過去，汽車制造商把安全氣囊設(shè)計成一個可見的裝置，然而今天的發(fā)展趨勢是把安全氣囊隱藏起來。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問題：一方面，要保證表面蒙皮強度足夠低，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)過數(shù)年的磨損也應(yīng)如此。
由于這些要求以及這個與安全相關(guān)的部件一旦失敗所面臨的商業(yè)風(fēng)險，目前對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度撕裂線時，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)生一個溝槽，從外側(cè)看易于被發(fā)現(xiàn)，因為該工藝產(chǎn)生的撕裂線由一系列孔組成。
該工藝采用傳感器監(jiān)測和控制，傳感器安裝在工件的外側(cè)，用來探測通過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相對較薄的剩余壁時達到要求，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。另一個問題是激光工藝本身會產(chǎn)生有毒氣體和沉積，需要進行排出和處理，這是一個費時費錢的過程。同時，粘在部件上的污物也需要非常昂貴的清洗。由于這種高維護性，該工藝與下面提及的技術(shù)相比，無論是在采購還是在使用方面，都會產(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)熱穿孔刀嵌進工件表面，然后移動到某個固定位置。該位置確定了剩余壁厚。對于熱塑性塑料來說，這是一個好辦法，因為相對較寬的熱刀刀刃，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，通過一臺6軸機械手或者一臺數(shù)控機床移動硬質(zhì)金屬切刀，使其穿過真空夾具固定的工件。這種系統(tǒng)帶有大量傳感器，如一個被安裝在切刀附近的履帶式感應(yīng)傳感器，可間接測量刀尖與夾具的距離并將數(shù)據(jù)記錄下來。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償，如溫度漂移等。該系統(tǒng)的一個問題是（特別是在3D尺度內(nèi)），由于傳感器被安裝在切刀附近，因此無法測量刀尖與夾具表面的真實距離。為克服這一問題，系統(tǒng)應(yīng)該被修正，例如，將手動正確切割時的傳感器跟蹤曲線作為參考曲線，然后對每一次的加工曲線進行修正。另外，為了監(jiān)控加工路徑，夾具上的工件位置也很重要，任何的偏差都會直接轉(zhuǎn)化成工件剩余厚度的偏差。因此，夾具需要進行非常昂貴的曲面銑，且要有穩(wěn)固的設(shè)計，同時工件的固定位置需處于一個平坦的真空區(qū)域。另外，工件與夾具的緊密接觸應(yīng)通過精密開關(guān)進行多點檢查。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。
切刀的磨損通常由測量切刀的尺寸來確定。切刀磨損，鋒利程度降低，而切刀的長度保持不變，這會大大影響工件的剩余壁厚（本文將在下面做進一步解釋）。目前市場上在售的加工系統(tǒng)，都沒有配置測量切刀切割性能的裝置。
雖然數(shù)控機床具有足夠高的路徑精度，但為獲得加工中的動態(tài)精度，必須有賴于與之配套的6軸機械手。因此，只有相對昂貴的高精度機械手才能被選用。
盡管擁有上面提到的這些缺點，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。這是因為，該設(shè)備的采購成本和運行成本都較低，且程序設(shè)計靈活，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，切刀在相關(guān)的固定支撐或夾具上的移動距離精度主要依賴于機器手臂的動態(tài)精度。在這里介紹一種新方法，可以用機械方法確定這一距離。為了這一目的，部件支撐板用一個得到精密安裝的滾球（可自由旋轉(zhuǎn)）來代替。該滾球通過一個C形框架與切刀相連。工件表面位于球與刀之間，這使得在一個完整的行程內(nèi)，球面與刀尖的距離能夠通過伺服控制的精密芯軸驅(qū)動來自由調(diào)節(jié)，進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，表皮的彈性則可補償垂直于工件的加工運動路徑的任何公差。只要保證表皮層能夠在滾球的表面延展良好，以上提到的因為加工路徑不精確造成的問題，將會統(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
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軸機械手轉(zhuǎn)矩支撐的切刀軸上（如圖2所示 ）。6軸機械手能夠?qū)⑶械缎D(zhuǎn)到任何方向，C形框架與機械手臂之間保持固定角度。工件的一側(cè)進入C形框架，系統(tǒng)允許C形框架的開口寬度較小，同時也允許夾具設(shè)計簡單。
圖2 機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)不斷地對滾球上的軸向載荷進行監(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。這個運動中的傳感器能夠監(jiān)測表皮與滾球接觸的任何切割位置。
一個改變刀/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，可以通過實驗來獲得C形框架的載荷偏移曲線。當(dāng)載荷達到5N時，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程中的變化很小，因此，實際上對C形框架的影響程度遠不及以上引用的數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)的容許公差可通過不同材料、加工參數(shù)的改變而進行實驗確定。重要的加工參數(shù)包括給進速度、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
剩余壁厚的測量使用了一種高精度數(shù)字顯微鏡。雖然這種測量方法依據(jù)了當(dāng)前的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是測量結(jié)果還與許多因素有關(guān)，有時這些因素會對測量結(jié)果造成相當(dāng)大的影響。例如，抽樣方法和測量點位置的確定是兩個異常重要的因素。另外，表皮顆粒也是一個干擾因素。一般表皮顆粒的高度為0.2mm，因此沒有一個合適的可供參考的平面。
基于這些困難，現(xiàn)行的辦法是通過記錄切刀與計量表面的近似距離來檢查系統(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)可靠性來看，新設(shè)備比以前的設(shè)備更具優(yōu)勢。
刀刃與滾球計量表面的相對位置，能夠作為每次換刀之后的參考。為了這一目的，促動器運動到刀尖預(yù)期位置的前面并進行調(diào)節(jié)，以使推進速度降低。在其隨后的進一步運動中，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。當(dāng)?shù)都馀c滾球接觸時，傳感器會傳來信號進行指示。此時，促動器立刻停止，它的這個位置被設(shè)定為新的零點位置。
圖4顯示了確定零點位置的可重復(fù)性，圖中顯示的實驗為50次重復(fù)操作，其值小于5um。第二條曲線顯示了操作過程中的最大力均低于0.4N，這個結(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引起任何切刀和滾球的機械損壞，甚至在經(jīng)過了50次重復(fù)實驗之后也是如此。新系統(tǒng)通過陰影傳感器來監(jiān)控表皮的切口以及和精密的刀刃測量相結(jié)合，減少了刀刃上的負荷，同時獲得了比以前系統(tǒng)更小的公差，并通過簡化了的測量系統(tǒng)顯著提高了測量精度。
圖4 刀尖的力值和位置
上面已提到，通過傳感器連續(xù)不斷的測量及記錄，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)的促動器位置也被記錄并檢測。
從大量的實驗研究中可以發(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。這要歸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發(fā)生彈性收縮，根據(jù)材料的不同，收縮的程度也會不同。切割之后，材料松弛，因此，實際的剩余壁厚要比預(yù)計的壁厚大一些。為達到所要求的壁厚，切刀與接觸面的距離減小量需通過實驗來獲得。
圖5 刀下表皮的彈性行為
當(dāng)?shù)都庾冣g時，會導(dǎo)致剩余壁厚逐漸發(fā)生變化。在新系統(tǒng)中，切刀的磨損可通過切割力的記錄進行監(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)也就成為第一個考慮了“切刀磨損”這個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)基于簡單、可靠的原理，該原理使省去特殊的、昂貴的傳感器，實施整體設(shè)計及簡化夾具成為可能。新系統(tǒng)采用促動器和傳感器的整合裝置來完成不同的操作，獲得了比目前的機械手輔助工藝更高的精度，同時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。
