王 風(fēng)
( 廣東省技師學(xué)院質(zhì)量技術(shù)系，廣東 惠州 516100)
摘要: 介紹了汽車塑料件的生產(chǎn)現(xiàn)狀、工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r以及自動(dòng)化技術(shù)在汽車料件生產(chǎn)中的應(yīng)用狀況，并簡要論述了自動(dòng)化技術(shù)對(duì)汽車塑料件生產(chǎn)過程的積極促進(jìn)意義。
關(guān)鍵詞: 自動(dòng)化技術(shù); 汽車塑料件; 成型; 生產(chǎn); 應(yīng)用
當(dāng)今社會(huì)，人們的出行和工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的流通更加頻繁，汽車作為交通運(yùn)輸工具達(dá)到了前所未有的發(fā)展高度，傳統(tǒng)的汽車普遍采用鋼鐵材料，不僅造價(jià)高，而且車身重，生產(chǎn)成本和能源消耗大; 隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，“以塑代鋼”已經(jīng)成為當(dāng)代汽車生產(chǎn)和制造的主導(dǎo)思想，進(jìn)而推動(dòng)了汽車塑料件生產(chǎn)的快速發(fā)展。根據(jù)汽車塑料件的結(jié)構(gòu)、尺寸等特點(diǎn)，汽車塑料件的生產(chǎn)涉及原材料選擇、成型方法的確定、涂裝、后處理、裝配等多個(gè)工藝過程，傳統(tǒng)的汽車塑料件生產(chǎn)過程依賴工人的工作經(jīng)驗(yàn)，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，因此生產(chǎn)效率較低［1］。
20 世紀(jì)中期出現(xiàn)的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)是一種集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)字算法等為
一體的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)控制技術(shù)，能夠以機(jī)器取代人工，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的合格率。將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于汽車塑料件生產(chǎn)中，具有十分積極的經(jīng)濟(jì)意義，因此也是國內(nèi)外大中型汽車零配件制造企業(yè)首選的生產(chǎn)技術(shù)之一，本文主要圍繞自動(dòng)化技術(shù)在汽車塑料件生產(chǎn)中的應(yīng)用展開論述。
1 汽車塑料件的生產(chǎn)現(xiàn)狀
對(duì)于汽車而言，車身塑料化是主流的發(fā)展方向，汽車塑料件主要包括汽車保險(xiǎn)杠外殼、底盤蓋板、進(jìn)氣柵格、車燈燈罩、翼子板等汽車外覆蓋件，以及儀表盤、座椅填充物、座墊、腳墊、方向盤套等汽車內(nèi)飾件，它們均是以塑料為原材料，經(jīng)過不同的生產(chǎn)工藝加工而成的塑料制品。表 1 給出了幾種不同部位汽車塑料件的原材料類型及采用的成型方法［2］。
由表 1 可知，注塑成型是汽車塑料件最常用的成型工藝，汽車塑料件的結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，對(duì)其機(jī)械強(qiáng)度尤其是沖擊強(qiáng)度的要求較高，汽車塑料件生產(chǎn)商在完全掌握產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能之后，才能確定合適的生產(chǎn)工藝，選擇合理的工藝參數(shù)和控制方法，最終生產(chǎn)出高質(zhì)量的汽車塑料件產(chǎn)品，典型的汽車塑料件生產(chǎn)工藝流程如圖 1 所示。
2 工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展概述
工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)利用了控制理論、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)手段，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)全過程的檢測、控制和優(yōu)化，以達(dá)到高產(chǎn)量、高合格率、高安全性的生產(chǎn)目的; 工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)以提高生產(chǎn)效率、獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益為最終目標(biāo)，能夠幫助企業(yè)更好地規(guī)劃生產(chǎn)過程、提升企業(yè)的生產(chǎn)管理水平。工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)最早起源于 20 世紀(jì) 40 年代，隨后經(jīng)歷了兩次較大的革新，直到進(jìn)入 21 世紀(jì)，自動(dòng)化技術(shù)達(dá)到了較高的水平，指導(dǎo)企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)過程。表 2 給出了工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展歷程［3］。
在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中，普遍采用的是現(xiàn)場總線控制技術(shù)，與生產(chǎn)車間的智能設(shè)備相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的一體化。而工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，也需要其他技術(shù)的共同發(fā)展，例如 PLC 控制技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、同步控制技術(shù)等，單一的自動(dòng)化技術(shù)無法全面控 制生產(chǎn)全流程，與 PLC 控制技術(shù)、局域網(wǎng)、智能儀表等結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的管控一體化; 與監(jiān)控技術(shù)、同步控制技術(shù)等結(jié)合，可以實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)流程，進(jìn)一步提高工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。
3 汽車塑料件生產(chǎn)中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用
結(jié)合圖 1 可看出，汽車塑料件的主要成型工藝有注塑成型、模壓成型、熱壓成型等，不同的成型工藝 對(duì)成型設(shè)備、成型控制技術(shù)水平等的要求也不盡相同，采用自動(dòng)化技術(shù)有助于生產(chǎn)加工企業(yè)提高生產(chǎn)效率，并得到更多高附加值產(chǎn)品，提高企業(yè)的生產(chǎn)效益。
3. 1 PLC 控制技術(shù)
PLC 控制技術(shù)具有邏輯控制、數(shù)據(jù)處理和輸送等功能，PLC 控制系統(tǒng)由中央處理單元、輸入/輸出單元、功能模塊、連接設(shè)備等組成，PLC 控制系統(tǒng)在工作時(shí)可對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行循環(huán)掃描，首先需要進(jìn)行模擬調(diào)試，在調(diào)試通過后才能運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中。
汽車塑料件的成型是汽車塑料件生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中最重要的步驟，尤其對(duì)于汽車內(nèi)飾件的成型過程，當(dāng)前的大部分企業(yè)還是利用需要人工操作的成型機(jī)，不同生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量差異較大，且生產(chǎn)記錄不夠完善，生產(chǎn)效率低。利用 PLC 控制技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場總線控制技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)等，對(duì)傳統(tǒng)的汽車內(nèi)飾件生產(chǎn)線進(jìn)行工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警、故障顯示和自動(dòng)診斷，同步監(jiān)控技術(shù)可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高精度等［4］。
在汽車塑料件生產(chǎn)流程中，后處理過程最終的生產(chǎn)環(huán)節(jié)是噴涂，使其具有不同的顏色，這也是人們對(duì)個(gè)性的追求，而對(duì)汽車塑料件進(jìn)行噴涂需要進(jìn)行專業(yè)的設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)的生產(chǎn)控制技術(shù)，傳統(tǒng)的噴涂車間在設(shè)備利用、人工分配等方面，無法做到完全的自動(dòng)化控制，采用自動(dòng)化控制技術(shù)結(jié)合 PLC 技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制。例如，應(yīng)PODIBUS-DP 現(xiàn)場總線控制技術(shù)，首先搭建設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)，并用 PLC 的以太網(wǎng)通信模塊形成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可將不同設(shè)備層系統(tǒng)聯(lián)系在一起; 在硬件選擇方面，確定好輸送鏈系統(tǒng)處理器、過程控制系統(tǒng)控制器、廢棄和廢水處理系統(tǒng)控制器等，軟硬件的結(jié)合，加上合適的編程，將龐雜的系統(tǒng)劃分為可控的小系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可控性; 不僅解決了噴涂車間不同工序的信息聯(lián)絡(luò)問題，還有效提高了對(duì)噴涂車間的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)的安全性，也降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，對(duì)汽車塑料件生產(chǎn)制造企業(yè)具有積極的 參考意義［5］。
3. 2 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)
利用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助完成工業(yè)生產(chǎn)的過程，在當(dāng)代汽車塑料件生產(chǎn)企業(yè)中具有普遍的應(yīng)用。
計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)包括 CAD ( 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)) 、CAE ( 計(jì)算機(jī)輔助工程) 、CAM ( 計(jì)算機(jī)輔助制造) 、CAQ ( 計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量控制) 等。在實(shí)際生產(chǎn)中，可選用一種或同時(shí)采用多種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，以提高汽車塑料件的自動(dòng)化生產(chǎn)水平。CAD 技術(shù)是指運(yùn)用各種 CAD 計(jì)算機(jī)軟件提前設(shè)計(jì)好汽車塑料件的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合塑料件的質(zhì)量、尺寸和性能要求，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，例如改變倒角尺寸和角度、增設(shè)加強(qiáng)筋等，利用汽車塑料件的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)好成型模具的結(jié)構(gòu)和尺寸。隨后，將 CAD 軟件設(shè)計(jì)好的成型模具圖紙導(dǎo)入 CAE 軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)劃分、分型面設(shè)計(jì)、成型工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化等。Moldflow 軟件是最常用的 CAE 軟件，可以模 擬成型工藝的全過程，Moldflow 軟件具有龐大的數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)設(shè)計(jì)人員提供的產(chǎn)品參數(shù)自動(dòng)選擇原材料、模具澆口位置、冷卻和澆注系統(tǒng)、熱流道和冷流道的分布設(shè)計(jì)、型腔的數(shù)目和結(jié)構(gòu)確定、開模頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等，并將汽車塑料件的成型過程完全直觀地展示在計(jì)算機(jī)頁面上，預(yù)測產(chǎn)品缺陷，并自動(dòng)查找缺陷產(chǎn)生的原因，通過多次模擬分析，可將錯(cuò)誤降到最低，最終得到最優(yōu)的成型工藝。由 CAD 和 CAE 共同確定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和成型工藝流程及參數(shù)等可利用CAM 技術(shù)展示出來，將 CAM 軟件與數(shù)控機(jī)床結(jié)合，控制數(shù)控機(jī)床刀具的運(yùn)行路線，能夠得到更精確、更穩(wěn)定的汽車塑料件產(chǎn)品。CAQ 能夠?qū)庸さ玫降钠囁芰霞M(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，解決汽車塑料件質(zhì)量不合格的問題，并及時(shí)進(jìn)行修飾處理，提高最終產(chǎn)品的合 格率［6］。不同的計(jì)算機(jī)軟件之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互相傳輸，大大降低了傳統(tǒng)汽車塑料件生產(chǎn)過程中的計(jì)算工作量，解放了人力; 只需要操作計(jì)算機(jī)鍵盤或某些按鈕即能夠控制生產(chǎn)的全過程，且控制精度更高。
3. 3 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)
工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是采用機(jī)器代替人力的生產(chǎn)技術(shù)，在汽車塑料件的自動(dòng)化生產(chǎn)加工中，機(jī)器人起著至關(guān)重要的作用，只需要對(duì)它進(jìn)行一定的編程，就可以高效率地完成人工難以進(jìn)行的工作。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在汽車塑料件生產(chǎn)加工領(lǐng)域中，主要經(jīng)歷了三個(gè)階段: 第一階段，初級(jí)應(yīng)用階段。這時(shí)期主要是氣動(dòng)機(jī)器人，對(duì)汽車塑料件制品進(jìn)行簡單的包裝、拆卸等工作。第二階段，快速發(fā)展階段。由氣動(dòng)機(jī)器人發(fā)展為伺服機(jī)器人，可進(jìn)行人工編程操作控制，能夠執(zhí)行更多的工作任務(wù)，工作速率明顯提高，提高了塑料件制品的生產(chǎn)效率。第三階段，未來階段。這一階段目前只存在于國外一些先進(jìn)的汽車塑料件制造企業(yè)中，這類機(jī)器人可以通過自動(dòng)化控制單元進(jìn)行零部件的裝
配、尺寸測量、噴涂等較為復(fù)雜的工作，且完成工作的精度更高。圖 2 給出了一種汽車塑料件生產(chǎn)用機(jī)器人的工作圖片，可以看出，工作現(xiàn)場不需要人工參與，機(jī)器人即可自動(dòng)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)［7－8］。
上述內(nèi)容給出了汽車塑料件生產(chǎn)中的自動(dòng)化技術(shù)理論，實(shí)際的汽車塑料件生產(chǎn)加工流程中利用理論知識(shí)做指導(dǎo)，往往將多種自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，對(duì)生產(chǎn)的過程進(jìn)行重新規(guī)劃或改進(jìn)，獲得了較好的效果。例如，在包裝生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的人工包裝流程中取料、捆扎、封箱、碼垛等所有的過程均需要人工操作，改進(jìn)后的自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線，運(yùn)用自動(dòng)化控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)和碼垛系統(tǒng)，使整個(gè)包裝生產(chǎn)過程都可以采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行操作，能夠快速且精準(zhǔn)地完成汽車塑料件的包裝過程。汽車塑料外飾件的自動(dòng)涂裝生產(chǎn)線，包括水洗、噴涂、烘干、空氣供應(yīng)、輸送系統(tǒng)、廢水處理及消防系統(tǒng)等，能夠利用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)涂裝操作，技術(shù)人員只需要提前設(shè)計(jì)好生產(chǎn)工藝參數(shù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控操作過程，就可快速輕松地完成涂裝的生產(chǎn)過程，獲得高效率、高精度的涂裝塑料件產(chǎn)品［9－10］。
4 結(jié)論
汽車車身塑料化是汽車行業(yè)發(fā)展的必然方向，汽車塑料件的生產(chǎn)技術(shù)水平也直接決定著汽車行業(yè)技術(shù)水平的高低，傳統(tǒng)的汽車塑料件過度依賴人工，因此生產(chǎn)過程效率低，且得到的汽車塑料件產(chǎn)品合格率低，采用工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)可以從根本上改善這種狀況，獲得質(zhì)量更優(yōu)的汽車塑料件產(chǎn)品。工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)自首次開發(fā)至今已經(jīng)歷了大半個(gè)世紀(jì)，經(jīng)過了幾個(gè)不同的發(fā)展階段，在汽車塑料件加工企業(yè)中也有著廣泛的應(yīng)用。自動(dòng)化技術(shù)主要體現(xiàn)在 PLC 控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)等方面，運(yùn)用這些理論知識(shí)，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，改進(jìn)得到的汽車塑料件自動(dòng)包裝生產(chǎn)線和涂裝生產(chǎn)線，能夠高效率、高精度地完成汽車塑料件的生產(chǎn)工藝?？萍嫉倪M(jìn)步也在推動(dòng)著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)在汽車塑料件生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷深入，未來的汽車塑料件生產(chǎn)必將更加節(jié)省人力，自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率也必然更高。
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