行，保證了折疊過程中的壓力；②左右旋轉機構同時運行，保證了旋轉寬度的準確性以及氣囊前端平整性；③上下折疊機構交錯工作時，跟隨機構同時運動，保證了折疊氣囊壓緊可靠性；④粘貼機構自動膠粘，提高了膠粘精度以及穩定性。通過生產實踐對該設備進行試驗，運行過程中，該設備功能齊全，系統路暢，滿足具體產品的生產要求，達到設備設計要求，證明該設計具有可行性。