氣液增壓技術的單字輪VIN 號碼壓字設備研究

范成勇，李麗霞，苗繼合

（濟南中正金碼科技有限公司，山東濟南 250101）

0 引言

VIN（Vehicle Identification Number，車輛識別代號）由17 位字符組成，包含了車輛生產(chǎn)廠家、年份、車型、車身型式及代碼、發(fā)動機代碼及組裝地點等信息，是用于識別輛車，由車輛制造廠指定的一組編碼，具有30 年之內(nèi)在世界范圍的唯一識別性[1]。目前，國內(nèi)乘用車廠家多數(shù)采用氣動刻劃的方式在白車身或零部件（如車身副駕駛座椅橫梁、車身流水槽前圍）零件上刻劃VIN 號碼。

打刻頭一般有X、Y 兩個方向的運動機構(gòu)和刻劃針腔組成，通過定制的工裝夾具，使打刻頭和零部件的相對位置關系固定，然后刻印出持久性的標識字符。X、Y 方向的兩個運動機構(gòu)由步進電機及驅(qū)動器作為動力源，滾珠絲杠作為執(zhí)行機構(gòu)，由工業(yè)計算機發(fā)出指令打刻出特定的字符。由于控制步進電機的電纜虛接、老化、夾具錯動、步進電機丟步、氣壓波動以及其他原因，容易造成字符刻劃不良。打刻設備本身造成的VIN 號碼字符不良主要表現(xiàn)形式有：號碼整體偏移、號碼起始位或結(jié)束位偏移、局部字符變大或縮小、字符變形、字符間距變化、字符深度不足[2]。出現(xiàn)這種情況就要返修或報廢，造成汽車制造廠的成本增加。如果打刻作業(yè)在總裝線上進行，則出現(xiàn)打刻不良造成的返修或報廢成本更高。

1 氣液增壓原理及優(yōu)點

增壓缸將油壓缸與增壓器結(jié)合為一體，使用純氣壓動力，利用增壓器大、小活塞截面積的比例，將氣壓的低壓轉(zhuǎn)化成數(shù)十倍的油壓壓力，供應油壓缸使用，使其達到液壓缸的高壓出力。氣液增壓缸結(jié)合了氣缸和油缸的優(yōu)點，使用壓縮氣壓就能達到油壓缸的高出力，而不需要液壓單元，其優(yōu)點有動作速度快、傳動穩(wěn)定、缸體裝置簡單、出力調(diào)整容易、能耗低等。

2 氣液增壓壓字機

本文介紹的單字輪旋轉(zhuǎn)的壓字機適用在車身零部件領域，壓字的零件表面下面不能有空腔，必須有砧板可以襯托。適用于汽車制造廠的焊裝車間，座椅橫梁、發(fā)動機艙前圍等零件的壓字工作。

壓字機的X 向進給機構(gòu)（橫移軸）由伺服電機控制，可以通過控制系統(tǒng)設定字間距的大小。壓字機的定制工裝夾具起到支撐和定位壓號零件的作用。氣液增壓缸（有壓縮空氣驅(qū)動）執(zhí)行壓字動作。壓字機由電氣控制系統(tǒng)和工控計算機控制。單字輪伺服電機旋轉(zhuǎn)選字機構(gòu)，字輪的外圓雕刻有40 個字符（23 個英文字母和0～9 阿拉伯數(shù)字以及其他特殊符號）。壓字控制系統(tǒng)從生產(chǎn)指示系統(tǒng)獲取壓字的數(shù)據(jù)（VIN 號碼），并自動校驗VIN 號碼是否正確、重號。確認正確后，控制對序號選字機構(gòu)和進給機構(gòu)伺服電機，實現(xiàn)選字和確定字間距，并通過對氣液增壓缸的控制實現(xiàn)壓字力的控制（圖1、圖2）。

圖1 氣液增壓壓字機結(jié)構(gòu)

圖2 氣液增壓壓字機工作流程

2.1 氣液增壓缸負載能力（壓字力）計算

氣液增壓缸的工作共分三步，初始增壓缸處于回位狀態(tài)，氣路為快進回路通氣時，液壓缸帶動前軸下降，預壓完畢；氣路為增壓回路通氣時，液壓增壓活塞下降，進入增壓過程；氣路為回位回路通氣時，增壓活塞與前軸回位，完成一個動作。

壓頭在接觸工件前的壓力為氣壓輸出力（最大為額定沖壓力的1%～5%），接觸后氣液增壓缸自動從預壓行程轉(zhuǎn)化為力行程，壓力達到油壓輸出力設定值。上述過程沖擊力較小，可以很好地保護字輪，延長字輪使用壽命。氣液增壓缸的規(guī)格選定以后，其油壓輸出力和輸入的壓縮空氣壓力的比例是線性關系。在乘用車制造工廠，氣源能夠很方便的獲取。通過調(diào)節(jié)輸入壓縮空氣的壓力，可以限定壓字機的最大壓字力。

單個字符的壓字力和待壓字零件的抗拉強度相關，也和字體的大小、壓字深度、字符筆劃的角度以及字符筆劃的總長度相關。選擇增壓缸時需按照最復雜字形所需的壓字力大小來選擇。根據(jù)相關資料，常見的汽車用鋼板抗拉強度性能見表1、字高對壓字力的影響系數(shù)見表2。

表1 常用汽車用鋼板抗拉強度性能 N/mm2

表2 字高對壓字力的影響系數(shù)

根據(jù)壓刻力計算公式：

式中 Fp——壓字力，N

通過數(shù)字化工藝控制技術，對叉車門架型鋼的開發(fā)進行研究。選用160Ja型鋼進行3 T以內(nèi)的叉車門架制作，在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生不對稱的復雜斷面。高精度型鋼設計人員在加工中，需要對孔型填充過滿、軋制翹頭等現(xiàn)象進行控制。同時軋件在多次軋制過程中，還會出現(xiàn)軋制不均勻的變形情況，這需要技術人員對軋件成品的規(guī)格尺寸進行控制。通過數(shù)字化數(shù)值模擬系統(tǒng)，能夠完成160Ja型鋼的孔型設計和軋制流程模擬，并能夠?qū)Χ啻诬堉瞥霈F(xiàn)的缺陷進行控制。同時利用虛擬網(wǎng)絡環(huán)境進行數(shù)值模擬，能夠在節(jié)約開發(fā)的前提下，完成不同軋制流程的試錯，從而生產(chǎn)出符合國家標準的高精度型鋼產(chǎn)品。

Rm——鋼材抗拉強度，N/mm2

A——字高相關系數(shù)，mm2

ST——一次壓刻過程中字符的位數(shù)

如果需要壓字的零件抗拉強度Rm為600 N/mm2，字高為8 mm，一次壓1 位字符，代入公式計算可得Fp=600×27×1=16 200 N。推薦預留30%安全裕量，則壓刻力為16 200×（1+30%）=21 060 N。因此需要氣液增壓缸的輸出能力至少為21 060 N（壓縮空氣供給壓力0.5 MPa），并根據(jù)實物材料試壓的結(jié)果來選擇氣液增壓缸的大小。

2.2 壓字機機架計算

壓字機采用C 形機架（單柱式液壓機結(jié)構(gòu)，機架開口呈C 形），左、右和前方均為敞開式，方便上下工件。C 形機架由2 塊整體的C 形鋼板焊接而成，剛度高。為保證壓印字符深度的一致性，在最大壓刻力下，控制氣液增壓缸中心線的角位移（相對于無負載狀態(tài)中心線）不大于3′[3]。

2.3 單個字符壓字力的控制

根據(jù)國家相關標準的要求，車輛識別代號采用直接打刻的方式進行標示時，乘用車VIN 字碼深度應不小于0.2 mm[1]。

利用深度計測量所有字符的壓字深度，調(diào)整壓字深度的一致性。壓字力（氣液增壓缸出力）的控制方法為：設氣液增壓缸油壓缸活塞的面積為S，油壓的大小為P油，則有壓字力FP=P油×S，即。根據(jù)字符對應表中每個字符對應的壓字力，可以計算得出字符對應的油壓值，并通過實時監(jiān)測控制當前油壓值與設定油壓值。

2.4 單字輪旋轉(zhuǎn)選字機構(gòu)

字輪由伺服電機進行控制選字，通過計算機系統(tǒng)發(fā)出指令，伺服電機執(zhí)行旋轉(zhuǎn)到相應的字符（圖3）。字輪外圓的字符可以根據(jù)客戶需求進行定制。客戶可以定制專用字符，以提高VIN 號碼的防偽性能。字符一旦雕刻完成，其外形即被固定下來，在壓字過程中不會存在大小變化和字符變形的問題。

圖3 單字輪伺服電機旋轉(zhuǎn)選字機構(gòu)

字輪外圓雕刻的字符和字輪原點位置確定好以后即可固定下來，更換新的字輪時也不需做大的調(diào)整。為了能夠快速選字，常用字符要靠近原點布置。容易磨損的字符可以在字輪外圓上增加備用字符。字輪的材料在淬火后應具備一定的硬度和韌性，一般選擇SKD11材料。在選型驅(qū)動字輪旋轉(zhuǎn)的伺服電機時，需要考慮轉(zhuǎn)動慣量的匹配。

2.5 砧板材料選擇

一般情況下，乘用車壓印VIN 號碼的零件板材厚度小于1.4 mm，在進行壓字作業(yè)時零件背面需要砧板進行支撐。砧板的硬度在42 HRC 左右，沒有硬度的情況下容易形成壓痕。在硬度接近字輪硬度的情況下，容易損壞字輪。

砧板表面和壓字零件底面要能很好的貼合，如果壓字零件背面和砧板之間有空隙，會造成壓印字符周邊凹陷。砧板與壓字零件接觸面應做倒棱處理，必要時根據(jù)壓字零件的數(shù)模進行3D 仿形加工。

2.6 壓字機的生產(chǎn)節(jié)拍

國內(nèi)乘用車工廠總裝線的產(chǎn)能比較高的每小時可下線60 輛車。本設備采用了快速型氣液增壓缸，其允許動作頻率達到40～65 次/min，壓字機單個字符的壓字時間小于2 s，完成一組VIN 號碼的時間約為35 s，可以滿足乘用車工廠的生產(chǎn)節(jié)拍要求。

2.7 壓字效果和普通氣動刻劃效果對比

從圖4 所示的對比效果可以發(fā)現(xiàn)，壓字效果筆劃更圓潤，沒有毛刺現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)字符的變形、扭曲、歪斜等不良的現(xiàn)象。通過對單個字符進行壓字力調(diào)整和控制，能夠保證一組VIN 號碼深度的一致性。

圖4 壓字效果對比

3 結(jié)束語

利用氣液增壓技術的單字輪旋轉(zhuǎn)VIN 號碼壓字機，通過對單個字符進行壓字力的控制，有效克服了普通氣動刻劃設備常見的字符缺陷問題，有利于乘用車制造廠家節(jié)省制造成本，提高VIN 號碼的防偽性能。對于常用汽車高強度鋼板，壓字深度能夠達到0.3 mm 以上，拓印效果清晰、整體效果美觀，具有較高推廣價值。