ساخت مكانيزم پرتابل نقطه جوشكاري جهت توليد بدنه هاي تحقيقاتي و پروتوتايپ

ساخت مكانيزم پرتابل نقطه جوشكاري جهت توليد بدنه هاي تحقيقاتي و پروتوتايپ

محمد رضا يادگاري، فرزاد معدن پيشه، حسن ارمند پور و محمد برهان رجب زاده

چكيده

يكي از مراحل طراحي و ساخت خودرو كه قبل از توليد نهايي و انبوه انجام ميگیرد توليد خودرو نمونه ويا پروتوتايپ است كه معمولا ساخت يك پروتوتايپ خيلي پرهزينه است، بگونه اي كه قيمت تمام شده يك دستگاه، بيش از ده ها و حتي صدها دستگاه توليد انبوه همان خودرو هزينه تحميل مي كند. در مرحل توليد پروتوتايپ بدنه خودرو، علاوه بر فيكسچر هاي دقيق جهت مونتاژ قطعات، نياز به تجهيزات نقطه جوشكاري جهت مونتاژ قطعات و مجموعه سازي آنها مي باشد. در اين مقاله به مكانيزم پرتابلي جهت انجام فرايند نقطه جوشكاري مي پردازد كه علاوه بر عدم نياز به تاسيسات گسترده ي آب رساني، برق وهواي فشرده و تعداد زيادي تجهيزات جوشكاري شامل كنترل ها، گان ها و متعلقات آنها ديگر نيازي به خروج طرح از مركز تحقيقات و دسترسي به فضاي سالن بزرگ نمي باشد. در اين روش كليه مراحل مجموعه سازي قطعات بدنه خودرو با استفاده از اين مكانيزم پورتابل، جوشكاري مي گردد و ديگر نيازي به ايجاد تاسيسات بر روي همه فيكسچر هاي مجموعه سازي و نصب چندين گان در اطرف آنها نمي باشد.

با اجراي اين مكانيزم علاوه بر كاهش هزينه بسيار زياد، عدم نياز به فضاي سالني بسيار بزرگ و عدم خروج طرح از مركز تحقيقات و كم شدن احتمال علني شده آن تا زمان توليد محقق مي گردد.

مقدمه

در فرايند طراحي خودرو، پس از نهايي شدن كانسپت ]1‍‌‌‍‍‍‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‌‌‌‌‌‌[ و گذر از مراحل طراحي بدنه (شامل : ترسيم، اسكچينگ ]2[، رندرينگ ]3[و پردازش تصويري، ترسيم نقشه هاي فني دقيق از چها نماي اصلي، مدل سازي سه بعدي) ساخت ماكت اصلي انجام مي گيرد. (اسكچينگ فيزيكي).

شكل 1 : شماتيكي از مراحل طراحي

ديدن يك محصول فيزيكي و كاربردي بر روي صفحه كاغذ و نمايشگر هاي رايانه، با مشاهده و لمس آن در محيط واقعي بسيار متفاوت است و بعضا نقاط ضعفي را روي مدل هاي فيزيكي ديده مي شود كه بر روي كاغذ به چشم نمي آيد.

پس از ساخت ماكت با مقياس كوچكتر وبه صورت نيمه از محور وسط خودرو، نوبت به ساخت مدل پروتوتايپ ]1[ (Prototype) يا همان مدل عملكردي و فانكشنال به مقياس طبيعي مي رسد (خودرو هاي نمونه).

در حقيقت پروتوتايپ نزديكترين ساخته ي بخش طراحي است كه نزديك به نوع توليد انبوه همان خودرو به حساب مي آيد. در اين مرحله همه افراد خبره و با تجربه، با تكنيك هاي مختلف و با تكنيك هاي رپيدپروتوتايپينگ ]2[ (Rapid Prototyping) اقدام به ساخت نمونه اوليه خودرو مي كنند.

شكل 2 : ساخت پروتوتايپ

معمولا ساخت يك پروتوتايپ خيلي پرهزينه است و قيمت تمام شده يك دستگاه، بيش از ده ها و حتي صدها دستگاه توليد انبوه همان خودرو ارزش داشته و معمولا ساخت اين پروتوتايپ براي شركت در نمايشگاه، انجام تست هاي كيفي ، فني، ايمني بوده، همچنين الگويي است براي ساخت و توليد انبوه همان خودرو.

در مرحله توليد پروتوتايپ همانند فرايند هاي اصلي و توليد انبوه خودرو، ابتدا مونتاژ بدنه خودرو انجام شده ، سپس مرحله رنگ آميزي و مونتاژ قطعات تزئيني و قواي محركه انجام مي گردد. با توجه به اينكه در توليد پروتوتايپ تعداد محدودي خودرو توليد مي گردد، فرايند رنگ آن به روش هاي مختلفي، همانند رنگ آميزي به روش دستي در يك محيط كارگاهي و يا سالني كوچك قابل اجرا مي باشد، همچنين انجام فرايند مونتاژ قطعات تزئيناتي و قواي محركه، با توجه به تعداد توليد محدود، با استفاده از امكانات محدود همانند بالابر و جرثقيل هاي دستي در يك محيط سالني و كارگاهي كوچك و بدون نياز به تجهيزات سنگين و پيشرفته امكان پذير مي باشد. اما در خصوص فرايند توليد بدنه خودرو شرايط متفاوت مي باشد. از آنجايي كه بدنه خودرو استراكچر اصلي خودرو مي باشد و همه قطعات تزئيناتي، ايمني و قواي محركه بر روي بدنه خودرو مونتاژ مي گردد، لذا مجموعه سازي دقيق قطعات بدنه، اهميت و حساسيت بالايي دارد.براي مجموعه سازي دقيق هر يك از قسمت هاي بدنه خودرو نياز به فيكسچر هاي از پيش طراحي شده مي باشد. توليد بدنه هاي پروتوتايپ، با فيكسچرهاي ساده اي كه براي اين منظور طراحي شده انجام مي شود، كه اين فيكسچرها معمولابا كلمپ و گيره دستي ساخته شده و كل بدنه با تعداد محدودي فيكسچر، مجموعه سازي مي گردد.       

شكل 3 : نمونه فيكسچر پروتوتايپ بدنه خودروSP100 

براي مجموعه سازي هر يك قسمت هاي اصلي خودرو همانند سايد هاي جانبي، كفي ها، محفظه موتور و ... نياز به چند فيكسچر مي باشد كه مجموعه اين فيكسچر ها در امتداد يكديگر، جهت مجموعه سازي در نظر گرفته مي شود.

شكل 4 : چيدمان فيكسچرهاي پروتوتايپ بدنه جهت مجموعه سازي

همچنين براي مجموعه سازي هر يك از قسمت هاي بدنه خودرو، تعداد زيادي گان نقطه جوشكاري در كنار هر يك از فيكسچر ها نصب مي گردد تا عمليات جوشكاري و اتصال قطعات با استحكام بالايي انجام شود.اين تجهيزات شامل ترانس ها، كابل ها و شيلنگ هاي رايط و انواع گان هاي كوچك و بزرگ و اتصال دهنده ها مي باشد.

شكل 5 : تجهيزات نقطه جوشكاري نصب شده در خطوط توليد جهت توليد نمونه اوليه

بالطبع براي انجام فرايند مونتاژ قطعات بدنه، با توجه به حجم بالاي نقطه جوشكاري جهت هر يك از مجموعه هاي بدنه خودرو، به تعداد زيادي گان نقطه جوشكاري و تاسيسات مورد نياز آنها شامل تاسيسات آبرساني، تاسيسات برق و تاسيسات و تجهيزات خنك كننده و درنتيجه نياز به يك فضاي سالني بزرگ الزامي مي باشد.

در پروژه بدنه تيبا ،توليد نمونه هاي اوليه آن، در سالن بدنه كاروان انجام گرفت كه بدين منظور هزينه زيادي جهت نصب و راه اندازي تجهيزات و تاسيسات نقطه جوشكاري آن گرديد. در پروژه توليد پروتوتايپ SP100 نيز از سالن توليد بدنه 141 در شركت پارس خودرو استفاده شد كه بدين منظور، نياز به عملياتي نمودن تجهيزات نقطه جوشكازي و سيستم تاسيسات آن جهت انجام فرايند نقطه جوشكاري مجموعه هاي اين خودرو بوده است. در اين روش علاوه بر هزينه بسيار بالاي نصب تجهيزات و تاسيسات، نياز به فضاي سالني بزرگ مي باشد .

با طراحي و اجراي مكانيزم پرتابل نقطه جوشكاري مي توان بخش بزرگي از مشكلات مربوط به تجهيزات نقطه جوشكاري و به واسطه آن تاسيسات مورد نياز آن و همچنين مشكل فضاي مورد نياز را مرتفع نمود و هزينه ها را كاهش داد. اين مكانيزم به راحتي و با استفاده از دانش، تجربه و تجهيزات موجود در شركت طراحي و ساخته مي شود و مي توان آن را به سرعت عملياتي نمود.

اجزاي مكانيزم پرتابل نقطه جوشكاري :

1- استراكچر

2- ريل هاي KBK

3- گان هاي نقطه جوش ترانس سرخود

4- كنترلر گان هاي نقطه جوش

5- پمپ و مخزن آب DI

6- ريل هاي راهنما

7- Quick Connection ها

1- استراكچر اصلي متحرك :

اين سازه فلزي كه به شكل دروازه اي طراحي شده است، مي بايست علاوه بر استحكام و حجم كم داراي وزن پائين بوده تا پس از نصب تجهيزات بر روي آن حمل و نقل آن نيز به راحتي انجام شود. همچنين كل سازه بر روي چهار چرخ بلبرينگي گردان و مستحكم مستقر شده تا براحتي امكان جابه جايي آن فراهم گردد. تمامي تجهيزات عمليات نقطه جوشكاري بر روي اين استراكچر نصب مي گردد. ابعاد اين سازه به طول و عرض و ارتفاع : 300*400*300 سانتيمتر مي باشد.

جهت هدايت بهتر سازه در حين فرايند توليد، ريلي دريكرف سازه پرتابل نصب مي گردد تا سازه در يك مسير مستقيم حركت نمايد.

شكل 6 : تصوير كلي استراكچر به همراه تجهيزات مستقر بر روي آن

شكل 7 : تصوير شماتيك استراكچرپرتابل نقطه جوشكاري

2- ريل هاي KBK :

ريل هاي كابه كا بر روي استراگپر فلزي اصلي نصب مي گردد و وظيفه آنها ايجاد قابليت جابه جايي جهت گان هاي نقطه جوشكاري در دو محور X و Y مي باشد. اين مجموعه شامل 4 ريل اصلي (افقي) به طول 450 cm و 4 ريل كوچك فرعي (عمودي) به طول 220CM و همچنين بست ها و قرقره هاي ساده و قرقره هاي دوبل مي باشد.

شكل 8 : ريل هاي ويژه جابه جايي تجهيزات

3- گان هاي نقطه جوشكاري :

تجهيزات نقطه جوشكاري در دو نوع ترانس مجزا (ترانس معلق) و ترانس سرخود موجود مي باشد. در دستگاه هاي نقطه جوش ترانس مجزا، منبع توان (ترانس) در ارتفاع معلق مي گردد و جريان الكتريكي توسط كابل هاي ضخيم كه توسط جربان آب خنك مي شوند به انبر جوش مي رسد و انبر جوش نيز جريان الكتريكي را به قطعه كار اعمال مي كند.

شكل 9 : تجهيزات نقطه جوشكاري با ترانس مجزا

انبر هاي گان ها در دو شكل X و يا C طراحي مي شوند. بازوي انبر X به صورت قيچي و بازوي انبر C به صورت خطي عمل مي كند.

شكل 10 : تصوير انواع انبر گان نقطه جوش

تصوير 11 : تصوير گان سري C Type

شكل 12 : تصوير گان سري X Typeشكل 12 : تصوير گان سري X Type

در نوع گان ترانس سرخود كه هم به صورت X و هم به صورت C ساخته مي شود، ترانس مستقيما بر روي انبر نصب مي شود و شيلنگ ها و كابل هاي سنگين بين ترانس و و انبر حذف مي گردد. تكتولوژي ساخت اين گان ها بالا بوده و گران هستند.

قابليت گان هاي ترانس سرخود :

- طراحي ماژولار و در نتيجه تعمير و نگهداري ساده

- خنك كاري ترانس، الكترود و بازوها و در نتيجه جوش تضمين شده و عمر بالاي قطعات

- صرفه جويي در مصرف انرژي (حداقل تا 40 درصد گان هاي ترانس هاي مجزا)

شكل 13 : تصوير گان هاي ترانس سرخود

در خطوط توليد بدنه خودرو 5 مدل گان پركاربرد شامل : XTYPE با فك بلند، XTYPE با فك متوسط، XTYPE با فك كوتاه، CTYPE با فك بلند، CTYPE با فك كوتاه مورد استفاده قرار مي گيرد كه بيشترين استفاده را دارند. براي تجهيز مكانيزم پرتابل، يك گان CTYPE بلند، يك گان CTYPE كوتاه، يگ گان XTYPE كوتاه و يك گاه گان XTYPE بلند در نظر گرفته شده است.

شكل 14 : تصوير انواع گان سري C و X

4- كنترلر هاي گان هاي نقطه جوشكاري :

وظيفه كنترلر ها به راه انداختن عمليات، اندازه گيری و کنترل زمان عبور جريان، و تنظيم شدت جريان ورودی به قطعه است. هر يك از مدل هاي مختلف دستگاه هاي نقطه جوش داراي يك واحد كنترل مخصوص به خود هستند. اين كنترل ها داراي 4 حالت زمانبندي براي تكميل فرايند جوش هستند كه شامل : حالت فشار، حالت جوش، حالت ثابت و حالت وقفه مي باشد. همچنين داراي حالت جوشكاري اتوماتيك و 8 حالت همزماني نيز مي باشد. سوئيچ هاي جريان دستگاه هاي كنترل از نوع تريستور مي باشند، همچنين داراي تنظيمات جريان هستند. البته برخي از مدل هاي آنها نيز فاقد تنظيمات جريان مي باشند.

قابليت های كنترلر :

کنترل کننده سيستم جوش مقاومتی تريستوری، دارای توانايی ها و امکانات فراوانی می باشد که در اين بخش به معرفی مختصر اين توانايی ها و قابليت ها پرداخته شده است.

قابليت ها و امکانات اين كنترل ها به صورت خلاصه عبارتند از :

زمان بندی و کنترل مقدار جريان در دستگاه های جوش مقاومتی فرکانس شبکه (تريستوری)

اندازه گيری و نمايش جريان اوليه و ثانويه ترانس در هر سيکل

اصلاح خودکار زاويه آتش تريستورها در هر سيکل برای تثبيت جريان عبوری

مديريت طول عمر سره ها و تغيير مقدار جريان و فشار با توجه به عمر سره ها

امکان کنترل نيروی فشردن قطعه با استفاده از شير Proportional

امکان تنظيم و اجرای 32 برنامه مختلف جهت اجرای جوش های متفاوت بر روی يک قطعه

امکان استفاده در دستگاه های درز جوش

امکان محافظت دستگاه در برابر افزايش درجه حرارت آب و يا کاهش جريان آب

امکان حفاظت دستگاه در برابر نوسانات و تغييرات فشار باد

امکان نمايش و مانيتورينگ کانل پارامترهای مختلف جوش مانند زمان بندی انجام جوش، جريان اوليه، جريان ثانويه، زاويه آتش تريستور، ولتاژ خط و امکان نمايش و شمارش تعداد نقاط جوش در کل مدت زمان کارکرد دستگاه و يا در هر شيفت کاری

امکان تشخيص و اعلام 25 خطای مختلف و نمايش پيام متناسب با آن

امکان تست و عيب يابی كنترلر کليه ورودی ها و خروجی های كنترلر

کليد گردشی چند منظوره جهت تنظيم سريع و آسان مقادير و حرکت در منوها

صفحه نمايش بزرگ جهت نمايش منوها، تنظيمات و خطاها

بدنه تماماً فلزی جهت محافظت در مقابل نويزهای الکترو مغناطيسی

دارای مجموعه مراحل استاندارد جوش مقاومتی

در مكانيزم طراحي شده جهت هر دو گان در طرفين يك كنترلر در نظر گرفته مي شود تا به طور همزمان در هر طرف با يك گان امكان انجام عمليات نقطه جوشكاري فراهم گردد.

5- سيستم خنك كننده پورتابل :

سيستم خنك كننده در اين مكانيزم به صورت يك مجموعه كوچك و مدار بسته ساده شامل : مخزن آب سختيگيري شده، پمپ آب، كندانسور جهت خنك كردن آب و فن دمنده، در نظر گرفته شده است، كه خنك كاري آب گان ها با اين سيستم انجام مي شود.

سيستم خنك كننده فعلي خطوط توليد بدنه، با توجه به تعداد بالاي گان هاي نصب شده، شامل سيستم خنك كننده و پايپينگ مركزي و بزرگي است كه از قبل جهت خطوط توليدي طراحي شده است كه از همين سيستم جهت توليد بدنه هاي نمونه استفاده مي گردد كه راه اندازي مجدد آن براي توليد پروتوتايپ بسيار پرهزينه مي باشد.

شكل 16 : تصوير شماتيك سيستم خنك كننده پورتابل

كنترل هاي نسل جديد :

دستگاه های جوشکاری مانند ساير ادوات الکتريکی از زمان اختراع تا کنون سير تکاملی داشته است. در دهه اخير دستگاه هاي نقطه جوش بر اساس تكنولوژي اينورتر جهت راه اندازي ترانسفورمرهاي فركانس متوسط تا فركانس 5KHZ طراحي و ساخته شده است. اساس كار آنها تغيير فركانس توسط اينورتر فركانس متوسط بر پايه تكنولوژي IGBT مي باشد كه با نام كنترل هاي MFDC ( Medium Frequency Direct Current) وارد بازار شده است كه داراي بازده بالاتر و هوشمند تر هستند. به طور مثال اين دستگاه ها از حيث کيفيت جوش، بازده الکتريکی، کاهش حجم و وزن و آلودگی صوتی بهبود چشمگيری داشته است.

فرآيند جوشكاري مقاومتی فرکانس بالا تقريباً شبيه فرآيند جوشكاري با جريان بالا مي باشد با اين تفاوت که جريان الکتريکی با فرکانس بالا (5kHz) توسط دو کفشک به سطح ورق نزديک محل تماس دو لبه وارد شده و مدار بسته ای از جريان الکتريکی ايجاد شود. حرارت حاصل مذاب لازم در محل تماس دو لبه را بوجود می آورد. (با توجه به اثرات پوسته ای و نزدیکی). ميزان وسرعت عمليات بستگی به ضخامت و جنس مواد مورد جوش و پارامترهای فرآيند دارد.

شكل 17 : تصوير شماتيك عملكرد سيستم كنترلرهاي نسل جديد

مزايای جوشکاری فرکانس بالا عبارت است از:

كاهش مصرف انرژي به ميزان حداقل 40 درصد ترانس هاي فعلي

قابليت Adaptive (كنترل تطبيقي)

سرعت بالا و دارا بودن تنوع گسترده در اندازه و نوع مواد.

کيفيت جوش در بسياری موارد به حضور هوا بستگی ندارد و اتمسفرهای خاصی نيز برای جوشکاری مورد نياز نيست (مگر برای فلزات فعال)

کيفيت جوش نيز وابستگی کمی به اکسيدها و آلودگی های سطحی دارد.

از معايب اين فرآيند نيز می توان به موارد زير اشاره کرد.

برای جوشکاری با سرعت پايين و در توليد با حجم پايين مناسب نيست.

اين روش بايد بصورت پيوسته انجام شود. در جوشکاری پيوسته نمی توان توقف / شروع مجدد داشته باشد، زيرا باعث ايجاد ناپيوستگی در جوش می شود.

جوشکاری فرکانس بالا بيشتر در جاهای مناسب است که اتصال لبه هايی پيوسته يا سر به سرفلزات مورد نظر باشد.

مقايسه قابليت هاي گان هاي كنترل جريان و كنترل فركانس :

دستگاههای جوش مقاومتی دارای ترانسفورماتوری می باشند که با برق شهر تغذيه می شود.

وظيفه اين ترانس ها اين است که با استفاده از ورودی (برق شهر) ، جريانی با شدت بالا و ولتاژ پايين در خروجی ( الکترودهای مسی دستگاه) بوجود می آورند.

ترانسفورماتورهای دستگاه های جوش مقاومتی ساختمان پيچيده ای دارند و معمولا دارای چندين انشعاب در خروجی می باشند.

قابليت هاي ترانس های MFDC مديوم فرکانس برق مستقيم :

اينورتر فرکانس متوسط بر پايه تکنولوژِی IGBT

توانايی اتصال به ترانسفورمر های جوش فرکانس متوسط تا فرکانس KHZ5

تثبيت جريان بر اساس اندازه گيری جريان اوليه يا ثانويه ترانسفورمر

کارکرد در 6 حالت مختلف کاری شامل: ديوتی سايکل ثابت D%، ولتاژ ثابت V%، جريان ثابت IK، توان ثابت PK، انرژی ثابت EK، و خود تنظيم AD(Self Adaptive)

امکان تنظيم جريان به کمک ورودی آنالوگ 0 تا 10 ولت

محهز به خروجی انالوگ جهت کنترل نيروی الکترود

مجهز به وردی و خروجی های حفاظت شده

مجهز به خروجی فعال ساز جهت استفاده در سيستم های seam welding

قابليت کارکرد در دو حالت seam weld و spot

قابليت نمونه برداری از ولتاژ الکترود

توانايی اتصال به شبکه های صنعتی

مجهز به سيستم حفاظت از جان

تنظيمات پارامتر ها بر اساس ميلی ثانويه و يا سيکل توسط کاربر

دقت بالا در تثبيت جرين خروجی

تا % 30 صرفه جويی در مصرف انرژی

قابليت تغيير نيرو الکترود در حين فرايند جوش

مجهز به خروجی forge

مجهز به سيستم کاليبراسيون خودکار

قابليت توليد به صورت هوا خنک و يا آب خنک

نمايش دمای heat sink

نمايش پارامتر های جوش نظير توان اعمال شده ، انرژی مصرفی ، جريان عبوری از الکترود ، جريان گرفته شده از خط ولتاژ الکترود ، مقاومت الکتريکی قطعه و ...

قابليت نمايش گراف پارامتر های ولتاژ ، جريان ، مقاومت اکتريکی و ... بر روی پنل دستگاه

قابليت غير فعال کردن نمونه برداری از ولتاژ الکترود

جلوگيری از ايجاد عدم تقارن فاز در شبکه به علت استفاده از تغذيه سه فاز

نتيجه :

با اجراي اين مكانيزم ، علاوه بر توليد نمونه هاي اوليه در مركز تحقيقات و عدم نياز به خروج طرح اوليه از آنجا، كاهش هزينه زياد عملياتي شدن تجهيزات نقطه جوشكاري و تاسيسات مورد نياز، كاهش مصرف انرژي، عدم نياز به فضاي سالني بزرگ و سرعت بالاي در راه اندازي و توليد بدنه هاي پروتوتايپ محقق مي گردد. در اين روش بعد از چيدمان فيكسچرهاي مجموعه سازي به سرعت عمليات نقطه جوشكاري و مونتاژكاري قطعات بدنه آغاز مي گردد و در صورت نياز به گان ويژه ، گان مورد نظر در كمتر از 5 دقيقه نصب مي گردد.

این مقاله توسط محمد رضا يادگاري، فرزاد معدن پيشه، حسن ارمند پور و محمد برهان رجب زاده در اولین سمپوزیوم ساخت بدنه خودرو (BIW98) The First Symposium on Automotive Body In White manufacturingدر دانشگاه صنعتی شریف ارائه شده است.

مراجع :

راهنماي تجهيزات نقطه جوش شركت OBARA كره (IT GUN MANUAL OBARA)

MFDC Welding Controller شركت نوين سازان

http://www.newdesign.ir

http://noghtejoosh.ir