王曉東， 嚴(yán)有權(quán)

（長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春130012）

0 引 言

安全氣囊是汽車安全輔助系統(tǒng)的重要組成部分，目前，關(guān)于安全氣囊本身的安全性問題，逐漸受到汽車生產(chǎn)制造商和消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。安全氣囊標(biāo)牌位于安全氣囊的正上方，一般采用焊接的方式進(jìn)行連接，由于其位置的特殊性，可靠的焊接是保證安全氣囊安全性的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外汽車安全氣囊標(biāo)牌的焊接普遍采用的是超聲波焊接工藝。超聲波焊接具有效率高、強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，但由于其系統(tǒng)過于復(fù)雜，維護(hù)難度比較大，兼容多種產(chǎn)品的成本也較高。此外，超聲波焊接對(duì)配套零部件的加工精度和控制系統(tǒng)的控制精度有著較高的要求，加之缺乏成熟、完善的焊接控制系統(tǒng)，其焊接質(zhì)量也相對(duì)難以控制[1-5]。因此，亟需一種高效率、高可靠性和高兼容性的新型焊接工藝和焊接系統(tǒng)。

熱風(fēng)焊接是利用熱風(fēng)機(jī)噴出的高溫氣流，加熱待焊塑料件進(jìn)行焊接的技術(shù)。在安全氣囊標(biāo)牌的焊接中，熱風(fēng)焊接通過仿形的出風(fēng)口直接向焊接處傳入熱量，使材料軟化產(chǎn)生黏性和可塑性后進(jìn)行焊接，其具有適應(yīng)性（靈活性）強(qiáng)、適用于各種尺寸和形狀的塑料件的優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)針對(duì)汽車安全氣囊標(biāo)牌熱風(fēng)焊接的仿形噴口進(jìn)行過相關(guān)的研究和仿真分析，為采用熱風(fēng)焊接的工藝進(jìn)行安全氣囊標(biāo)牌焊接的可行性提供了先期理論基礎(chǔ)[6]。

本文面向安全氣囊標(biāo)牌熱風(fēng)焊接的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套完整的控制系統(tǒng)。包括系統(tǒng)的總體方案（總體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式等）；針對(duì)工廠環(huán)境設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)；開發(fā)了基于所選硬件的軟件程序及溫控算法；對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集和分析，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)分為運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)交互和溫度控制三個(gè)部分。其中運(yùn)動(dòng)控制主要是通過對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)系統(tǒng)等執(zhí)行元件的邏輯控制來完成焊接所需的裝夾固定、精確定位等工藝動(dòng)作。人機(jī)交互主要是通過操作按鈕、指示燈等電氣元件，以及人機(jī)界面來實(shí)現(xiàn)模式更改、指令下達(dá)、狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)顯示等功能。溫度控制是本系統(tǒng)的控制核心，通過閉環(huán)的控制和優(yōu)化的算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿形出風(fēng)口處的溫度進(jìn)行精確控制。系統(tǒng)采用伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)執(zhí)行元件的模式來保證結(jié)構(gòu)的定位精度。仿形出風(fēng)口處溫度的控制效果是影響最終焊接效果的另一重要因素，因此對(duì)仿形出風(fēng)口處的溫度進(jìn)行精確控制是該系統(tǒng)的一項(xiàng)重要工作。

圖1 焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

標(biāo)牌焊接設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。根據(jù)工藝步驟，將標(biāo)牌焊接設(shè)備設(shè)計(jì)為3個(gè)工位：工位1、工位2、工位3，分別對(duì)標(biāo)牌進(jìn)行熱風(fēng)熱熔、成形焊接及焊接檢測(cè)，并同時(shí)采用安全門和安全光柵對(duì)生產(chǎn)人員進(jìn)行安全保護(hù)。

熱熔工位的目的是利用熱風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的熱空氣對(duì)安全氣囊標(biāo)牌的焊柱進(jìn)行加熱熔融，為焊接做前期的準(zhǔn)備工作。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由支撐機(jī)構(gòu)、熱風(fēng)機(jī)、溫度傳感器、風(fēng)道、仿形出風(fēng)口工裝及其識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成。仿形出風(fēng)口設(shè)計(jì)為快換結(jié)構(gòu)，因此只要根據(jù)不同型號(hào)標(biāo)牌的形狀和尺寸做出與之配套的仿形出風(fēng)口、仿形焊接工裝和仿形檢測(cè)工裝，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種標(biāo)牌產(chǎn)品的兼容焊接。工裝識(shí)別系統(tǒng)則用于工裝防錯(cuò)，以及自動(dòng)地進(jìn)行產(chǎn)品識(shí)別和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫的匹配、執(zhí)行。圖3所示為其中一種標(biāo)牌產(chǎn)品及其仿形出風(fēng)口。

成形焊接工位用于將經(jīng)過熱熔的標(biāo)牌與氣囊外殼進(jìn)行熱鉚焊接，所使用的仿形焊接頭的尺寸形狀將決定焊點(diǎn)的尺寸和形狀。最后的焊接檢測(cè)工位則對(duì)焊接完成件進(jìn)行最后的防錯(cuò)檢測(cè)，除了能將焊接情況告知生產(chǎn)人員以外，還可以防止不良品的下線，增加焊接設(shè)備的安全性和可靠性。

系統(tǒng)采用伺服控制定位系統(tǒng)保障了焊接的速度和精度，采用友好人機(jī)界面增加了系統(tǒng)的易用性，采用熱風(fēng)焊機(jī)配合快換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種產(chǎn)品的兼容，以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)的自動(dòng)調(diào)取、執(zhí)行，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也將大大節(jié)約生產(chǎn)設(shè)備的成本。

圖2 熱熔工位結(jié)構(gòu)

圖3 一種標(biāo)牌產(chǎn)品及其仿形出風(fēng)口

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件主要由控制器、功能模塊、面板、伺服系統(tǒng)、溫度傳感器、位置傳感器、熱風(fēng)機(jī)，以及其他的輔助位置傳感器、執(zhí)行器等構(gòu)成，如圖4所示。

該系統(tǒng)主要針對(duì)的應(yīng)用環(huán)境為工廠的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，因此更多地選用工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)工廠常用的硬件產(chǎn)品。一方面這些產(chǎn)品專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，在溫濕度、IP等級(jí)、電壓等級(jí)等方面的要求更能適應(yīng)工廠的標(biāo)準(zhǔn)配置；另一方面，工廠的設(shè)備維修維護(hù)人員對(duì)相關(guān)產(chǎn)品比較熟悉，便于維修和保養(yǎng)，在備件采購方面也更加容易。表1列出了系統(tǒng)的主要硬件的數(shù)據(jù)。

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)程序主要分為兩部分：一是工藝流程，即主循環(huán)程序，用以實(shí)現(xiàn)上文所述工藝步驟的標(biāo)牌焊接和焊接檢測(cè)，其主要步驟如圖5所示。二是溫控程序，為了保證溫度控制的效率和精度，溫控程序在中斷循環(huán)中采用循環(huán)中斷的方式執(zhí)行，中斷循環(huán)周期設(shè)定為20 ms，圖6所示為循環(huán)中斷的執(zhí)行方式示意圖。

圖4 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

表1 主要硬件參數(shù)表

圖5 主循環(huán)

圖6 中斷循環(huán)

3.2 優(yōu)化PID算法

本系統(tǒng)采用熱電偶對(duì)出風(fēng)口溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過高級(jí)PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象——熱風(fēng)機(jī)功率的實(shí)時(shí)調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)出風(fēng)口溫度的控制。標(biāo)準(zhǔn)的PID算法公式為

式中：KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

式（1）中，積分上下限分別為0和t，因此其傳遞函數(shù)為

為了取得更好的控制性能，該系統(tǒng)采用了控制更優(yōu)的高級(jí)PID算法，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。該算法對(duì)偏差值e（t）進(jìn)行單獨(dú)的微分和積分處理，進(jìn)而減小階躍對(duì)輸出的影響；其次，通過引入微分延遲系數(shù)、比例權(quán)重系數(shù)和微分權(quán)重系數(shù)3個(gè)參數(shù)，對(duì)比例作用和微分作用進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算，結(jié)合系統(tǒng)的自動(dòng)實(shí)時(shí)整定功能使該算法獲得了更好的動(dòng)態(tài)性能。此外，該算法還具備基于積分分離方法的抗積分飽和功能。

圖7 算法結(jié)構(gòu)

其具體公式為

式中：y為輸出值；x為過程值；KP為比例系數(shù)；s為拉普拉斯運(yùn)算符；w為設(shè)定值；TI為積分作用時(shí)間；TD為微分作用時(shí)間；A為微分延遲系數(shù)；B為比例權(quán)重系數(shù)；C為微分權(quán)重系數(shù)。

微分延遲時(shí)間與A的關(guān)系為

3.3 算法的PLC程序?qū)崿F(xiàn)

PID算法的工藝程序塊如圖8所示，圖中各變量的中文注釋，即為各參數(shù)的意義。其中，Output所輸出的PID運(yùn)算結(jié)果（MD330）即為工程量值（單位為℃），對(duì)其進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換后即可對(duì)熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖8 算法的PLC功能塊程序

4 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)使用了西門子精智系列面板來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，除了用于命令下達(dá)、參數(shù)設(shè)定、模式修改等功能之外，還可以實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集并繪制對(duì)應(yīng)的曲線。圖9所示為系統(tǒng)的溫度監(jiān)控界面，在此界面下可以顯示當(dāng)前產(chǎn)品的焊接溫度要求，并且對(duì)當(dāng)前實(shí)時(shí)輸出溫度進(jìn)行顯示，同時(shí)繪制溫度曲線。

4.1 溫度采樣實(shí)驗(yàn)

圖9 監(jiān)控界面及溫度曲線

通過溫度曲線可以對(duì)溫控效果進(jìn)行簡單的觀察，通過圖9所示曲線可以看出，溫度的響應(yīng)比較快，穩(wěn)定性也比較高，而且系統(tǒng)對(duì)溫度的控制盡量減小了超調(diào)，目的是為了避免在發(fā)生超調(diào)時(shí)由于過高的溫度而使得塑料材質(zhì)的特性發(fā)生改變，影響焊接的牢固程度。此外，系統(tǒng)還具備對(duì)實(shí)時(shí)溫度值進(jìn)行采樣采集和記錄導(dǎo)出的功能。通過系統(tǒng)采集的穩(wěn)定后的溫度值也可以對(duì)溫控效果進(jìn)行詳細(xì)的分析。表2為在系統(tǒng)設(shè)定400 ℃焊接溫度的工況時(shí)3個(gè)時(shí)間段內(nèi)的溫度值重復(fù)采樣數(shù)據(jù)（采樣頻率：4 s），通過對(duì)比3組采樣數(shù)據(jù)可以得出：在第10 min溫度采樣的最低值為399.20 ℃，最高值為400.94 ℃；在第20 min溫度采樣的最低值為399.19℃，最高值為400.89 ℃；在第30 min 溫度采樣的最低值為399.24 ℃，最高值為400.93 ℃。該系統(tǒng)控制的溫度波動(dòng)始終在±1.0 ℃范圍之內(nèi)，溫度控制效果優(yōu)良，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方式。

表2 溫度采樣數(shù)據(jù)

4.2 焊接實(shí)驗(yàn)

焊接實(shí)驗(yàn)是在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境下，按照企業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱風(fēng)焊接系統(tǒng)的精度、可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。汽車安全氣囊標(biāo)牌的焊接要求是焊點(diǎn)光滑、飽滿，且無溢焊、缺焊。對(duì)焊接效果的判定主要取決于3個(gè)參數(shù)：焊點(diǎn)的長度（L）、寬度（W）和高度（H）。本文以長城汽車主駕駛安全氣囊CHB131/071 DAB為例，通過重復(fù)抽樣試驗(yàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，圖10為該型安全氣囊對(duì)標(biāo)牌焊點(diǎn)的要求及其極限封樣文件。

試驗(yàn)采取隨機(jī)抽樣和人工尺寸測(cè)量的方式進(jìn)行，樣本容量為3×30。即在1 d的生產(chǎn)過程中，隨機(jī)抽取30個(gè)焊接成品，連續(xù)抽取3 d，記錄其尺寸數(shù)據(jù)，所得的尺寸分布如圖11所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，焊接尺寸全部位于合格標(biāo)準(zhǔn)以上，合格率為100%。尤其是通過高度尺寸的極小波動(dòng)，可以反映出本系統(tǒng)的定位精度和溫控精度都處于比較高的水平。

圖10 安全氣囊焊點(diǎn)要求（單位：mm）

圖11 焊點(diǎn)尺寸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文針對(duì)汽車安全氣囊標(biāo)牌的熱風(fēng)焊接問題設(shè)計(jì)了熱風(fēng)焊接的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、易于維護(hù)等特點(diǎn)。并且利用優(yōu)化PID控制算法對(duì)出風(fēng)溫度進(jìn)行控制。溫度采樣試驗(yàn)和重復(fù)性焊接采樣試驗(yàn)的結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)出風(fēng)溫度的較高精度和較高效率的調(diào)節(jié)控制，而且焊接效果優(yōu)良，良品率高，適合推廣應(yīng)用于汽車安全氣囊標(biāo)牌的焊接過程。同時(shí)，對(duì)于熱風(fēng)焊接技術(shù)在汽車領(lǐng)域、精密焊接領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣具有一定的示范意義。