王曉東，陳 輝，張宏哲，張 煒，張德江

（1.長春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，長春 130012；2.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012）

0 引言

隨著汽車的行駛速度越來越快，司乘人員對安全行駛的意識不斷增強(qiáng)，越來越多的出廠汽車要求配置安全氣囊，安全氣囊已經(jīng)成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置[1]。研究結(jié)果表明：對稱折疊氣囊在所有的碰撞試驗(yàn)表現(xiàn)中適中，可用于正常坐姿的標(biāo)準(zhǔn)體位乘員的保護(hù)[2]。因此，一種生產(chǎn)效率高、可靠性好的安全氣囊折袋裝置的市場需求是很大的。而在實(shí)際生產(chǎn)中，大多數(shù)的折袋機(jī)構(gòu)多是半自動(dòng)化系統(tǒng)。由于技術(shù)不穩(wěn)定或人為因素造成的生產(chǎn)過程失控，導(dǎo)致氣囊的某些重要質(zhì)量缺陷潛伏下來，可能造成重大事故[3]，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性得不到保障。

此外，可生產(chǎn)的品種單一，生產(chǎn)效率低也是實(shí)際生產(chǎn)中存在的一個(gè)重要缺陷。為克服上述存在的問題，提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量以及設(shè)備的通用性，本文設(shè)計(jì)、開發(fā)一種新型汽車安全氣囊自動(dòng)折袋裝置。

實(shí)踐結(jié)果表明采用本折袋機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行折袋操作，操作過程簡單，生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量能得到明顯的提高，能夠滿足當(dāng)前的生產(chǎn)線要求。

1 安全氣囊折袋裝置原理介紹

對稱折疊是傳統(tǒng)的折疊方式，先將平鋪的氣袋橫向折疊，然后從兩端同時(shí)向中間折袋，具體過程圖1所示。

圖1 對稱折疊流程圖

本裝置完成兩道工序，首先是氣袋的折疊，然后是氣囊端蓋的扣緊和氣囊的壓緊。無論是傳統(tǒng)或是本文所所研究對稱折疊設(shè)備，利用的原理很簡單，都是利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對氣囊進(jìn)行橫向和縱向兩個(gè)方向的纏繞卷袋。但保證卷繞過程的連續(xù)性采用的方法卻是不同的，傳統(tǒng)裝置采用人工操作保證袋的連續(xù)，本裝置通過協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給速度來保證卷袋動(dòng)作的連續(xù)性。所以無論在效率還是在質(zhì)量穩(wěn)定性上面都要比傳統(tǒng)的卷袋裝置要有所提高。而且將扣蓋的工序也集成到該裝置上，通過替換端蓋固模塊滿足不同型號氣囊的扣蓋工序。

2 安全氣囊折袋裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 氣囊折袋裝置的整體機(jī)構(gòu)分布

氣囊折袋系統(tǒng)的具體機(jī)構(gòu)簡圖分布如圖2所示。

圖2 整體機(jī)構(gòu)分布簡圖

該裝置結(jié)構(gòu)總體包含：機(jī)架、三個(gè)卷袋機(jī)構(gòu)、多次折袋機(jī)構(gòu)、操作臺(tái)以及端蓋軋緊機(jī)構(gòu)。相比于現(xiàn)有的折袋裝置的機(jī)構(gòu)分布，本系統(tǒng)多了一個(gè)后卷袋機(jī)構(gòu)和多次折袋機(jī)構(gòu)，并將端蓋軋緊功能集成到系統(tǒng)之中來。其優(yōu)點(diǎn)是：1）兩個(gè)后卷袋機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)行，相比于只有一個(gè)運(yùn)行而言，能在卷袋的過程中讓袋始終保持一定的張緊力，保證卷袋的質(zhì)量，不至于讓袋疏松度過高影響堆袋的高度，讓后續(xù)動(dòng)作無法正常完成。2）添加一個(gè)多次折袋機(jī)構(gòu)既能保證袋的平整性，同時(shí)也能消除不同折袋層數(shù)的要求限制。

2.2 卷袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

卷袋機(jī)構(gòu)是該裝置最重要的核心機(jī)構(gòu)，其主體構(gòu)成如圖3所示，步進(jìn)電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電缸保證袋的連續(xù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。工作狀態(tài)下，汽缸將卷袋裝置推至工作位置，待傳感器檢測到汽缸到位后，在電缸和電機(jī)的協(xié)調(diào)下完成連續(xù)的卷袋動(dòng)作。橫向的進(jìn)給速度保證袋的穩(wěn)定卷繞，縱向的移動(dòng)保證機(jī)構(gòu)的合理工作位置。橫向的移動(dòng)需要與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)工作，所以對橫向運(yùn)動(dòng)要求可調(diào)控。

具體機(jī)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 卷袋機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖

要求可調(diào)控的橫向進(jìn)給可使用電缸驅(qū)動(dòng)，縱向移動(dòng)，可選用無桿氣缸。針對不同的產(chǎn)品可能要求的行程不一樣，本裝置采用兩組無桿缸，缸徑大的作為主缸，缸徑小的作為輔助汽缸，兩者根據(jù)不同的產(chǎn)品選擇配合方式。

為保證傳動(dòng)的效率和穩(wěn)定性，機(jī)構(gòu)中步進(jìn)電機(jī)與卷板的傳動(dòng)方式采用同步帶傳動(dòng)這種靠中間件連接的嚙合傳動(dòng)方式。在電機(jī)選擇完畢，小齒輪齒數(shù)初步確定，齒數(shù)比確定后，就可以初步確定傳動(dòng)系統(tǒng)的一些初步參數(shù)。

如電機(jī)輸入功率為P=600W，額定轉(zhuǎn)速為n=800r/min，小齒輪齒數(shù)為z1=20，齒數(shù)比u=2.0，模數(shù)m=2.0。

小齒輪傳遞力矩為：

2.3 多次折袋機(jī)構(gòu)

為保證卷袋的質(zhì)量，一次卷袋過程中會(huì)有數(shù)個(gè)系列的不同速度的卷袋動(dòng)作。當(dāng)一個(gè)系列的卷袋動(dòng)作完成后，電機(jī)的卷袋動(dòng)作會(huì)停頓一段時(shí)間，這個(gè)時(shí)候?yàn)楸苊庖呀?jīng)卷好的氣袋回溯變形，所以需要對已經(jīng)卷好的袋做壓緊防護(hù)。多次折袋機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件使用葉片式擺動(dòng)氣缸，以葉片式擺動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)壓袋板，擺動(dòng)氣缸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中驅(qū)動(dòng)壓袋板進(jìn)行下壓和上縮動(dòng)作。工作狀態(tài)下，壓袋板處于工作臺(tái)水平位置，一般狀態(tài)下直立放置。本系統(tǒng)共配置四把折袋叉，最多能完成5個(gè)系列的折袋卷袋動(dòng)作，能滿足大部分的安全氣囊的層數(shù)要求。多次折袋機(jī)構(gòu)三維圖如圖4所示。

圖4 多次折袋機(jī)構(gòu)三維圖

2.4 端蓋軋緊機(jī)構(gòu)

卷袋工序完成后，將卷好的氣袋置入到氣囊端蓋盒中。如圖5所示，將下端蓋盒固定于固定模塊上，背力汽缸隨后將下端蓋盒加緊，加緊完畢，舉升汽缸2將其舉升至工作位置，與此同時(shí)兩組滑塊帶動(dòng)兩端的舉升汽缸2向中間平移，平移至中間位置，壓蓋板下壓，氣囊的壓緊和端蓋的封裝工序完成。

不同型號的氣囊端蓋盒，外形尺寸不一樣，用于定位的端蓋盒底部的定位銷直徑與分布各不相同。固定模塊針對不同型號的端蓋盒選擇的適宜連接板。針對不同的產(chǎn)品替換上相相應(yīng)的定位連接板，在面板操作空間下能容納的前提下，本裝置都能對該型號的端蓋盒進(jìn)行扣蓋封裝操作。

3 安全氣囊折袋裝置的控制系統(tǒng)

控制器系統(tǒng)以德國西門子S7-300 PLC 作為控制單元，臺(tái)達(dá)觸摸屏為人機(jī)交互界面。磁感應(yīng)開關(guān)、光電傳感器將外部位置信息傳送至PLC中，經(jīng)過PLC處理判斷，電磁閥及指示燈做出各自的響應(yīng)。如圖6所示，控制面板上設(shè)置控制按鈕、各工位狀態(tài)顯示等信息，以及急停、復(fù)位、手動(dòng)、自動(dòng)等按鈕。一旦出現(xiàn)異常狀態(tài)，能快速反應(yīng)并發(fā)出警報(bào)，顯示報(bào)警工位，提高了日常的生產(chǎn)安全，在一定程度能減少了裝置維修的時(shí)間。

圖5 端蓋壓緊機(jī)構(gòu)

PLC不擅長于大量數(shù)據(jù)的保存以及分析處理，不能處理和保存一些重要的信息，為將大量操作信息、計(jì)量與位置數(shù)據(jù)通過通訊傳遞到PC上進(jìn)行保存和進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，如對日常的警報(bào)，工件信息以及操作者信息等，本系統(tǒng)添加通訊功能，以 PLC作為下位機(jī)，以PC為上位機(jī)，通過實(shí)時(shí)通訊完成數(shù)據(jù)的傳輸。

圖6 人機(jī)交互界面

3.1 氣囊折袋裝置的硬件設(shè)計(jì)

PLC的基本組成一般由四個(gè)部分組成：中央存儲(chǔ)器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出（I/O）模塊和電源。本系統(tǒng)附帶通訊功能，附帶通訊模塊。具體分布如圖7所示。

圖7 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 氣囊折袋裝置的軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備運(yùn)行中，傳感器采集信息，通過輸入模塊轉(zhuǎn)化為電信號，傳送到CPU中，根據(jù)CPU的指令經(jīng)輸出模塊轉(zhuǎn)化為輸出信號，控制外置設(shè)備如電磁閥導(dǎo)、繼電器等實(shí)現(xiàn)各個(gè)工位的汽缸的伸縮，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以及設(shè)備的報(bào)警等各項(xiàng)功能。氣囊折袋裝置具體過程流程圖如圖8所示。

圖8 氣囊折袋裝置工作流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過STEP7-Micro/WIN32軟件編制的PLC程序[4]，經(jīng)過編譯后由編程電纜下載到PLC中，與折袋機(jī)硬件系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。

實(shí)踐測試中，以三種型號的長城副駕駛安全氣囊為測試對象，對每種型號的500次折袋結(jié)果進(jìn)行檢測，具體實(shí)際測試結(jié)果如表1所示。

經(jīng)實(shí)踐結(jié)果表明，本裝置主要技術(shù)參數(shù)如下：

1）產(chǎn)品質(zhì)量：（1）折疊機(jī)構(gòu)所形成的縫隙小于一個(gè)氣袋的厚度（0.5mm）；（2）氣袋堆疊高度不得超過殼體1mm。

2）生產(chǎn)節(jié)拍：每單件＜50秒。

3）通用性：至少三種以上產(chǎn)品。

4）折袋裝置尺寸：3000 mm×2000 mm×800mm。

5）適用氣囊尺寸：長度 150 mm ～ 200 mm；寬度 100 mm ～ 130 mm； 高度 60 mm ～ 100 mm。

表1 三種型號氣囊實(shí)際測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文介紹了安全氣囊折袋裝置的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，將本裝置投入生產(chǎn)運(yùn)行，系統(tǒng)各部分運(yùn)行正常，狀態(tài)良好，達(dá)到預(yù)期目的。經(jīng)實(shí)踐證明，上述的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)正確可行。

[1] 王德誠.安全氣囊市場動(dòng)向和開發(fā)前景[J].中國聚酰胺產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)與市場論壇,2006.

[2] 萬鑫銘、楊濟(jì)匡.氣囊折疊方式對折疊展開作用力影響的仿真[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2005.1.

[3] 劉相權(quán).藥房自動(dòng)化裝置的設(shè)計(jì)于應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2009.7

[4] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC 應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[5] 汪曉光.孫曉瑛.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[6] 郭緒昌.產(chǎn)品制造過程質(zhì)量控制要點(diǎn)[M].大長江配套體系交流學(xué)習(xí)資料,2007.