汽车顶棚自动生产线探析与实施

杨明才

摘 要：本文的研究针对汽车顶棚自动生产线，主要运用到取料机构、循环链条机构、烘箱、上料机构和压机来完成产品加工，实现了全自动化，具有操作简单、效率高、产品质量优的特点。上料机构的改进达到了取料时定位准确、平稳运送，PU板材在运送过程仍可以横向和纵向调整，全方位做到定位准确。

关键词：汽车顶棚;自动;生产线

1 汽车顶棚自动生产线背景技术

随着人们生活水平地提高，汽车已经走进千家万户，据中汽协发布2019年中国汽车产销量数据显示，本年汽车产销分别完成2，572.1万辆和2，576.9万辆。对于这么一个市场巨大，而技术、资金、人员密集型的产业，如何提高其生产效率，是当下噬待解决的问题。

作为汽车的重要组成部份汽车顶棚，它介于汽车硬内饰与软内饰之间，在生产的时候既要保证硬内饰的高精度，又要解决软内饰由于原材料软造成在工装上如何精确放置的问题;汽车顶棚主流生产方法有干法和湿法两种，现就对于我多年汽车内饰件生产经验而设计制造的顶棚干发生产线进行探讨。

2 汽车顶棚自动化生产的難点探析

（1）如何达到高效率多品种小批量柔性化生产。现有的干法顶棚基材送料大多采用框架送料或抛料方式，框架送料必须保证框架与模具一一对应，这样通用性差，不能满足多品种小批量柔性化生产，而抛料方式利用传送带进行抛料，通用性好，但基材传到模具时候定位精度差，需人工辅助定位，不能达到自动生产的目的。

（2）顶棚生产是将基材与无纺布面料重叠后送到成型模具里模压成型;而基材是热塑性材料，需加热烘烤，两种材料的拉升性不一样，同时面料为软质材料，定位难保证，如何自动地将种材质重叠后送入模具，并保证成型效果。防止褶皱、拉破、缺料等。

（3）要想提高设备综合效率，在保证设备正常运行的情况下，那就必须减少更换工装、模具的时间以及设备调整时间。

（4）要达到自动化生产，自动化控制系统就是设备的大脑，各数据如何的有效采集，系统如何自动的稳定地运行，如何达到工人对设备的一键运行操作。

3 汽车顶棚自动化生产的实施

3.1 机械方面的设计与实施

要达到高效率多品种小批量柔性化生产，我们首先要解决柔性化生产，在此我们将带侧弯板链对称安装在两根大梁上形成闭环的循环链条送料机构，大梁分为上料位、预加热烘烤位，主加热烘烤位、压制成型位和面料上料位，为防止产品成型时拉破，压制成型位的大梁可根据模具的位置设定成型时的高度，再将大梁安装在5套丝杠自动调宽装置上;对于不同的产品，换好模后只要在人机界面上调整相关的参数，如调宽丝杠的宽度，成型位大梁的高度，成型的压力等，就可满足下一个产品的生产。

3.1.1 上料抓取

其包括机架、基材上料车、针刺负压吸附组合抓料机构、伺服电机带动的滚珠丝杠与直线导轨组合升降机构、齿轮齿条传动的基材上料车水平行走机构。设备自动启动时，丝杠带动针刺负压吸附组合抓料机构下降，当感应到基材时伺服停止，针刺负压吸附组合抓料机构抓取基材，抓取基材完成后经由齿轮齿条传动的基材上料车水平行走机构将基材送到基材调整工位的调整托盘上。为保证上料抓取的稳定可靠，针刺负压吸附组合抓料机构采用互成90度错位对插工件、确保能平稳插取工件，加有真空吸盘辅助取料，避免掉料的问题。

3.1.2 基材调整穿刺

此部件由传动、张紧、平推、压料、托料台等几部分组成。基材上料车到达指定位置时，信号反馈到电磁阀，各部件开始顺布动作。托料平台上升到达高位，此时针刺负压吸附组合抓料机构将基材放至托料台上;四组平推气缸分别从横向和纵向对基材进生对中调整，从而保基材放置的准确，然后经压料机构将基材穿刺到带侧弯板链上。

3.1.3 烘烤

汽车顶棚基材为热塑性材料，为保证其成型效果，必需保证基材烘烤到规定的工艺温度，而其烘烤到规定的工艺温度的时间的长短，是制约顶棚产能的瓶颈。为此，我们把基材进行两次烘烤，即预加热和主加热，同时，为节能高效，对烘箱也进行了改进。烘箱机架采用150#方管焊接而成，四周均有100mm厚的保温隔层，加强了保温效果，减少了热损耗;热源上、下两层为远红外线电加热板，它将电能有效转化为远红外辐射能，直接传递给基材，迅速转化为分子热运动，由内向外烘烤，达到快速烘烤目的，并有显著节能效果;每层加热共有10个区，采用西门子S7-200系统进行PID温度控制，使的控温精确，烘箱烘烤稳定性好。

3.1.4 压制成型

经过烘烤后的基材和由面料上料机构送来的面料在此工位叠合后，大梁下降至低位，此时压机下降，将重叠后的基材和面料压制成型。此部分和国内的半自动生产线的原理相同，但本线采用机械定位和拉紧面料，取代了半自动线上的人工操作。提高了工作效率、安全性和产品质量。

3.1.5 面料上料机构

气缸、道轨、滑块、带钉子夹料装置、面料托板。面料供给机构采用两侧钉板夹持式送料，面料铺设完毕后，人工给系统一个信号，面料夹持架抬高至最高位，待压机回程到位后，面料夹持架开始向压机移动同时大梁开始上升。此时主链开始运动，将烘好的基材送至面料下端，夹持架下降，压机下降进行压制成型。当压机到达低位时，面料的夹持架开始返回，进行下一工序的准备工作。

3.1.6 快速换模机构

快速换模主要由移出模台、移出模台举升机构和移模牵引机构组成。移出模台采用200mmx100mm方管和20mm钢板焊接制成，高度为240mm;移除模台机架采用150#方管焊接制成，上面装有两排滑轮机构;压机下模座内设有滑轮举升机构。其能保证普通操作工人按照设备操作规程在无须任何工具的情况下，15分钟内可换一副重达5T的任何模具。以达到快速换模，其操作方便、安全。

3.2 自动化控制系统的设计与实施

3.2.1 自动控制元器件的选择

顶棚生产线自动控制系统硬件包含西门子PLC SIMATIC S7-1200控制器，人机界面KTP1200 Basic PN、数字量输入输出模块、高速计数模块、模拟量输入模块、SINAMICS V90伺服模块、SINAMICS G120变频器模块等。

为确保基材与无纺布面料在压机内精确的重叠，因此采用了绝对值旋转编码器对伺服带动循环链条的运动距离进行检测、运算、重新定位，以防止因循环链条在烘箱中烘烤的热胀冷缩，使的伺服转的圈数一样但循环链条的运动距离却不一定会相同造成的基材与面料重叠不准。同时由于絕值旋转编码器旋转角度用数字输出，不会因干扰发生数据错乱;测量数据为绝对的角度，且在断电时也可存储，因此在任何时候都能读取并算出循环链条的距离，从而有效地防止循环链条送料机构长期运转的积累误差。

对于不同的产品，我们需对大梁宽度进行实时检测并调整。为此选用了磁致位移传感器检测大梁的宽度，该传感器将位置信号转换为绝对位移值，即使断电、重接，数据也不会丢失，更不用重新调零。在工作中与丝杠自动调宽组成闭环的位置控制，换模时只要输入相关的大梁宽度数据，就可以完成产品的切换。

在顶棚的压制成型过程中，不同的产品成型的压力不同，为防止压力波动太大造成的压制成型产品厚薄不均，选用了0-40MPa液压传感器有效的实时采集压力信号，经过PLC进行PID运算精准控制SINAMICS V90伺服带动油泵输出的流量和压力的大小。

烘箱温度控制的精准与稳定，是顶棚生产出合格产品的基本保证;为此我们选用运行稳定、使用简单方便的西门子PLC CPU 224XP来控制;K分度热电将检测烘箱实际温度信号转化为电压信号，经过温度数据采集模块EM231（4路输入热电偶）将电压信号转化成相对应的温度信号，PLC进行PID运算，由数字输出模块EM222 输出24V开关信号来控制三相固态继电器通断从而来控制远红外线发热板的加热。

设备要自动化运行，安全是基础;为此，在所有电机带动的机械运动都安装超限行程保护，在所有不能加防护的运动部件位都安装安全保护光幕。同时能检测的所有设备故障数据都会在人机界面上进行报警提示。

3.2.2 自动化控制所达到的效果

PLC程序经过多次优化和运行。顶棚自动化生产线在自动化系统地控制下，实现了从基材上料、基材对中调整、基材穿刺、预加热、主加热、压制成型、面料上料全部的自动化运行，运行中的所有参数都可在人机界面上查看;为弱化设备操作对工人文化素质的要求。开发了整机一键复位、一键运行程序，达到工人对设备的一键运行操作;由原来的工人来操作设备生产变成了设备拉动工人生产（工人仅需在规定的间取料就行）。

在中国，随着人力成本的不断攀升，如何保证公司、员工的既得利益。加大设备的自动化改造是一个有效的途径。这次我公司的顶棚生产线的投入生产，员工由原来的2人减少到1人，而班产却由原来的200件/班提升到450/班，在提高生产效率的同时大大的降低的工人的劳动强度。

参考文献：

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