■ 余可安，黃小林，蘭建平，曾慶文

汽車排氣管總成是汽車動力系統(tǒng)的關鍵零部件，排氣管的失效，不僅會導致排氣氣壓下降，降低整車的動力性能，而且還造成了車內噪聲大，發(fā)動機及底盤明顯振動等現(xiàn)象。如圖1、圖2為某車型新開發(fā)的B15T消排系統(tǒng)總成和排氣管焊接工藝，為滿足用戶的產(chǎn)能需求及氣密性100%檢測的技術要求，新開發(fā)了一臺排氣管環(huán)焊專機。

1. 設計過程及效果

（1）主要構成 如圖3所示,排氣管焊接專機主要由伺服驅動機構、提搶座機構、焊機、送絲機構（各2套）以及電氣柜等組成。

（2）夾具設計原則 根據(jù)排氣管總成的焊接工藝材料種類、板厚、焊縫位置等因素，采用焊槍靜止不動、工件轉動的焊接運動方式。因此夾具的設計必須確保波紋管的中心與左、右兩側的伺服驅動機構的旋轉中心處于同一直線上（見圖4），但波紋管作為典型非線性彈性元件，具有材料非線性、幾何非線性和大變形等特性，不能像傳統(tǒng)剛性物料一樣進行定位夾緊，需在波紋管兩端使用4套銅質導輪形成V型支撐，同時夾緊機構帶動其上的兩套銅質導輪進行夾緊，確保波紋管中心線與驅動旋轉中心線吻合。

圖1 B15T消排系統(tǒng)總成

圖2 B15T排氣管焊接工藝

（3）雙電動機協(xié)調旋轉焊接 如圖5所示，雙電動機協(xié)調旋轉焊接主要是以臺達DVP系列的PLC做主控單元，控制左、右兩個伺服伺服電動機的同步旋轉，無級調節(jié)焊接速度，從而實現(xiàn)雙電動機的協(xié)調旋轉焊接, 這種方式可以大大降低因焊縫滲漏而引起的質量問題。

（4）旋轉夾具進氣機構 旋轉夾具進氣機構的設計原理：利用軸用旋轉格萊圈的特性，在每兩套軸用旋轉格萊圈（見圖6）之間實現(xiàn)一支氣路的通路。如圖7所示，軸用旋轉格萊圈安裝在固定座6上，氣體通過固定座6進入到固定座6內孔的環(huán)型槽，在軸用旋轉格萊圈的密封作用下，經(jīng)由旋轉軸8上的孔和O形圈9輸出到法蘭7，再通過氣管連直接連接到旋轉夾具上的各個氣缸，從而實現(xiàn)旋轉夾具氣路的通路。

軸用旋轉格萊圈是由一個低摩擦的聚四氟乙烯密封環(huán)與一個O形密封圈所構成，屬于內圓周密封，用于有旋轉或擺動軸、旋轉接頭等處，可承受兩側壓力或交變壓力作用實現(xiàn)雙向的旋轉密封。具有以下特性：①啟動時不爬行，無粘滯現(xiàn)象。②抗磨性及尺寸穩(wěn)定性好。③可承載的密封壓力≤30MPa（速度1m/s時），≤20MPa（速度2m/s時）。

（5）氣密性檢測要求 對傳統(tǒng)汽車而言，排氣系統(tǒng)對整車NVH性能至關重要，排氣管作為乘用車上的一個重要部件，其SOS焊接工藝要求產(chǎn)品的焊接下線必須100%經(jīng)由氣密性設備（見圖8）進行焊縫檢測，不能出現(xiàn)任何的滲漏。

圖3 排氣管焊接專機結構示意

圖4 波紋管定位夾緊示意

圖5 雙電動機變位協(xié)調焊接運動機構

圖6 軸用旋轉格萊圈及其安裝示意

檢測技術要求檢測儀（皖儀LC103或COSMO的DF—24BA）在溫度為（23±5）℃時，檢測壓力在（30±1）kPa下，檢測時間內總成的泄漏量≤30mL/min，并且所有的焊縫處不能出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。

（6）電氣控制流程 專機采用臺達DVP系列的PLC與伺服驅動器之間采用CANopen通信，其硬件組態(tài)圖如圖9所示。

PLC與專機外部輸入、輸出端口的I/O通信，外部輸入的信號經(jīng)I/0傳給PLC，PLC編寫的邏輯梯形圖將輸出信號傳給電磁閥等，這樣使系統(tǒng)更簡單更穩(wěn)定，其控制流程如圖10所示。

（7）人機操作界面 專機的主控核心是PLC，PLC要在獲取足夠的專機工作狀態(tài)信息的基礎上，才能根據(jù)焊接的工作循環(huán)，對外部I/O及伺服發(fā)出相應的控制指令，實現(xiàn)對專機的控制。PLC采用C網(wǎng)通過伺服控制、I/O擴展模塊實現(xiàn)專機與伺服等各電氣控制元件的通信，從而把專機的各個焊接狀態(tài)信息進行精確處理并顯示在觸摸屏上（見圖11）。

2. 焊接專機特點

（1）雙伺服電動機通過精密的RV減速機實現(xiàn)左、右旋轉夾緊機構的同步旋轉，減少了復雜的機械轉動鏈部件，并且左、右旋轉夾緊機構可以單獨控制，方便產(chǎn)品法蘭角度的調節(jié)。

（2）通過軸用旋轉格萊圈，實現(xiàn)多支氣路在旋轉軸上的通路，實現(xiàn)旋轉夾緊機構上的多個氣缸在焊接過程中的定心與夾緊，保證產(chǎn)品法蘭端面與套管的精度要求，保證焊接質量，減小焊接變形。

專機實現(xiàn)了B15T消排系統(tǒng)總成排氣管的自動焊接、松開等一系列程序控制，實施后收到的效果如圖12和圖13所示。

（3）減少相應的設備投資。專機制造成本8.8萬元，市場采購價格約16萬元，直接節(jié)約成本7.2萬元。

圖7 雙電動機變位協(xié)調焊接運動機構

圖8 排氣管氣密性檢測設備

圖9 硬件組態(tài)

圖10 專機控制流程

圖11 專機人機操作界面

（4）改善了工人勞動強度與焊接操作環(huán)境。由原來的手工焊接轉變?yōu)樵O備自動焊接，提升了消排焊接工藝水平。

（5）提高了勞動生產(chǎn)率。由原來的焊接節(jié)拍45JPH提高到了62JPH，快速響應了客戶產(chǎn)能需求的拉動。

（6）提高了產(chǎn)品焊接質量和經(jīng)濟效益。改變了原有手工焊接在氣密性檢測工序時因焊縫質量問題而經(jīng)常引起的返工補焊的被動局面，焊接質量明顯提高，一次焊接合格率達到98%以上。

（7）降低了人工成本，緩解招工難的問題。

（8）N*360°的左、右旋轉夾緊機構不僅可以應用在氣路上，還可以應用在液壓油路上，為類似的產(chǎn)品（如排氣管的OBD螺母焊接、后橋法蘭頭焊接等）環(huán)焊工藝提供了借簽。

圖12 排氣管焊接專機數(shù)模及現(xiàn)場生產(chǎn)效果

圖13 排氣管焊接效果

3. 結語

排氣管焊接專機的開發(fā)優(yōu)化了生產(chǎn)線的焊接工藝，提升了消排焊接工藝水平，在快速響應客戶需求實現(xiàn)生產(chǎn)力的同時，提高了公司自主研發(fā)與技術創(chuàng)新能力，取得很好的效果，增強了公司產(chǎn)品的競爭力。

[1] 蘇志樸.汽車排氣管設計中QFD與FMEA的集成應用研究[J].汽車實用技術，2014，（5）.

[2] 張榮榮, 等.汽車排氣管總成仿真建模及對標[C].2013中國汽車工程學會年會論文集，2013.

[3] 韓淑潔.基于ANSYS的金屬軟管參數(shù)化有限元建模方法[J].制造業(yè)自動化，2011，（11）.