郑武　韩明军　农振

摘 要：为实现前车架柔性焊接夹具执行机构顺序动作，采用纯气动控制形式，设计其控制系统，并给出控制系统原理回路图。设计的控制系统特点：柔性程度高，实现四种车型切换控制；实现防错，保证控制系统安全可靠；控制回路层次分明，保证焊接夹具各执行机构顺序动作准确；其设计为汽车分拼焊装夹具控制系统的设计提供参考。

关键词：焊接夹具；气动控制；车型切换；防错控制；气缸顺序动作

中图分类号：TG431 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）04-0096-03

Abstract： In order to realize the sequential action of the mechanism of the flexible welding fixture for the front frame， the control system is designed in the form of pure pneumatic control， and the principle circuit diagram of the control system is given. The characteristics of the designed control system are as follows： high degree of flexibility， realizing the switch control of four kinds of vehicles， realizing error prevention， ensuring the safety and reliability of the control system， and making the control loop clear in order to ensure that the sequential actions of each executing mechanism of the welding fixture are accurate； The design provides a reference for the control system design of automobile assembly welding fixture.

Keywords： welding jig； pneumatic control； vehicle switching； anti-misalignment control； cylinder sequential action

焊接夹具是汽车车身制造的关键设备，它对汽车生产制造水平起着至关重要的作用，直接影响汽车生产质量和效率，进而影响公司的效益。其中，气路控制系统是焊接夹具的重要组成部分，它由一定的控制元器件组成的逻辑控制系统来实现焊接夹具执行机构要求的工艺动作，从而达到对车体零部件的定位与夹紧。因此，气路控制系统的好坏决定着焊接夹具定位与夹紧是否准确。以某公司开发的多种车型前车架柔性焊接生产线中一个焊接夹具拼台为例，设计其气动控制系统，为焊接夹具控制系统设计提供参考[1][2][3][4]。

1 焊接夹具系统

1.1 焊接夹具结构

焊接夹具系统由两部分组成：机械结构部分及气路控制部分，讨论的焊接生产线需要完成N111汽油车，N111柴油车，N120汽油车，N120柴油车四种车型前车架总成的焊接，这里只讨论其2#拼台。其机械结构部分见图1，需要焊接的零件见表1。

1.2 焊接夹具动作要求

根据图1夹具结构，给出焊接夹具的气缸定位夹紧功能：

（1）N111&N120汽油车型：01气缸为举升机构，02R＼06R＼07R＼02L＼06L＼07L＼气缸夹紧车架大梁，03R＼05R气缸夹紧右盖板B焊合件，03L＼05L气缸夹紧左盖板B焊合件，04R＼04L车型切换。

（2）N111&N120柴油车型：01气缸为举升机构，02R＼06R＼07R＼02L＼06L＼07L＼03R＼05R＼03L＼05L气缸夹紧车架大梁，08R＼08L气缸夹紧地板1#横梁总成，09气缸为地板1#横梁總成推进机构。其要求的动作顺序见表2、表3，根据气缸的功能对气缸进行分组见表4。

2 气动控制系统设计

汽车焊接夹具的气动控制系统一般分三种：纯气控、电气控制以及PLC控制系统。纯气控控制系统是利用气源（压缩空气）作为工作介质，通过使用气管将气控阀及相关控制逻辑元件连接，组成具有相互逻辑关联的控制系统；电气控制系统主系统是通过气源作为工作介质来驱动执行机构动作，而控制部分由电器开关元件与电磁阀的线圈组成，通过电器组成的逻辑电路来控制电磁阀的换向，实现执行机构动作；PLC控制系统的主系统也是利用气源作为介质驱动执行机构动作，而控制系统是通过PLC来控制。前两种适用于小规模控制系统，PLC控制系统适用于中、大规模控制系统。本文采用纯气动控制形式，此种控制系统在一些特殊环境下，如高温、易燃易爆、对电气设备易造成损坏的潮湿、腐蚀等环境，应用优势较为明显[5][6][7]。

2.1 车型切换控制设计

柔性焊接夹具具有适用性、广泛性、灵活性高的特点，并能节省厂房、设备、人员等投资，是现在夹具设计趋势，因此其柔性切换控制方式也应满足广泛线、灵活性及准确性要求。针对文中讨论的柔性焊接夹具2#拼台的特点，采用具有双稳态功能手动两位五通阀MV1、MV2实现车型切换控制，其手动阀处于不同的位置对应不同车型控制系统，MV1实现柴油车与汽油车切换，MV2实现N120与N111车型切换，见图2；此手动阀阀芯有一个锁头，此锁头通过气源进行解锁，在未通气时，手动阀处于锁定状态，左右都无法换向，运用一个两位三通按钮阀PB03进行切换确认，见图2；在车型切换时，必须按住按钮PB03，手动阀MV1、MV2才能进行换向，松开按钮PB03，手动阀处于锁定状态，以防止员工误操作。

2.2 防错控制设计

焊接夹具要求焊接N120与N111两种不同车型的柴油车与汽油车，这四种车型的零件差异较小，员工在取件时易混淆。因此必须在控制上设计防错，避免员工在操作的过程中，拿错不同车型零件焊接，造成损失情况，也为防止员工未正确切换到对应车型时操作夹坏零件的情况发生。

根据零件特征及夹具结构，运用带常开、常闭复合功能行程检测开关实现零件防错，运用常开功能行程开关实现车型切换控制防错，见图3，其中：检测开关F21、F31、H11为零件检测，其中N120车型控制系统接常闭，N111车型控制系统接常开；F11为夹具切换检测，用于识别柴油车与汽油车车型。通过此四个检测开关，控制系统未切换到相对应车型时，即使完成零件安装，按开始工作按钮，焊接夹具也不会有任何动作，从而达到防错保护要求。

2.3 顺序动作设计

气动控制原理动作时序图是设计、分析气动控制系统的重要手段，从图中可以直观地反映出气动控制系统中执行元件的状态以及各个执行元件的相互关系，见图4、图5。

根据图4、图5可知，焊接夹具执行机构的动作是严格遵循焊接工艺流程顺序动作，其动作间不能存在相互的干扰信号，而且必须有互锁条件，设计其控制回路图见图6，其工作原理为：

（1）N111汽油车：按住按钮PB03，将手动阀MV1、MV2切换到右位，使得控制系统处于N111汽油车车型状态，其控制原理：按下降按钮PB04，气控阀MV7换向到左位，气源控制信号传输到气控阀MV3，使之处于右位，A组气缸下降，到位后压下检测开关A10，控制气源通过逻辑与阀ZK05、ZK06将控制信号传输到气控阀MV04，使之处于左位，B组气缸夹紧车架左右大梁，同时压下检测开关B11；安装右盖板B焊合件，按下按钮PB01，气源控制信号通过逻辑或阀OR02、OR01推动两位三通单气控阀V01换向到右位，从而使得E組气缸夹紧右盖板B焊合件；安装左盖板B焊合件，按下按钮PB02，气源控制信号通过逻辑或阀OR04、OR03推动两位三通单气控阀V02换向到右位，从而使得F组气缸夹紧左盖板B焊合件；焊接完成后，按工作完成按钮PB06，推动气控阀MV7换向到右位，控制气源信号传输到气控阀MV04右位，B、E、F组气缸打开并压下检测开关B10，控制气源通过逻辑与阀ZK02、ZK01将控制气源信号传输到气控阀MV3使之换向到左位，A组气缸上升，完成一个工作循环。（2）N120汽油车：按住PB03按钮，将手动阀MV1切换右位、MV2切换左位，使得控制系统处于N120汽油车车型状态，其控制原理与N111汽油车相同。（3）N111柴油车：按住PB03按钮，将手动阀MV1切换左位、MV2切换右位，使得控制系统处于N111柴油车车型状态，其控制原理：按下降按钮按钮PB04，气控阀MV7换向到左位，将气源控制信号传输到气控阀MV3，并使之处于右位，升降气缸01下降，到位后压下检测开关A10，控制气源通过逻辑与阀ZK05、ZK06将控制信号传输到气控阀MV04，使之处于左位，气缸B组夹紧车架左右大梁，并压下检测开关B11，气源通过单气控阀V01、V02使得气缸E、F组夹紧；安装地板1#横梁总成，按前横梁夹紧按钮PB05，控制气源信号通过逻辑与阀ZK07传输到MV5，并使之换向到左位，C组气缸夹紧并压下检测开关C11，控制气源通过行程开关C11与逻辑与阀ZK08将控制信号传输到MV6使之换向到左位，D组气缸推进，前横梁与大梁贴合；焊接完成后，按工作完成按钮PB06，控制气源推动气控阀MV7换向到右位，控制气源信号传输到气控阀MV4、MV5右位，B、E、F组气缸打开并压下检测开关B10，C组气缸打开并压下检测开关C10；气源控制信号通过C10、逻辑与阀ZK09使MV06换向到右位，D组气缸退出，并压下检测开关D10；在B、C、D、E、F组气缸打开后，控制气源通过逻辑与阀ZK01、ZK02使得MV3换向到左位，A组气缸上升，完成一个工作循环。（4）N120柴油车：按住PB03按钮，将手动阀MV1、MV2切换左位，使得控制系统处于N120柴油车型状态，其控制原理与N111相同。

3 结束语

针对柔性焊接夹具拼台焊接工艺需求设计其气动控制系统，实现了车型切换控制，防错控制以及执行机构顺序动作的控制，该控制系统现场应用近一年，实践证明其控制可靠，主要体现在以下几个方面：（1）柔性好，实现四种车型控制切换。（2）运用检测开关设计防错，保证控制系统严密可靠。（3）控制回路层次分明，确保焊接夹具各执行机构顺序动作准确。

参考文献：

[1]方昌林.液压、气压传与控制[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]SMC（中国）有限公司.现代实用气动技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]韩明军，郑武，农振，等.气缸顺序动作控制系统设计[J].企业科技与发展，2014，4（368）：13-16.

[4]韩明军，郑武，农振，等.气缸顺序动作的3种不同控制系统对比分析[J].企业科技与发展，2014，9（373）：31-34.

[5]闫莉敏，吴青松.锯盘磨削机气动控制系统设计[J].机床与液压，2014，42（5）：119-120.

[6]唐德栋，舒庆，刘瑞，等.全气动多缸行程程序控制系统的快速设计[J].机床与液压，2013，41（10）：93-94.

[7]邢静宜.纸浆模塑餐具生产中整线气动控制系统的设计[J].机床与液压，2012，40（20）：96-102.