電容器蓋板自動鉚接機的設(shè)計

鄭天池 ，張 軍 ，邵建新 ，邱自學(xué)

（1.南通大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

1 引言

電容器可作為一種儲能元件，一般在電路中用于調(diào)諧、濾波、耦合、旁路、能量轉(zhuǎn)換和延時[1]。鋁電解電容器憑借其容量大，壽命長等特點[2]，使得其廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、新能源、自動化控制、高速鐵路、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域[3-4]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電容器生產(chǎn)制造企業(yè)需要提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化程度，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，才能滿足日益增長的市場需求。

電容器芯包引腳進行刺孔裁切后，需進行蓋板鉚接，蓋板鉚接時主要依靠壓力實現(xiàn)。常見的鉚接技術(shù)有沖壓鉚接、電磁鉚接等，在鉚接設(shè)備和鉚接技術(shù)等方面，國內(nèi)外學(xué)者進行了詳細(xì)的研究，文獻[5]設(shè)計了鉚接機的進料系統(tǒng)，包括進料系統(tǒng)的程序設(shè)計和自動進給振動板的設(shè)計；文獻[6]通過實驗和有限元分析了多層鋼和鋁合金片材的自沖鉚接接合方法，可以把超高強度鋼、軟鋼和鋁合金板順利鉚合；文獻[7]對全自動鉚接、卷繞聯(lián)體機的導(dǎo)針上料機構(gòu)的齒輪進行了優(yōu)化設(shè)計，齒輪優(yōu)化后，機構(gòu)工作平穩(wěn)性得到提高，加工出的鋁電解電容器質(zhì)量得到明顯改善；文獻[8]對現(xiàn)有鉚接的接點存在凸出過高的缺點，提出了一種接點式的改進方法，該方法在無鉚釘鉚接接點的基礎(chǔ)上，利用模具降低原接點的高度，提高了無鉚釘鉚接件的連接強度。

目前，國內(nèi)鋁電解電容器的生產(chǎn)企業(yè)在電容器蓋板鉚接過程中，主要采用的是手工或半自動化方式，受人為因素影響，鉚接質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低；鉚接氣缸行程調(diào)節(jié)不便，容易出現(xiàn)過鉚或鉚接不牢的情況；同時，鉚接過程中，由于蓋板端面受力不均勻，易造成蓋板斷裂等問題。

為提高電容器生產(chǎn)制造企業(yè)的自動化程度和蓋板鉚接工藝的產(chǎn)品質(zhì)量，按電容器蓋板鉚接制造工藝要求，設(shè)計了鋁電解電容器蓋板自動鉚接機及其控制系統(tǒng)，有效地解決了蓋板鉚接過程中易斷裂的問題，且能夠適應(yīng)多規(guī)格的蓋板自動鉚接。

2 電容器蓋板結(jié)構(gòu)及工藝要求

鋁電解電容器生產(chǎn)制造工序過程包括電解紙和電極箔的切割、刺鉚/卷繞、浸漬、引腳刺孔、蓋板鉚接、灌膠、芯包入殼、鋁殼封口、高溫老化、套管包裝等工序，該設(shè)備主要完成的工序為蓋板鉚接。蓋板主體材料為酚醛樹脂，端子材料為鋁，外形如圖1（a）所示；電容器進行蓋板鉚接前，已完成刺孔裁切工序，即對電容器芯包的兩個引腳逐個刺孔，并裁切掉多余的引腳，同時與華司緊密裝配，如圖1（b）所示；電容器芯包刺孔裁切后，選擇對應(yīng)型號的蓋板，將電容器芯包引腳按照對應(yīng)陽極、陰極安裝在蓋板端子上，如圖1（c）所示；通過該設(shè)備對蓋板端子進行逐個鉚接，鉚接完成后的電容器蓋板，如圖1（d）所示。

圖1 蓋板結(jié)構(gòu)及工藝圖Fig.1 Cover Plate Structure and Process Chart

電容器蓋板鉚接的工藝要求為：蓋板鉚接過程中，鉚接牢固，無過實現(xiàn)象，連續(xù)鉚接時鉚接性能一致、無波動；蓋板鉚接時不能出現(xiàn)開裂及端子部位機械損傷；鉚接出現(xiàn)異常的次數(shù)≤0.2%；鉚接良品率高于99.5%。

3 蓋板鉚接機技術(shù)方案及關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 整體技術(shù)方案設(shè)計

電容器蓋板自動鉚接機由機械系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)及圖形操作終端等構(gòu)成。其中，機械系統(tǒng)包括設(shè)備機體、電解液收集漏斗、蓋板放置組件、線性移動組件、電容器放置組件、蓋板鉚接組件、鋁屑負(fù)壓收集裝置等，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

蓋板鉚接機的工作過程如下：

根據(jù)所生產(chǎn)的電容器芯包型號，選擇對應(yīng)型號的蓋板，更換相應(yīng)的鉚接模具。在圖形操作終端上選擇“自動鉚接”界面，設(shè)定電容器蓋板端子間距參數(shù)。將刺孔裁切完成的芯包置入電容器芯包放置V型塊上，蓋板置入鉚接模具的定位孔中，并將電容器芯包引腳按照對應(yīng)陽極、陰極安裝在蓋板端子上，調(diào)節(jié)電容器放置V型塊的高度，使芯包與蓋板裝配緊密。

按下啟動按鈕，控制系統(tǒng)控制步進電機驅(qū)動線性移動組件將電容器蓋板及芯包輸送到鉚接工位。鉚接氣缸工作，驅(qū)動鉚接頭對蓋板端子逐個進行鉚接。鉚接完成后，脫模氣缸工作，對鉚接模具中的蓋板進行脫模。脫模完成后，翻轉(zhuǎn)組件將鉚接完成的芯包和蓋板輸送到接收平臺上。接著，蓋板放置組件和電容器放置組件在步進電機的驅(qū)動下回原位。

圖2 蓋板自動鉚接機示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Automatic Riveting Machine

3.2 蓋板鉚接組件設(shè)計

蓋板鉚接組件由鉚接脫料機構(gòu)、鉚接氣缸、新款速度控制閥、減壓閥和立柱構(gòu)成，如圖3所示。保證了蓋板鉚接的質(zhì)量和設(shè)備的穩(wěn)定性。

圖3 蓋板鉚接組件Fig.3 Cover Plate Riveting Component

依據(jù)鉚接機現(xiàn)場使用情況，要求其輸出力為500kg，鉚接氣缸工作壓力在0.5MPa，根據(jù)氣缸輸出力計算公式：

式中：p1—氣缸使用壓力；A1—氣缸活塞截面積；A2—氣缸活塞桿截面積；F—氣缸輸出力。

由F=500kg，p1=0.5MPa，查閱SMC樣本資料，選擇缸徑為125mm，活塞桿直徑為36mm的氣缸，經(jīng)驗算滿足使用要求；根據(jù)鉚接工序氣缸活塞桿伸出的位移，選取鉚接氣缸的行程為50mm。

3.3 電容器蓋板浮動式鉚接機構(gòu)設(shè)計

電容器蓋板一般由專用廠家配套生產(chǎn)制造，由于工藝技術(shù)等原因，蓋板的兩個端子平面度及高度存在誤差。兩個端子同時鉚接時，蓋板端子受力不均，易導(dǎo)致蓋板變形或斷裂，從而造成廢品。為此，工藝上要求對蓋板端子進行逐個鉚接，以避免蓋板變形或斷裂。

完成電容器蓋板的鉚接，需要一定的鉚接壓力。鉚接時，通過線性移動組件驅(qū)動，實現(xiàn)蓋板端子的逐個鉚接。線性移動組件一般不能承受與其運動方向垂直的較大的正壓力，因此要求施加的鉚接壓力不能直接作用在線性移動組件上。為此，設(shè)計了一種浮動式鉚接機構(gòu)，以實現(xiàn)電容器蓋板端子的逐個鉚接，消除由于蓋板端子平面度及高度存在誤差帶來的不利影響。所設(shè)計的電容器蓋板浮動式鉚接機構(gòu)由支撐臺板、浮動鉚接組件、受力柱、連接板、線性移動組件、翻轉(zhuǎn)組件和電容器芯包放置V型塊組成，如圖 4（a）所示。

圖4 電容器蓋板浮動式鉚接機構(gòu)Fig.4 Floating Type Riveting Mechanism for Cover Plate

浮動鉚接組件安裝在連接板上，，如圖4（a）所示。包括支撐架、導(dǎo)向滑塊、導(dǎo)向桿、彈簧、壓板、鉚接桿和鉚接模具，通過壓板與彈簧作用使鉚接模具處于浮動狀態(tài)，兩根鉚接桿安裝于鉚接模具上，如圖4（b）所示。在鉚接模具處于浮動狀態(tài)時，保證鉚接桿與受力柱頂部之間的間隙為（0.2～0.3）mm，使得線性移動組件驅(qū)動浮動鉚接組件移動過程中，鉚接桿與受力柱頂部不接觸。鉚接時，鉚接模具下移，鉚接桿與受力柱接觸，鉚接壓力作用在受力柱上，而不直接作用在線性移動組件上；鉚接完成后，鉚接模具在彈簧的作用下，返回初始位置。

3.4 線性移動組件設(shè)計

線性移動組件安裝在支撐臺板上，由步進電機、聯(lián)軸器和線性模組構(gòu)成。由于翻轉(zhuǎn)運動克服的力很大，需對翻轉(zhuǎn)運動進行受力分析，驗證所選的步進電機能否滿足要求。

（1）翻轉(zhuǎn)過程中翻轉(zhuǎn)力的計算

將翻轉(zhuǎn)過程簡化成力學(xué)模型，如圖5所示。

圖5 翻轉(zhuǎn)簡化模型Fig.5 Turnover Simplified Model

設(shè)翻轉(zhuǎn)過程中的翻轉(zhuǎn)力為F，要使芯包和蓋板能夠翻轉(zhuǎn)過去，則翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩M需滿足：M＞0。

由圖6可得轉(zhuǎn)矩M的計算公式：

式中：G0=75 N，為翻轉(zhuǎn)物的重力；θ—翻轉(zhuǎn)角。

由式（3）知，隨著 θ↑，cosθ↓，則 F↑。根據(jù)三維設(shè)計分析，翻轉(zhuǎn)過程中θ的最大值為75°，此時cosθ=0.25，可得：

取安全系數(shù)Sf=1.2，則所需翻轉(zhuǎn)力為：

所以翻轉(zhuǎn)過程中的翻轉(zhuǎn)力為1000N。

（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算

步進電機驅(qū)動的組件參數(shù)，如表1所示。

表1 驅(qū)動組件參數(shù)Tab.1 Driving Component Parameters

運行方向負(fù)載：

考慮安全系數(shù)Sf=1.2，則負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

所選進電機的型號為RKS569AC-1，其轉(zhuǎn)矩為1.77N·m，大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足使用要求。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用先進的PLC控制技術(shù)實現(xiàn)對各個檢測傳感器及氣缸的動作控制[9-11]；采用圖形操作終端對生產(chǎn)參數(shù)進行設(shè)置、調(diào)整。

4.1 PLC選型及I/O口分配

為了留有余量，且綜合考慮性價比，所選PLC的型號為FX3GA-40MT。鉚接機控制系統(tǒng)輸入點數(shù)為9，輸出點數(shù)為8，共計17個點，其I/O口分配，如表2所示。

表2 PLC的I/O口分配Tab.2 I/O Port Allocation of PLC

4.2 PLC程序設(shè)計

PLC的程序設(shè)計采用GX-Works2，PLC工作的控制程序流程，如圖6所示。

4.3 圖形操作終端畫面設(shè)計

圖形操作終端（Graphic Operating Terminal），用于用戶與控制系統(tǒng)之間的信息傳遞，可以根據(jù)生產(chǎn)要求在界面上設(shè)置和修改參數(shù)[12-13]。設(shè)備使用的圖形操作終端采用日本三菱公司生產(chǎn)的GS2107-WTBD，通過RS-422和USB接口與外界設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信，其中編寫的PLC程序通過RS-422接口與PLC完成通信，編寫的畫面程序通過USB接口與電腦完成數(shù)據(jù)傳輸，圖形操作終端程序，如圖7所示。

圖6 PLC程序流程圖Fig.6 Program Flow Chart of PLC

圖7 圖形操作終端操作界面示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Graphical Operation Interface

第一層顯示界面：圖形操作終端通電后，經(jīng)過2s左右后進入“啟動界面”。第二層顯示界面：在“啟動界面”上，設(shè)計了3個觸摸鍵，分別為“設(shè)備概要”界面、“設(shè)備調(diào)試”界面、“自動鉚接”界面。第三層顯示界面：進入“設(shè)備調(diào)試”界面后，可以根據(jù)要求進入各個界面點動調(diào)試相應(yīng)的部件，分別為“步進電機調(diào)試”界面、“鉚接氣缸調(diào)試”界面、“脫模氣缸調(diào)試”界面、“防護罩門檢測”界面。進入“自動鉚接”界面后，可以對電容器蓋板端子間距參數(shù)和鉚接保持時間參數(shù)進行設(shè)置，同時可以觀測設(shè)備的運行狀況是否正常；蓋板端子間距共有4種，當(dāng)輸入的蓋板端子不是設(shè)定的4種參數(shù)之一時，系統(tǒng)會自動報警、停機。自動鉚接操作界面，如圖8所示。

圖8 自動鉚接界面設(shè)計Fig.8 Design of Automatic Riveting Screen

5 結(jié)論

根據(jù)電容器蓋板鉚接工藝要求，設(shè)計了電容器蓋板自動鉚接機，該設(shè)備具有性能穩(wěn)定、自動化程度高、參數(shù)修改方便等特點。該設(shè)備已在電容器生產(chǎn)企業(yè)使用，運行周期為8s，有效提高了電容器蓋板鉚接的生產(chǎn)效率；鉚接過程中，無過實現(xiàn)象，連續(xù)鉚接時鉚接性能一致、無波動；鉚接及翻轉(zhuǎn)出現(xiàn)異常的次數(shù)≤0.2%，鉚接良品率高于99.95%；控制系統(tǒng)能夠無故障連續(xù)運行，保障了產(chǎn)品質(zhì)量和運行效率，為企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟和社會效益。

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