乘用車轉(zhuǎn)向燈氣密性檢測設(shè)備設(shè)計與分析

曹先雷，胡習(xí)之

（1.廣州維思車用部件有限公司，廣州 510460；2.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641）

0 引言

轉(zhuǎn)向燈是乘用車的重要配置，但是受轉(zhuǎn)向燈的原材料特性、零件合格率、焊接精度與可靠性等因素影響，使少數(shù)轉(zhuǎn)向燈存在泄漏現(xiàn)象。轉(zhuǎn)向燈的密封性不良會引起燈內(nèi)出現(xiàn)起霧、積水、換氣效果變差等現(xiàn)象，這些都影響到轉(zhuǎn)向燈發(fā)光強度、外觀效果、使用壽命以及駕駛安全[1-2]。因此，近年來，隨著產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，密封性檢測技術(shù)逐漸成為行業(yè)內(nèi)研究重點。國內(nèi)，王勇、閻秋生等[3-4]分析了氣泡法、涂抹法、流量法、差壓法等氣密性檢測方法的特點，研究了差壓法在發(fā)動機零部件檢測中的應(yīng)用，具有較高的實用價值。吳春龍等[5]進行了氣泡圖像檢測法研究，但是該系統(tǒng)不能檢測直徑為4 mm以下的氣泡。鐘曉玲等[6]對線束產(chǎn)品的密封結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計分析，但是沒有對線束產(chǎn)品的密封性檢測提出研究。嚴(yán)榮等[7]對線束連接器密封性失效案例進行了水密性驗證，但是對于適于批量生產(chǎn)的氣密性檢測方法沒有進行探討。目前，國內(nèi)鮮有查到關(guān)于線束產(chǎn)品的氣密性檢測報道。

綜上所述研究方法分析，針對乘用車轉(zhuǎn)向燈在裝配及振動摩擦焊接過程中出現(xiàn)的線束密封墊與燈殼配合不良漏氣、燈殼與燈罩虛焊及焊接破裂、線束連接器插孔漏氣等綜合性問題，本研究設(shè)計了乘用車轉(zhuǎn)向燈差壓法氣密性檢測設(shè)備。運用參數(shù)化設(shè)計方法[8]構(gòu)建了三維模型，采用差壓式檢漏法與邏輯控制方法完成了整個氣密性檢測流程，有效地檢出了帶線束的乘用車轉(zhuǎn)向燈氣密性不良品。采用差壓式檢漏法進行產(chǎn)品質(zhì)量管控，可以提高企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力，適宜進行大面積推廣運用。

1 方案設(shè)計

1.1 轉(zhuǎn)向燈產(chǎn)品介紹

一款帶線束連接器的轉(zhuǎn)向燈如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向燈總成

1.2 轉(zhuǎn)向燈泄漏風(fēng)險分析

由于線束內(nèi)部由多根細銅線構(gòu)成，線束內(nèi)部無密封，當(dāng)從燈殼插孔向轉(zhuǎn)向燈內(nèi)部充氣時，燈內(nèi)壓縮空氣會通過線束內(nèi)部的間隙泄漏至大氣中，因此在進行氣密性檢測時，需使用平面橡膠墊密封線束連接器插孔。當(dāng)燈殼與燈罩焊接不良時，當(dāng)線束密封墊與燈殼裝配不良時，當(dāng)線束連接器尾端與線束密封不良時，存在泄漏現(xiàn)象，這種不良品需要剔除。

1.3 設(shè)計方案

經(jīng)過綜合分析，選擇差壓法，擬定以下方案。

上下料由人工完成、氣密性檢測由機器自動完成。根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍要求，左、右轉(zhuǎn)向燈需同時檢測；也可單獨檢測。因此使用2臺差壓式氣密性檢測儀同時對左、右轉(zhuǎn)向燈進行氣密性檢測；設(shè)計一套氣密性檢測工裝，選擇燈殼相對規(guī)則的特征作為轉(zhuǎn)向燈的定位基準(zhǔn)面，采用氣缸夾緊燈殼。由于氣密性檢測時，燈罩內(nèi)會存在一定壓力，出于安全性的考慮，設(shè)計一個直線往復(fù)傳送裝置將氣密性檢測工裝及轉(zhuǎn)向燈移送至保護罩內(nèi)進行氣密性檢測，將檢測區(qū)域與人工操作區(qū)域隔斷，確保作業(yè)安全。采用燈殼插孔密封裝置密封燈殼插孔，采用線束連接器密封裝置密封線束連接器插孔，氣密性檢測儀通過燈殼插孔充入壓縮空氣進行氣密性檢測。由于質(zhì)量管控、追溯原因，需對合格品與不良品作區(qū)分；因此設(shè)計1個氣動刻點裝置，對于合格品在其燈殼上刻印1個標(biāo)識點，表示該產(chǎn)品氣密性檢測合格；如果檢測不合格，則不刻點；以便于人工目測追溯。

設(shè)備采用PLC[9-11]進行電氣控制，采用觸摸屏作為人機交互界面。

2 差壓法氣密性檢測原理分析

被測轉(zhuǎn)向燈內(nèi)腔相當(dāng)于1個容器，差壓式檢漏法通過測量轉(zhuǎn)向燈內(nèi)的氣體壓力降可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)向燈實際泄漏的氣體流量，以達到檢測氣體泄漏量的目的[12-13]。其檢測原理如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)容器是1個無泄漏的工件或者使用相同容積設(shè)置。測試用氣管采用尼龍材質(zhì)硬管，將被檢測件容器與氣密性檢測儀測試端連接，標(biāo)準(zhǔn)容器與氣密性檢測儀基準(zhǔn)端連接。被測件容器與標(biāo)準(zhǔn)容器由氣密性檢測儀提供一個穩(wěn)定的測試氣壓，由高精度電容差動式壓力傳感器[14-15]檢測被測件容器與標(biāo)準(zhǔn)容器的壓力差。其利用傳感器電路板監(jiān)控測試壓力，并檢測出壓力變化，與微處理器連接運算得出1個精確的壓力衰減數(shù)值并由顯示器件顯示出來。

圖2 差壓式檢漏法檢測原理

差壓式氣密性檢測儀的測試步驟分為充氣、穩(wěn)壓、測試和排氣4個階段。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣密性檢測設(shè)備總成如圖3所示，由氣密性檢測儀、氣密性檢測工裝、直線往復(fù)傳送裝置及機架組成。氣密性檢測工裝固定在直線往復(fù)傳送裝置上。機架包括下機架與保護罩。下機架包括PLC控制系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)。

圖3 氣密性檢測設(shè)備總成

3.2 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.2.1 氣密性檢測儀選型

根據(jù)左、右轉(zhuǎn)向燈燈內(nèi)容積大小，結(jié)合后續(xù)新產(chǎn)品檢測的通用性要求，選用2臺法國ATEQ公司制造的差壓式氣密性檢測儀，其型號為F620，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 F620技術(shù)參數(shù)

3.2.2 氣密性檢測工裝設(shè)計

氣密性檢測工裝主要定位、夾緊轉(zhuǎn)向燈并且密封轉(zhuǎn)向燈，對檢測合格件刻印標(biāo)識點。氣密性檢測工裝如圖4所示，包括左燈檢測工裝1、右燈檢測工裝12、電氣連接裝置7、鎖緊旋鈕2、定位套9、底板13等零部件。左燈檢測工裝1包括定位裝置11、氣動夾緊機構(gòu)4、5、6；燈殼插孔密封裝置3、線束連接器密封裝置10、氣動刻點裝置8等零部件。轉(zhuǎn)向燈裝夾定位精度設(shè)計為X、Y方向小于或等于±0.2 mm。

圖4 氣密性檢測工裝結(jié)構(gòu)

（1）燈殼插孔密封裝置

燈殼插孔密封裝置主要密封燈殼插孔部位，并提供一個進氣口，要求密封良好。燈殼插孔密封裝置如圖5所示，包括氣缸、氣管接頭、氣缸固定座、密封件固定座、中空密封件等零部件。

圖5 燈殼插孔密封裝置結(jié)構(gòu)

由于燈殼與燈罩焊接后存在正常變形，平面密封墊對燈殼變形的適應(yīng)性差，會造成差壓泄漏值變大。因此中空密封件與燈殼的接觸部位設(shè)計為半圓形結(jié)構(gòu)，當(dāng)燈殼正常變形時，其半圓形結(jié)構(gòu)始終能有1個圓弧面與燈殼均勻接觸，以保證密封良好。中空密封件材料選用硅橡膠，其硬度為邵氏30°。

當(dāng)氣缸活塞桿伸出時，中空密封件上移壓緊燈殼插孔處密封好，同時密封件固定座與2個機械限位柱接觸，以保證中空密封件壓縮量恒定，使密封腔體的容積不變，從而控制負壓值。中空密封件壓緊力通過減壓閥控制。氣密性檢測時，由于燈殼在力的作用下發(fā)生變形與傾斜，燈殼底面的平面度在0.3 mm以內(nèi)，傾斜角在±1°以內(nèi)能正常測試。

（2）線束連接器密封裝置

線束連接器密封裝置主要封堵線束連接器插孔。線束連接器密封裝置如圖6所示，包括氣缸、氣缸固定板、導(dǎo)向座、密封墊固定座、平面密封墊、密封墊壓板、線束連接器定位板。線束連接器定位板用于定位線束連接器，當(dāng)氣缸活塞桿伸出時，平面密封墊上移封堵線束連接器插孔，平面密封墊壓緊力通過減壓閥控制，以使用較小的壓緊力密封線束連接器插孔，從而提高平面密封墊的使用壽命。

圖6 線束連接器密封裝置結(jié)構(gòu)

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 邏輯控制流程

系統(tǒng)軟件邏輯控制流程如圖7所示。由PLC控制電磁閥驅(qū)動氣缸動作，以實現(xiàn)各執(zhí)行機構(gòu)的運動。由氣密性檢測儀進行氣密性檢測。當(dāng)過程狀態(tài)檢測不良或者氣密性檢測不良時，設(shè)備報警；由人工處理后，方可進行下一步工作。

圖7 系統(tǒng)軟件邏輯控制流程

4.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)備采用歐姆龍CP1H系列PLC進行系統(tǒng)控制，其控制穩(wěn)定；編程簡單，易于調(diào)試，維修方便；I∕O接口模塊豐富，具有通信聯(lián)網(wǎng)功能。PLC通過I∕O接口與現(xiàn)場設(shè)備連接。

4.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個控制系統(tǒng)軟件設(shè)計包括PLC控制程序設(shè)計與氣密性檢測程序設(shè)計。PLC控制程序設(shè)計包括手動控制程序設(shè)計、自動控制程序設(shè)計、初始化程序設(shè)計、報警程序設(shè)計等。

5 實驗及結(jié)果分析

根據(jù)上述方法，制造完成了1臺新設(shè)備，進行了相關(guān)實驗，達到了設(shè)計要求。其總節(jié)拍時間為27 s，人工取放料及目視檢查時間為6 s，其自動化程度實現(xiàn)率為78%。以下實驗選取右轉(zhuǎn)向燈進行實驗。

5.1 線束連接器漏氣驗證

使用實驗室認定合格的1個右轉(zhuǎn)向燈樣件進行設(shè)備標(biāo)定，只密封燈殼插孔時，發(fā)現(xiàn)泄漏量偏大，達到89 Pa。采用排除法驗證出漏氣位置。制作了1套水密性驗證工裝驗證漏氣位置，要求工件裝夾時，燈殼插孔向上，以便于觀察。將工裝放入水中測試，其水密性驗證工裝檢測如圖8所示。

圖8 水密性驗證工裝檢測

水密性測試1：燈殼密封氣缸活塞桿下移密封燈殼插孔，再進行充氣，觀察到線束連接器插孔大約每秒冒出1個直徑約φ3~4 mm小泡。中空密封件與燈殼插孔密封處無冒泡現(xiàn)象。

水密性測試2：燈殼密封氣缸活塞桿下移密封燈殼插孔，同時封堵氣缸活塞桿上移封堵線束連接器插孔，再進行充氣，觀察到無冒泡現(xiàn)象。

將右轉(zhuǎn)向燈通過氣密性檢測設(shè)備進行氣密性檢測驗證。驗證步驟1：燈殼密封氣缸活塞桿上移密封燈殼插孔，再進行氣密性檢測，一共檢測5次；驗證步驟2：燈殼密封氣缸活塞桿上移密封燈殼插孔，同時封堵氣缸活塞桿上移封堵線束連接器插孔，再進行氣密性檢測，一共檢測5次。其漏氣驗證曲線如圖9所示。通過對比測試可以確認線束連接器插孔存在漏氣現(xiàn)象。單獨測試平面密封墊封堵線束連接器插孔時泄漏差壓值在3 Pa以內(nèi)。

圖9 線束連接器漏氣驗證曲線

5.2 氣密性檢測儀工藝參數(shù)驗證

通過對在實驗室內(nèi)密封性能驗證合格的1組標(biāo)準(zhǔn)樣件與1組密封不良樣件進行多次檢測，其氣密性檢測工藝參數(shù)定義如表2所示。

表2 氣密性檢測工藝參數(shù)

5.3 氣密性檢測實驗

（1）對于測試容積有破孔的工件，屬于大的漏氣件，氣密性檢測儀直接提示充氣壓力不足，作為不良品處理。

（2）對1件標(biāo)準(zhǔn)合格樣件、1件密封不良樣件分別進行了5次測試，其差壓測試值如表3所示。可以看出，差壓合格品與不良品均能夠檢測，其重復(fù)檢測精度為1 Pa，設(shè)備檢測精度附合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 差壓測試值

（3）對10件隨機生產(chǎn)的右轉(zhuǎn)向燈進行了氣密性檢測，其差壓檢測曲線如圖10所示。可以看出，該批次隨機生產(chǎn)的10件右轉(zhuǎn)向燈其差壓值在9~12 Pa之間，產(chǎn)品質(zhì)量合格。

圖10 隨機生產(chǎn)差壓檢測曲線

經(jīng)過大批量生產(chǎn)驗證，累計生產(chǎn)4 350件右轉(zhuǎn)向燈。有3件合格產(chǎn)品出現(xiàn)差壓檢測負壓值，均在-5 Pa以內(nèi)，在充許波動范圍內(nèi)。氣密性檢測不良品數(shù)量為50件，其氣密性檢測合格率為98.85%；對50件不良品進行了隔離報廢處理，無不良品流出。

通過對轉(zhuǎn)向燈的生產(chǎn)驗證確認，結(jié)果如下。

（1）氣密性檢測工裝選擇以形狀相對規(guī)則的燈殼作為定位基準(zhǔn)，其定位精度在±0.2 mm以內(nèi)。

（2）采用三點夾緊布局設(shè)計，使夾緊機構(gòu)簡單可靠，提高了設(shè)備穩(wěn)定性。

（3）采用橡膠材質(zhì)的密封件易于轉(zhuǎn)向燈的密封和封堵。帶線束的焊接合格轉(zhuǎn)向燈進行氣密性檢測時，線束連接器未封堵時存在漏氣現(xiàn)象，測試壓力為11 kPa時，轉(zhuǎn)向燈泄漏差壓在70~100 Pa之間。

（4）采用減壓閥可以調(diào)節(jié)控制密封件的壓緊力，防止壓緊力過大，同時機械限位柱可以卸力，從而提高密封件的使用壽命。

（5）設(shè)備檢測時未出現(xiàn)安全問題。

6 結(jié)束語

本研究提出乘用車轉(zhuǎn)向燈采用差壓式氣密性檢測方法進行氣密性檢測，并設(shè)計完成了1臺氣密性檢測設(shè)備，通過分析和實驗得出以下結(jié)論。

（1）半徑為R1.15 mm的半圓形結(jié)構(gòu)橡膠密封件易于變形特征的密封，其能自適應(yīng)被檢測件密封面的平面度為0.3 mm、傾斜角為±1°。

（2）乘用車轉(zhuǎn)向燈使用差壓式氣密性檢測方法易于實現(xiàn)氣密性自動化檢測，該工序自動化程度實現(xiàn)率為78%，提高了工作效率。

（3）線束存在漏氣現(xiàn)象，氣密性檢測時，需要使用密封墊封堵線束連接器插孔，其封堵后的線束差壓檢測值可控制在3 Pa以內(nèi)。采用氣動裝置密封轉(zhuǎn)向燈，穩(wěn)定可靠。采用機械限位柱限制密封裝置上移位置，可使密封腔體的容積不變，其差壓檢測負壓值能控制在-5 Pa以內(nèi)。

（4）采用邏輯控制方法進行過程控制，可有效防止不良品流出，出貨產(chǎn)品氣密性合格率可達到100%。