一种固定后组合灯LED模组的热熔设备设计

陈德立，陈振宇，舒 奎 ，董天放

(1.大连工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 大连 116034；2.比亚迪汽车工业有限公司 汽车工程研究院，广东 深圳 518118)

0 引言

后组合灯是汽车主动安全的重要组成部分，而其主要的发光源就是采用LED灯，由于大功率LED 芯片散热困难，后组合灯模组化的研发应运而生[1-2]。后组合灯的核心部件就是LED模组，而后组合灯装配关键工序是本体与LED模组的熔接。热熔的效果直接影响后组合灯的配光性能及LED的寿命，热熔点表面光亮程度、是否拉丝等细节都会影响整车的品质[3]。早期汽车后组合灯的热熔是由工人进行熔接的，手动逐个焊接，焊接效果差。为提高生产效率，将焊点累加到一个模块上，由单一的热源进行加热，后组合LED模组熔接效率得到了一定的提高。但是这种方式对于面积小、结构简单的工件熔接效果较为理想，便于保证加热面的均匀[4]。当需要加工的工件结构复杂或者体积较大时，会造成工件受热不均匀，导致熔点拉丝、未熔，一致性差。汽车后组合灯LED模组结构复杂，熔点小而多，热熔点排布空间性强，如果采用单热源模块熔接的方式，会出现热温度控制不精确、传热不均匀，无法满足生产要求。充分考虑到塑料工件脱模后缩水现象，为了达到良好的热熔效果，结合塑料材质熔点特性，开发出单点温控熔接的热熔设备。热熔设备每个热熔头与热熔点的同轴度及安装高度均可调整，并对需要热熔的工件通过工装固定；对于外观相似后组合灯，可通过调整热熔头的数量或布置，实现热熔设备的快速切换，减少热熔工装的开发种类，降低生产成本；热熔头的温度进行实时热熔头的温度进行实时采集和监控，做到恒温智能控制。

1 热熔设备总装及工作原理

1.1 热熔设备总装图

为了生产方便，运用柔性化的设计理念，轿车后组合灯LED模组支架热熔设备由设备主体及独立模架两大部分组成，整体结构紧凑，自动化程度高，只需通过更换模架，可适用不同车型同类产品的生产。如图1所示是热熔设备总装实物图，由工控机、举压机构、加热机构、送料机构、工作台、机架等组成。

1.举压机构 2.操作面板 3.加热机构 4.送料机构 5.机架

热熔设备集成了两个工位，生产效率得到了极大的提升，同时配备双启动按钮及送料、出料滑台，保证操作者的安全生产。热熔设备具有自动与手动两种工作模式，同时配备了人机界面，可手动设置参数、温度及实时显示等，还有故障报警、自动停机以及显示报警信息等功能。

1.2 热熔设备的工作原理

热熔设备采用两工位同时加工的方式，当检测到工装到位后，举压机构动作带动热熔头向下移动，加热管热熔头对准每一个热熔点，热熔头到位后加热LED灯熔接点使其熔化[5]。热熔头复位后风扇动作，快速的对熔接点降温，LED灯带被固定到LED模组本体上，然后进入下一个工件加工环节。

2 热熔设备机械装置设计

2.1 举压机构

举压机构主要由平衡吊、气缸、导轨、垂直移动总成、快速换装总成等组成[6]，如图2所示。通过气缸提供动力，带动与快速换装总成相连接的加热机构垂直移动。为了适应高速化的自动化生产线的要求，提高设备生产计划弹性，提升附加价值而专门设计了快速换装部件。其组成由设备主体的快速夹头、模架通用接口以及快速给电给气等部分组成。快速夹头既有快速夹紧功能，又能起到定位自动找正的作用[7]，快速换装部件采用常闭结构，工作期间即使断电断气，模架也不会掉落，安全可靠。换装过程简单快捷，只需把模架放到滑台上即可，设备能够自动完成进退模架。

图2 举压机构

2.2 加热与送料机构

如图3中A部分所示是热熔设备加热机构。为了便于新车导入时所需的后组合灯工件进行熔接，实现共线生产，加热机构采用独立模架结构，其配备通用电气接口，可快速与设备主体对接，成为一台完整的设备。主要结构有：上下模支架、加热管锁紧结构、预压结构、加热总成及产品工装等组成。加热管锁紧采用装配容易的胀紧套结构，可以保证加热管的同轴度，高度又可调整，工作中降低磨损，增加设备的使用寿命[8]。

图3 加热和送料机构

送料机构如图3中B部分所示，完成对封装后的工件的水平移动。主要作用是在有限的工作范围内，方便操作者放置样品，满足生产工件生产对中的要求。

2.3 气动驱动回路

在气动回路中，气缸通过电磁阀得电、失电而产生前进、后退或者上行、下降的运动[9-10]，由此实现垂直与水平移动机构动作的功能，如图4所示。快速换装部件气缸通气后伸出，钢珠复位，工装模架与夹头分离，气缸回复由缸内弹簧控制。气缸为热熔机的动作部件提供动力，气源统一供给，降低工作环境的噪声。

图4 气动原理示意图

3 电气系统设计

3.1 硬件电路设计

热熔设备系统由智能型电控柜(包括7寸触摸屏、PLC恒温控制系统、DC24V电源、断路器、交流接触器、中间继电器)，48路固态继电器，48路加热管和48路温度传感器以及供电主回路构成。系统以欧姆龙CJ2M-CPU35 PLC为控制核心，具有程序容量大，运算速度高，可扩展性强的优点[11]。PLC使用输入模块CJ1W-ID211与输出模块CJ1W-OD211作为扩展单元；12台温度控制单元共48路温度传感器输入及48路继电器输出。

3.1.1 系统主电路

系统主电路采用三相五线制供电，两路断路器和接触器电路分别给24路加热管供电(加热管R1-R48采用AC220V供电)，断路器作设备的短路保护。合上断路器QF2或QF3后，接触器KM1或KM2主触点吸合，由温度控制单元控制固态继电器KA1-KA24或KA25-KA48的触点闭合，加热管R1-R24或R25-R48开始加热，每相电路供应8路加热管。在加热管供电线路上装设浪涌保护器，来防止电源通断产生的瞬时电流过大给加热管热熔头造成损坏。

3.1.2 系统控制电路

热熔设备采用双工位系统，其中一工位双启动按钮(ID-A0)和二工位双启动按钮(ID-B0)分别控制一工位和二工位的启动运行，采用的双启动按钮能有效的保护电路。复位按钮(ID-A1)为设备的报警复位位；停止按钮(ID-B1)控制设备运行动作的停止及两个主接触器(KM1、KM2)的通断；其他触点控制反映设备状态的指示灯以及气缸执行机构控制点，图5为控制系统的输入回路。

图5 控制系统的输入回路

系统的输出控制回路中有24个输出控制点，其中点OD-A0～OD-B7为PLC输出软继电器触点，点OD-A0和OD-B0控制主接触器通断[12]，其他输出点反映设备运行状态指示灯、吹气降温风扇动作以及气缸执行机构运行等控制，图6为控制系统的输出回路。

图6 控制系统的输出回路

3.1.3 恒温控制系统

热熔设备的恒温控制系统以PLC作为控制器，使用欧姆龙温度控制模块，应用闭环控制原理达到对加热管温度的控制。在温度控制回路中有12台温度控制单元的共48个K型热电偶对一、二工位的热熔加热设备进行温度信号的采集，实现恒温控制，防止温度不满足热熔要求，图7为温度控制回路。

图7 温度控制回路

通过加热管加热热熔头，温度传感器和温控模块进行实时采样，控制器通过温度传感器检测的信号做出动作，当设备的热熔头温度低于温度设定值时，输出控制信号启动加热管开始加热，通过加热管加热使热熔头温度达到设定值。如果热熔头温度超过设定值，控制器停止信号输出使加热管停止加热，热熔头温度下降回到设定值。如此循环往复控制，使热熔头温度稳定在允许的设定温度值波动范围，达到恒温控制要求。

3.2 系统的软件设计

热熔设备系统稳定运行的关键在于PLC程序设计、触摸屏组态的合理性与可行性和温度控制模块的参数设置问题。从生产线操作人员的角度出发，生产设备的操作需求为：“送料→启动→出料”。设备后台运作通过完全程序自动化实现，如图8所示为热熔设备工作流程。

图8 热熔设备工作流程

在对温度控制模块设置中，输入信号选择K型热电偶的采集温度数据，由图7知温度控制单元可以执行4个控制回路的基本ON/OFF 控制或PID 控制，在本系统中选择ON/OFF 控制。在ON/OFF控制时，当 PV(显示)值低于SV(设定)值时控制输出为 ON，当PV值大于或等于SV值时控制输出为OFF。当系统检测的信号不到位，会及时的报警，若出现致命错误时停机待检。

CPU单元与温度控制单元间的数据实时传输，通过分配给作为特殊I/O 单元的温度控制单元传送给CPU 单元的CIO 和DM 区中的字来执行的。操作数据在在DM区中的数据传输给温控单元进行初始化数据，可以交换报警模式、报警迟滞以及使电源处于ON或者重新启动。CIO区和DM区的字可以与温控单元通过I/O刷新连续的交换参数。

3.3 人机界面设计

人机界面是系统与用户进行信息交互的媒介，良好的人机界面设计使系统更加人性化[13]。图9所示为热熔设备的人机交互主界面，主要体现了控制系统的通信连接状态，在主界面上可以查看到所有设备的连接关系。该设备的监控主画面具有系统状态指示、加热电路送电、预热完成指示、生产计数、温度模块传感器差错指示、控制操作以及各个子界面进入选择。

图9 设备主操作界面

4 热熔效果分析

该热熔设备已经在企业投入使用，解决了汽车后组合灯LED模组熔接的难题，热熔效果良好，热熔接点无拉丝，操作方便安全，符合加工熔接的设计要求，可适用于不同车型同类产品的生产，系统控制可以实现参数一键推送。图10是人工热熔与设备热熔的效果对比。

(a) 人工热熔

(b) 设备热熔图10 LED模组热熔图

单点熔接的工艺，对大工件产品的加工提供参考，还可以有效的降低能源消耗。通过该设备研发，可以应对各种形状复杂、焊点多的工件，可以应用在汽车门板热熔、手机外壳等塑料热熔领域。

5 结论

解决了后组合灯LED模组熔接的难点，完成了热熔设备的机械设计和装配，对热熔的恒温智能控制进行了深入研究，实现了热熔设备的自动化生产。该设备对不同车型后组合灯LED模组熔接时，只需更换加热机构模架，具备柔性化设计理念。运行结果表明，产品具有一致性程度高，热熔效果好的优点，提升了生产效率及品质，满足了企业的生产需要，拥有广泛的应用前景。

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