過(guò)去，汽車制造商把安全氣囊設(shè)計(jì)成一個(gè)可見的裝置，然而今天的發(fā)展趨勢(shì)是把安全氣囊隱藏起來(lái)。因此，在當(dāng)今的汽車儀表板中，其必備的開口薄片都被覆于裝飾性表皮之下，并且在其背面還必須預(yù)留撕裂線以確保可靠的打開。為引入這一撕裂線，制造商需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一方面，要保證表面蒙皮強(qiáng)度足夠低，以便于安全氣囊的可靠釋放；另一方面，撕裂線不能在裝飾表皮的表面可見，即使經(jīng)過(guò)數(shù)年的磨損也應(yīng)如此。
由于這些要求以及這個(gè)與安全相關(guān)的部件一旦失敗所面臨的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，目前對(duì)于切割的剩余壁厚的公差要求極為嚴(yán)格，為此必須采用非常昂貴的加工技術(shù)來(lái)加以滿足。目前，在裝飾表皮上預(yù)制安全氣囊撕裂線的主要方法有激光切割、冷刀切割和熱刀切割。
激光切割
在用激光切割出低強(qiáng)度撕裂線時(shí)，材料被激光的熱量氣化，然后被另一種氣體除去。這種工藝將產(chǎn)生一個(gè)溝槽，從外側(cè)看易于被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樵摴に嚠a(chǎn)生的撕裂線由一系列孔組成。
該工藝采用傳感器監(jiān)測(cè)和控制，傳感器安裝在工件的外側(cè)，用來(lái)探測(cè)通過(guò)剩余壁的激光的輻射量。但是，目前傳感器的靈敏度水平只能在光線通過(guò)相對(duì)較薄的剩余壁時(shí)達(dá)到要求，而且還受到材料種類和材料顏色的影響。另外，孔附近的剩余材料受熱后極易降解，從而發(fā)生穿透。另一個(gè)問(wèn)題是激光工藝本身會(huì)產(chǎn)生有毒氣體和沉積，需要進(jìn)行排出和處理，這是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)錢的過(guò)程。同時(shí)，粘在部件上的污物也需要非常昂貴的清洗。由于這種高維護(hù)性，該工藝與下面提及的技術(shù)相比，無(wú)論是在采購(gòu)還是在使用方面，都會(huì)產(chǎn)生太高的成本。
熱刀切割
在熱刀切割中，安裝在沖孔附件上的特殊規(guī)格的預(yù)熱穿孔刀嵌進(jìn)工件表面，然后移動(dòng)到某個(gè)固定位置。該位置確定了剩余壁厚。對(duì)于熱塑性塑料來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)好辦法，因?yàn)橄鄬?duì)較寬的熱刀刀刃，使切口變小，因而使必要的破裂力變大。然而該工藝也有不足，即由于在剩余壁區(qū)域可能發(fā)生壓縮和變形，從而使剩余壁厚發(fā)生急劇的變化。此外，剩余材料的熱降解和工件被強(qiáng)化的傾向也是影響該工藝的關(guān)鍵因素。基于以上原因，這種方法被應(yīng)用得較少。
冷刀切割
在冷刀切割工藝中，通過(guò)一臺(tái)6軸機(jī)械手或者一臺(tái)數(shù)控機(jī)床移動(dòng)硬質(zhì)金屬切刀，使其穿過(guò)真空夾具固定的工件。這種系統(tǒng)帶有大量傳感器，如一個(gè)被安裝在切刀附近的履帶式感應(yīng)傳感器，可間接測(cè)量刀尖與夾具的距離并將數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可決定剩余壁厚是否因干擾而需要補(bǔ)償，如溫度漂移等。該系統(tǒng)的一個(gè)問(wèn)題是（特別是在3D尺度內(nèi)），由于傳感器被安裝在切刀附近，因此無(wú)法測(cè)量刀尖與夾具表面的真實(shí)距離。為克服這一問(wèn)題，系統(tǒng)應(yīng)該被修正，例如，將手動(dòng)正確切割時(shí)的傳感器跟蹤曲線作為參考曲線，然后對(duì)每一次的加工曲線進(jìn)行修正。另外，為了監(jiān)控加工路徑，夾具上的工件位置也很重要，任何的偏差都會(huì)直接轉(zhuǎn)化成工件剩余厚度的偏差。因此，夾具需要進(jìn)行非常昂貴的曲面銑，且要有穩(wěn)固的設(shè)計(jì)，同時(shí)工件的固定位置需處于一個(gè)平坦的真空區(qū)域。另外，工件與夾具的緊密接觸應(yīng)通過(guò)精密開關(guān)進(jìn)行多點(diǎn)檢查。為獲得夾具固定位置的重復(fù)性，還必須放棄慣用的用于并行加工的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。
切刀的磨損通常由測(cè)量切刀的尺寸來(lái)確定。切刀磨損，鋒利程度降低，而切刀的長(zhǎng)度保持不變，這會(huì)大大影響工件的剩余壁厚（本文將在下面做進(jìn)一步解釋）。目前市場(chǎng)上在售的加工系統(tǒng)，都沒有配置測(cè)量切刀切割性能的裝置。
雖然數(shù)控機(jī)床具有足夠高的路徑精度，但為獲得加工中的動(dòng)態(tài)精度，必須有賴于與之配套的6軸機(jī)械手。因此，只有相對(duì)昂貴的高精度機(jī)械手才能被選用。
盡管擁有上面提到的這些缺點(diǎn)，但是仍然有大量的冷刀切割設(shè)備被應(yīng)用在這一領(lǐng)域。這是因?yàn)?，該設(shè)備的采購(gòu)成本和運(yùn)行成本都較低，且程序設(shè)計(jì)靈活，能夠加工多種材料。
傳感器控制切刀的切割
在切刀逆向切割時(shí)，切刀在相關(guān)的固定支撐或夾具上的移動(dòng)距離精度主要依賴于機(jī)器手臂的動(dòng)態(tài)精度。在這里介紹一種新方法，可以用機(jī)械方法確定這一距離。為了這一目的，部件支撐板用一個(gè)得到精密安裝的滾球（可自由旋轉(zhuǎn)）來(lái)代替。該滾球通過(guò)一個(gè)C形框架與切刀相連。工件表面位于球與刀之間，這使得在一個(gè)完整的行程內(nèi)，球面與刀尖的距離能夠通過(guò)伺服控制的精密芯軸驅(qū)動(dòng)來(lái)自由調(diào)節(jié)，進(jìn)而確定工件的剩余壁厚。如果使固定在夾具上的表皮具有輕微的預(yù)張力，表皮的彈性則可補(bǔ)償垂直于工件的加工運(yùn)動(dòng)路徑的任何公差。只要保證表皮層能夠在滾球的表面延展良好，以上提到的因?yàn)榧庸ぢ窂讲痪_造成的問(wèn)題，將會(huì)統(tǒng)統(tǒng)消除。
圖1 最新發(fā)展的開口工具的基本原理和主要優(yōu)勢(shì)
應(yīng)用這一基本原理（如圖1所示），可旋轉(zhuǎn)的C形框架被安裝在配有精密軸承和5軸機(jī)械手轉(zhuǎn)矩支撐的切刀軸上（如圖2所示 ）。6軸機(jī)械手能夠?qū)⑶械缎D(zhuǎn)到任何方向，C形框架與機(jī)械手臂之間保持固定角度。工件的一側(cè)進(jìn)入C形框架，系統(tǒng)允許C形框架的開口寬度較小，同時(shí)也允許夾具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。
圖2 機(jī)械手輔助開口工具詳解
為監(jiān)控表皮與滾球的接觸，在滾球和轉(zhuǎn)軸之間安裝了高精度力學(xué)傳感器。該傳感器可以連續(xù)不斷地對(duì)滾球上的軸向載荷進(jìn)行監(jiān)控，如果與預(yù)設(shè)值不符，那么可以確定這一工件為廢品。這個(gè)運(yùn)動(dòng)中的傳感器能夠監(jiān)測(cè)表皮與滾球接觸的任何切割位置。
一個(gè)改變刀/球距離的可能原因是C形框架的彈性。C形框架的彎曲將直接影響工件的剩余厚度。為確定這一因素的影響程度，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得C形框架的載荷偏移曲線。當(dāng)載荷達(dá)到5N時(shí)，僅將C形框架彎曲0.01mm，這比系統(tǒng)要求的精度低10倍。由于切割力在切割過(guò)程中的變化很小，因此，實(shí)際上對(duì)C形框架的影響程度遠(yuǎn)不及以上引用的數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)的容許公差可通過(guò)不同材料、加工參數(shù)的改變而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定。重要的加工參數(shù)包括給進(jìn)速度、主預(yù)應(yīng)力、切刀的磨損和刀/球之間的預(yù)設(shè)距離。
圖3是一種聚烯烴彈性體(TPO)無(wú)紋理表皮的切割路徑與剩余壁厚曲線。剩余壁厚的變化范圍在0.22~0.26mm之間，約為最大規(guī)定公差的50％。
圖3 TPO表皮剩余厚度和切割路徑的關(guān)系
剩余壁厚的測(cè)量使用了一種高精度數(shù)字顯微鏡。雖然這種測(cè)量方法依據(jù)了當(dāng)前的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是測(cè)量結(jié)果還與許多因素有關(guān)，有時(shí)這些因素會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成相當(dāng)大的影響。例如，抽樣方法和測(cè)量點(diǎn)位置的確定是兩個(gè)異常重要的因素。另外，表皮顆粒也是一個(gè)干擾因素。一般表皮顆粒的高度為0.2mm，因此沒有一個(gè)合適的可供參考的平面。
基于這些困難，現(xiàn)行的辦法是通過(guò)記錄切刀與計(jì)量表面的近似距離來(lái)檢查系統(tǒng)的能力和特性。在常規(guī)的設(shè)備中，這些值的容許公差通常為±0.05 mm，而在新設(shè)備中，這些值由促動(dòng)器偏差和C形框架的彎曲構(gòu)成，幾乎比先前的要求低10倍。因此從設(shè)備精度、系統(tǒng)可靠性來(lái)看，新設(shè)備比以前的設(shè)備更具優(yōu)勢(shì)。
刀刃與滾球計(jì)量表面的相對(duì)位置，能夠作為每次換刀之后的參考。為了這一目的，促動(dòng)器運(yùn)動(dòng)到刀尖預(yù)期位置的前面并進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使推進(jìn)速度降低。在其隨后的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)中，作用在滾球上的力受到極高靈敏度傳感器的監(jiān)控，并被記錄下來(lái)。當(dāng)?shù)都馀c滾球接觸時(shí)，傳感器會(huì)傳來(lái)信號(hào)進(jìn)行指示。此時(shí)，促動(dòng)器立刻停止，它的這個(gè)位置被設(shè)定為新的零點(diǎn)位置。
圖4顯示了確定零點(diǎn)位置的可重復(fù)性，圖中顯示的實(shí)驗(yàn)為50次重復(fù)操作，其值小于5um。第二條曲線顯示了操作過(guò)程中的最大力均低于0.4N，這個(gè)結(jié)果令人滿意。刀尖與滾球表面的顯微研究，表明了這種微小的力不會(huì)引起任何切刀和滾球的機(jī)械損壞，甚至在經(jīng)過(guò)了50次重復(fù)實(shí)驗(yàn)之后也是如此。新系統(tǒng)通過(guò)陰影傳感器來(lái)監(jiān)控表皮的切口以及和精密的刀刃測(cè)量相結(jié)合，減少了刀刃上的負(fù)荷，同時(shí)獲得了比以前系統(tǒng)更小的公差，并通過(guò)簡(jiǎn)化了的測(cè)量系統(tǒng)顯著提高了測(cè)量精度。
圖4 刀尖的力值和位置
上面已提到，通過(guò)傳感器連續(xù)不斷的測(cè)量及記錄，可確定表皮與滾球的接觸力是否處于臨界值以下。這些被記錄的力與載荷偏差曲線相關(guān)聯(lián)，能夠提供C形框架的彎曲值。另外，預(yù)設(shè)的促動(dòng)器位置也被記錄并檢測(cè)。
從大量的實(shí)驗(yàn)研究中可以發(fā)現(xiàn)，剩余壁厚與刀/球距離的精確調(diào)節(jié)和控制的相關(guān)性不是那么嚴(yán)格。這要?dú)w因于切刀下材料的彈性行為。如圖5所示，表皮在切刀的切割力作用下會(huì)發(fā)生彈性收縮，根據(jù)材料的不同，收縮的程度也會(huì)不同。切割之后，材料松弛，因此，實(shí)際的剩余壁厚要比預(yù)計(jì)的壁厚大一些。為達(dá)到所要求的壁厚，切刀與接觸面的距離減小量需通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得。
圖5 刀下表皮的彈性行為
當(dāng)?shù)都庾冣g時(shí)，會(huì)導(dǎo)致剩余壁厚逐漸發(fā)生變化。在新系統(tǒng)中，切刀的磨損可通過(guò)切割力的記錄進(jìn)行監(jiān)控，以使其偏差始終處于容許公差范圍內(nèi)。這樣，新系統(tǒng)也就成為第一個(gè)考慮了“切刀磨損”這個(gè)重要干擾因素并把解決辦法整合到工藝控制中的系統(tǒng)。
預(yù)制安全氣囊撕裂線的新系統(tǒng)基于簡(jiǎn)單、可靠的原理，該原理使省去特殊的、昂貴的傳感器，實(shí)施整體設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)化夾具成為可能。新系統(tǒng)采用促動(dòng)器和傳感器的整合裝置來(lái)完成不同的操作，獲得了比目前的機(jī)械手輔助工藝更高的精度，同時(shí)由于首次考慮了切割力，也使工程控制的質(zhì)量得到很大程度的改善。總之，與現(xiàn)有的預(yù)制安全氣囊撕裂線工藝相比，新系統(tǒng)具有更為出色的成本效率。
