气液增压技术的单字轮VIN 号码压字设备研究

范成勇，李丽霞，苗继合

（济南中正金码科技有限公司，山东济南 250101）

0 引言

VIN（Vehicle Identification Number，车辆识别代号）由17 位字符组成，包含了车辆生产厂家、年份、车型、车身型式及代码、发动机代码及组装地点等信息，是用于识别辆车，由车辆制造厂指定的一组编码，具有30 年之内在世界范围的唯一识别性[1]。目前，国内乘用车厂家多数采用气动刻划的方式在白车身或零部件（如车身副驾驶座椅横梁、车身流水槽前围）零件上刻划VIN 号码。

打刻头一般有X、Y 两个方向的运动机构和刻划针腔组成，通过定制的工装夹具，使打刻头和零部件的相对位置关系固定，然后刻印出持久性的标识字符。X、Y 方向的两个运动机构由步进电机及驱动器作为动力源，滚珠丝杠作为执行机构，由工业计算机发出指令打刻出特定的字符。由于控制步进电机的电缆虚接、老化、夹具错动、步进电机丢步、气压波动以及其他原因，容易造成字符刻划不良。打刻设备本身造成的VIN 号码字符不良主要表现形式有：号码整体偏移、号码起始位或结束位偏移、局部字符变大或缩小、字符变形、字符间距变化、字符深度不足[2]。出现这种情况就要返修或报废，造成汽车制造厂的成本增加。如果打刻作业在总装线上进行，则出现打刻不良造成的返修或报废成本更高。

1 气液增压原理及优点

增压缸将油压缸与增压器结合为一体，使用纯气压动力，利用增压器大、小活塞截面积的比例，将气压的低压转化成数十倍的油压压力，供应油压缸使用，使其达到液压缸的高压出力。气液增压缸结合了气缸和油缸的优点，使用压缩气压就能达到油压缸的高出力，而不需要液压单元，其优点有动作速度快、传动稳定、缸体装置简单、出力调整容易、能耗低等。

2 气液增压压字机

本文介绍的单字轮旋转的压字机适用在车身零部件领域，压字的零件表面下面不能有空腔，必须有砧板可以衬托。适用于汽车制造厂的焊装车间，座椅横梁、发动机舱前围等零件的压字工作。

压字机的X 向进给机构（横移轴）由伺服电机控制，可以通过控制系统设定字间距的大小。压字机的定制工装夹具起到支撑和定位压号零件的作用。气液增压缸（有压缩空气驱动）执行压字动作。压字机由电气控制系统和工控计算机控制。单字轮伺服电机旋转选字机构，字轮的外圆雕刻有40 个字符（23 个英文字母和0～9 阿拉伯数字以及其他特殊符号）。压字控制系统从生产指示系统获取压字的数据（VIN 号码），并自动校验VIN 号码是否正确、重号。确认正确后，控制对序号选字机构和进给机构伺服电机，实现选字和确定字间距，并通过对气液增压缸的控制实现压字力的控制（图1、图2）。

图1 气液增压压字机结构

图2 气液增压压字机工作流程

2.1 气液增压缸负载能力（压字力）计算

气液增压缸的工作共分三步，初始增压缸处于回位状态，气路为快进回路通气时，液压缸带动前轴下降，预压完毕；气路为增压回路通气时，液压增压活塞下降，进入增压过程；气路为回位回路通气时，增压活塞与前轴回位，完成一个动作。

压头在接触工件前的压力为气压输出力（最大为额定冲压力的1%～5%），接触后气液增压缸自动从预压行程转化为力行程，压力达到油压输出力设定值。上述过程冲击力较小，可以很好地保护字轮，延长字轮使用寿命。气液增压缸的规格选定以后，其油压输出力和输入的压缩空气压力的比例是线性关系。在乘用车制造工厂，气源能够很方便的获取。通过调节输入压缩空气的压力，可以限定压字机的最大压字力。

单个字符的压字力和待压字零件的抗拉强度相关，也和字体的大小、压字深度、字符笔划的角度以及字符笔划的总长度相关。选择增压缸时需按照最复杂字形所需的压字力大小来选择。根据相关资料，常见的汽车用钢板抗拉强度性能见表1、字高对压字力的影响系数见表2。

表1 常用汽车用钢板抗拉强度性能 N/mm2

表2 字高对压字力的影响系数

根据压刻力计算公式：

式中 Fp——压字力，N

通过数字化工艺控制技术，对叉车门架型钢的开发进行研究。选用160Ja型钢进行3 T以内的叉车门架制作，在生产过程中会产生不对称的复杂断面。高精度型钢设计人员在加工中，需要对孔型填充过满、轧制翘头等现象进行控制。同时轧件在多次轧制过程中，还会出现轧制不均匀的变形情况，这需要技术人员对轧件成品的规格尺寸进行控制。通过数字化数值模拟系统，能够完成160Ja型钢的孔型设计和轧制流程模拟，并能够对多次轧制出现的缺陷进行控制。同时利用虚拟网络环境进行数值模拟，能够在节约开发的前提下，完成不同轧制流程的试错，从而生产出符合国家标准的高精度型钢产品。

Rm——钢材抗拉强度，N/mm2

A——字高相关系数，mm2

ST——一次压刻过程中字符的位数

如果需要压字的零件抗拉强度Rm为600 N/mm2，字高为8 mm，一次压1 位字符，代入公式计算可得Fp=600×27×1=16 200 N。推荐预留30%安全裕量，则压刻力为16 200×（1+30%）=21 060 N。因此需要气液增压缸的输出能力至少为21 060 N（压缩空气供给压力0.5 MPa），并根据实物材料试压的结果来选择气液增压缸的大小。

2.2 压字机机架计算

压字机采用C 形机架（单柱式液压机结构，机架开口呈C 形），左、右和前方均为敞开式，方便上下工件。C 形机架由2 块整体的C 形钢板焊接而成，刚度高。为保证压印字符深度的一致性，在最大压刻力下，控制气液增压缸中心线的角位移（相对于无负载状态中心线）不大于3′[3]。

2.3 单个字符压字力的控制

根据国家相关标准的要求，车辆识别代号采用直接打刻的方式进行标示时，乘用车VIN 字码深度应不小于0.2 mm[1]。

利用深度计测量所有字符的压字深度，调整压字深度的一致性。压字力（气液增压缸出力）的控制方法为：设气液增压缸油压缸活塞的面积为S，油压的大小为P油，则有压字力FP=P油×S，即。根据字符对应表中每个字符对应的压字力，可以计算得出字符对应的油压值，并通过实时监测控制当前油压值与设定油压值。

2.4 单字轮旋转选字机构

字轮由伺服电机进行控制选字，通过计算机系统发出指令，伺服电机执行旋转到相应的字符（图3）。字轮外圆的字符可以根据客户需求进行定制。客户可以定制专用字符，以提高VIN 号码的防伪性能。字符一旦雕刻完成，其外形即被固定下来，在压字过程中不会存在大小变化和字符变形的问题。

图3 单字轮伺服电机旋转选字机构

字轮外圆雕刻的字符和字轮原点位置确定好以后即可固定下来，更换新的字轮时也不需做大的调整。为了能够快速选字，常用字符要靠近原点布置。容易磨损的字符可以在字轮外圆上增加备用字符。字轮的材料在淬火后应具备一定的硬度和韧性，一般选择SKD11材料。在选型驱动字轮旋转的伺服电机时，需要考虑转动惯量的匹配。

2.5 砧板材料选择

一般情况下，乘用车压印VIN 号码的零件板材厚度小于1.4 mm，在进行压字作业时零件背面需要砧板进行支撑。砧板的硬度在42 HRC 左右，没有硬度的情况下容易形成压痕。在硬度接近字轮硬度的情况下，容易损坏字轮。

砧板表面和压字零件底面要能很好的贴合，如果压字零件背面和砧板之间有空隙，会造成压印字符周边凹陷。砧板与压字零件接触面应做倒棱处理，必要时根据压字零件的数模进行3D 仿形加工。

2.6 压字机的生产节拍

国内乘用车工厂总装线的产能比较高的每小时可下线60 辆车。本设备采用了快速型气液增压缸，其允许动作频率达到40～65 次/min，压字机单个字符的压字时间小于2 s，完成一组VIN 号码的时间约为35 s，可以满足乘用车工厂的生产节拍要求。

2.7 压字效果和普通气动刻划效果对比

从图4 所示的对比效果可以发现，压字效果笔划更圆润，没有毛刺现象，也没有出现字符的变形、扭曲、歪斜等不良的现象。通过对单个字符进行压字力调整和控制，能够保证一组VIN 号码深度的一致性。

图4 压字效果对比

3 结束语

利用气液增压技术的单字轮旋转VIN 号码压字机，通过对单个字符进行压字力的控制，有效克服了普通气动刻划设备常见的字符缺陷问题，有利于乘用车制造厂家节省制造成本，提高VIN 号码的防伪性能。对于常用汽车高强度钢板，压字深度能够达到0.3 mm 以上，拓印效果清晰、整体效果美观，具有较高推广价值。