集汽车保险杠打孔和焊接于一体自动化设备研究

吴开军

摘 要：随着现代汽车工业的迅速发展，汽车越来越多的金属构件被工程塑料结构所取代，各类塑料焊接方式在汽车工业得到更广泛的使用。其中，超声波焊接由于具有诸多雨点，成为最主要的联接方法之一。本文选取超声波塑料焊接技术，遵循机电一体化设计思想，把机械与电子装置相关软件及硬件设备结合起来，研发一套新型的焊接设备，将其用于轿车前后保险杆焊接中，大大提升产品质量和劳动生产率。

关键词：汽车保险杠；自动化设备；打孔；焊接

随着大众生活水平的提升，对轿车提出更高的要求，例如：用户要求设置宽敞的乘坐空间、配置舒适座椅、较低噪声等。通过塑料材质制作汽车零部件，不仅可以达到美学与实用之间的完美结合，也并不影响产品制作成本。现阶段，现代汽车上配置的部分零部件制造已经被塑料材料取代，能够达到良好的减重效果，这对有效节约资源、降低温室气体排放发挥着重要的作用。在汽车领域各种塑料焊接方式中，热板焊、超声波焊及电阻焊是最广泛的焊接方式。其中，超声波焊主要用在小型零部件批量身长，是一种具有较大潜力的塑料焊接方式。塑料超声焊接就是运用超声波激发塑料件接触面即塑料分子之间的高频机械振动摩擦产生热量，促使不同塑料件结合面之间能够快速熔化，且在并无压力的条件下迅速融合起来的连接方式。为提升焊接产品质量，设计一套轿车前、后保险杠超声波焊接设备，促使生产产品的成本即劳动力降低。

1.超声波焊接方案设计

1.1超声波焊接机理

超声波振动频率控制在20-20000赫兹的机械波，可以通过耳鼓膜振动促使人听到声音，称作声波[1]。如果其频率超过20000赫兹称作超声波，比20赫兹低称为次声波。超声波焊接原理就是运用超声波在反射面形成驻波，而反射面处在波幅处，如此一来，反射面的物质会出现剧烈振动，从而达到焊接的效果。在超声波焊接操作中，接头位置的能量转换就是因超声波机械能转变为促使塑料融合的热能，其能量变化会在一定程度上影响结合面温度改变情况，进而影响接头位置的质量[2]-[3]。

1.2保险杠定位与夹紧

保险杠主要安装在汽车前端与后端，在汽车造型风格中发挥着重要的作用，它可以诠释车辆外装饰风格。加之，汽车保险杠也是其重要的安全防护装置之一，也成为现代汽车结构主要组成部分，有利于减少汽车损坏及人员伤亡程度。汽车各种设备中，前、后保险杠应该设置固定的位置，保险杠外形如图1（a）所示。根据保险杆结构特点可知，通过外形定位具有简单、可靠地优点，定位底模见图1（b），最外层为硬质铝合金底座，与保险杠接触点为汽巴嘉基聚氨酯。处在液态条件下，将其浇入铝合金底座，依照保险杠样件实施外形凝固，如图1（b）所示。基于此，在运用脱模剂，将保险杠样件和汽巴分开，如此做成相应的底膜，并与保险杠全部贴合，放入、取出均比较方便，确保不会划伤工件表面。前、后保险杠底膜并排设置在一块长度、宽度分别为170mm、1000mm平板上，以此形成传动装置重要组成部分。同时，利用手动快卡，在各位置执行夹紧保险杠。

1.3设计合理地传动装置

为顺利实现焊接自动化，传动装置必须可以在4个工位直线上往复运动，并于1工位顺利实现前保面罩和耳朵板、后保面罩与耳朵板各焊接点之间的焊接。在其他工位顺利实现前保面罩和内衬或者包面罩与内衬12焊点之间的焊接。因前后保险杠焊接处部分点完全重合，结构层面利用一套焊接单元，在焊接前保时，确保前保底模处在焊接位置，如图2所示。进行后保焊接时，将下图平板旋转180o，确保后保处在焊接位置，顺利完成一台设备焊接两种保险杠这一目标。

2.设计合理地传动装置结构

2.1旋转运动操作

传动装置结构中，前、后保处在焊接位置，方可对其进行焊接操作，并依托1-4工位完成。因此，承载底膜平板必须可以执行下列操作：（1）绕着O点执行180o旋转运动；（2）1-4工位开展直线运动。其中，旋转运动时利用Festo摆动气缸来完成，如果摆动气缸经过180o旋转，借助同步齿形带轮传送至 80的轴，并与底膜平板螺连接。基于此，将180o旋转运动传送给底膜平板，通过空心轴，则是根据轴心走线，并通过同步齿形带，获得准确、可靠地传动角度。Festo作为德国一家气动元件生产公司，其所生产的产品具有质量好、可靠性高等优点[4]。本设备运用的摆动气缸，其内部结构属于齿轮齿条形，跟齿轮齿条直线运动以此形成输出轴180o左右摇摆。底膜平板经过旋转操作后，定位则根据气缸完成，底模平板设计两个导套a/b，配置销子的气缸设置在小车平板上。如果对前保进行焊接时，销子

会被插入b孔；而实施后保焊接时，销子插入到a孔，促使底模与小车平板组成一体。实施旋转操作时，底模及销子平板间会出现相对运动，若两个平面之间直接接触，会产生较大的摩擦力，以此产生较大的阻扭矩。这种情况下，必然选取大额定扭矩摆动气缸，这种做法不经济，也缺少充足的空间对摆动气缸进行固定处理。为有效减少摩擦力，本设备选取6只滚轮，固定在小车平板之上，底模平板和小车平板间设置5mm间隙。

2.2直线运动操作

直线运动需要通过固定在小车平板上的伺服电机顺利实现，以电机转动带动输出轴上的齿轮转动，依托固定在支架上的齿条，促使小车平板相对于支架执行直线反复运动。其中，小车平板上的直线反复运动划分4个不同工位，1工位和2工位的距离是45mm，2、3工位两者距离控制为35mm，而3与4工位之间的距离设定為7mm，完全通过PLC有效控制不同工位之间的距离。而通过设置合理地伺服系统，不仅可以保障定位准确，也能确保定位操作后不会发生移动。在支架上设置导轨，对小车平板上设计固定滑块，小车平板对支架开展直线往复运动操作。事实上，就是滑块相对于导轨开展直线往复运动。本研究所选取的导轨、滑块均是德国Star公司所生产的产品，这些产品质量优良，确保导轨和滑块两者间的间隙可调整，轻松完成传递操作。为有效预防程序出现“跑飞”的情况，在电路内运用硬件看门狗、软件陷阱这个双重的保护对策，提升控制操作可靠性[5]。硬件方面则使用光电隔离、浮空供电等技术，有效提升系统抵抗干扰性能。通过一段时间的研究，本系统各功能处于正常运行状态，控制操作非常合理，满足智能通风的要求，对提升天线系统指标发挥不可替代的作用。

结论：

综上所述，塑料材质比较轻，且具有优良的成型加工性能，在过去的几十年之中，大量得以取代传统材料，并广泛用在汽车领域。这台设备研制成功，能有效填补轿车保险杠超声波焊接方面的空白之处，为如何尽可能降低汽车制造成本探索新的发展思路。同时，对轿车生产国际化发挥着良好的示范作用。本文以超声波焊接为研究视角，探析轿车前后保险杠焊接设备传动装置设计情况，以期为类似研究提供重要参考。

参考文献：

[1]黄慧喜.汽车塑料保险杠喷涂工艺流程[J].汽车维修，2017，（2）：20-21.

[2]朱永平，邬坤.汽车保险杠激光打孔机的研制[J].湖北工业大学学报，2015，30（2）：24-27.

[3]崔庆林，周兵，杨德斌等.工业机器人在汽车保险杠二次加工中的应用[J].现代制造技术与装备，2013，（6）：39-40.

[4]肖志，李素雯，孔春玉等.拼焊板保险杠横梁耐撞性的离散优化设计[J].汽车安全与节能学报，2015，6（2）：150-155.

[5]曾文瑜.汽车保险杠冷热流道结合注塑成型工艺CAE优化分析[J].塑料工业，2016，44（3）：83-88.