斷路器動觸點自動焊接單元布置形式的分析

□ 陳佳成1 □ 陳金成 □ 徐志明

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1 研究背景

傳統的人工焊接效率低下,質量一致性差,作業環境對工人身體傷害大。隨著科技的進步、產品質量要求的提高,以及人力成本的增加,自動化焊接取代人工焊接已成為發展趨勢。目前,自動化焊接在汽車白車身生產中應用比較普遍,但在斷路器觸點焊接方面的應用則剛起步[1]。采用自動電阻焊接,可以保證每個焊接點位置、角度、速度的一致性,并可以對焊接電流、時間等重要參數進行監控[2],確保觸點的焊接質量,并大大改善操作人員的作業環境。

2 焊接單元布置形式

斷路器動觸點一般由銅觸頭和銀點組合而成,如圖1所示。各類斷路器動觸點結構大同小異,只是銅觸頭大小、銀點位置和數量有所差別。目前,斷路器動觸點產品的自動焊接單元通常有四種布置形式，分別為直線型、回轉型、機械手型和混合型。

2.1 直線型布置形式

直線型布置形式是一種常規布置形式,較多采用氣缸、直線導軌、直線軸承等驅動和導向元件,結構簡單,制作容易[3]。斷路器動觸點自動焊接單元直線型布置原理如圖2所示,其動作過程如下:銅觸頭通過銅觸頭振動盤定向排序、傳輸,銅觸頭夾指夾取銅觸頭,直線平移,點膏,再直線平移至焊接夾具處,氣缸夾指松開銅觸頭并退回;與此同時,銀點通過銀點振動盤定向排序、傳輸,銀點夾指夾取銀點,直線平移至銅觸頭上,上電極氣動壓緊,銀點夾指松開并退回；焊接,上電極松開,回轉氣缸卸料。銅觸頭與銀點傳輸路線相互垂直,便于使單元整體呈近似正方形布置,外形美觀,內部調試、檢修方便。

▲圖1 斷路器動觸點▲圖2 直線型布置原理

直線型布置節拍框圖如圖3所示,任何器件重復兩次動作之間的時間即為單元節拍。

由圖3可以看到,直線型布置的單元節拍為8.5 s。由于單元中各元件并行動作較少,因此單元節拍較慢。

▲圖3 直線型布置節拍框圖

2.2 回轉型布置形式

回轉型布置形式采用回轉分割器回轉定位,常用4～8工位,布置原理如圖4所示。各工位動作如下:銅觸頭振動盤出料后,夾指機械手上料(工位1)，點膏(工位2)，銀點振動盤出料后上料(工位3)，焊接(工位4)，沖字(工位5)，卸料(工位6)。采用回轉型布置形式，單元結構復雜，工序多，節拍快，成本相對較高[4]。

▲圖4 回轉型布置原理

回轉型布置節拍框圖如圖5所示。六個工位上的工件同時作業,動作時間最長的工位決定單元節拍,動作時間相對較短的工位在動作完成后即處于等待狀態。各工位作業完成后,回轉分割器回轉一個角度,進行下一步組合或工序執行?；剞D分割器回轉一個工位角度的時間較短,往往不長于1 s。

由圖5可以看到,回轉型布置的單元節拍為5.0 s。由于單元中各元件并行動作較多,因此節拍較快。

2.3 機械手型布置形式

采用機械手布置形式,可以輕易完成物料在空間上的平移、翻轉、傾斜等[5]。機械手布置原理如圖6所示,其動作過程如下:銅觸頭振動盤出料,機械手上料；點膏并檢測；銅觸頭移至夾具；銀點經振動盤出料,機械手上料；移至銅觸頭上；焊接；機械手夾取成品,移至料倉。

機械手型布置形式可以完成三種不同觸頭焊接的組合,操作柔性好,但所有移料動作由機械手完成,因此節拍很慢。此外,機械手價格昂貴,成本相對較高。

機械手型布置節拍框圖如圖7所示。機械手分別將銅觸頭和銀點移至焊接夾具,焊機開始工作。焊接完成后,再由機械手卸料。

由圖7可以看到,機械手型布置的單元節拍為13 s。由于單元中沒有并行動作器件,節拍很慢。

2.4 混合型布置形式

機械手型布置形式雖然具有操作柔性特點,但是不同產品焊接時,需要更換夾具。更換后還需要對夾具、電極進一步調試,工作量較大。多次裝拆夾具還容易使定位精度降低[6],使組件相對位置發生偏移?；旌闲筒贾眯问娇梢允孪葘⒉煌a品的焊接夾具布置在回轉分割器的不同工位上,更換產品時,只需在觸摸屏上操作回轉分割器回轉即可。因此,混合型布置形式較機械手型布置形式體積更大,但更換夾具等待時間較短,有利于提高工作效率和單元自動化水平?；旌闲筒贾迷砣鐖D8所示。

▲圖7 機械手型焊接單元節拍框圖

▲圖5 回轉型焊接單元節拍框圖▲圖6 機械手布置原理

混合型布置形式與機械手型布置形式相比,節拍相近,亦可完成多種產品的焊接組合,操作柔性較好,且更換產品時調整工作量較少,效率較高,但體積更大,成本更高。

3 應用及分析

杭州之江開關股份有限公司從事自動化焊接設備改造多年,對斷路器自動電阻焊接進行了深入研究,各種布置形式的焊接單元都有涉及。圖9(a)所示為HSM1-125塑殼斷路器動觸點自動焊接單元，屬直線型布置形式。圖9(b)所示為HSM1系列塑殼斷路器熱元件自動焊接沖字單元，屬回轉型布置形式。圖9(c)所示為HSW1-2000框架斷路器動觸點自動焊接單元，屬機械手型布置形式。實際使用中,若每天開機6 h,HSM1-125塑殼斷路器動觸點可焊接成品2 400～2 800只，HSM1系列塑殼斷路器熱元件可焊接成品3 200～3 600只，更換不同厚度熱元件時,需對振動盤略作調整，HSW1-2000框架斷路器動觸點可焊接成品1 100～1 500只。由于產量的限制,前兩個單元每月工作10天左右就可完成月計劃,機械手型布置形式由于可以焊接三種產品,每月需工作25～30天才可完成月計劃。從實際使用效果來看,機械手型布置形式作業速度雖慢,但操作柔性好,可完成三種不同觸頭的焊接,同時工作平穩性更好,故障率更低。目前，機械手移動速度僅用至最高速度的40%～50%,若滿負荷操作，則工作效率還可以有較大的提升空間。

對四種布置形式進行對比分析,見表1。

設備焊接使用過程中,還應注意:① 不要選擇焊點過高或銀點面積過大的產品,因為電阻焊時需要很大的能量,易燒損電極[7],若增加電極表面打磨頻次,則影響單元節拍[8];② 不要選擇銀點面積過小的產品，小面積銀點自動傳送比較困難,卡料現象會增多，且小面積銀點易燒損,質量難以保證,一般小面積銀點采用自動鉚接制作,速度快,質量更好[9];③ 電極經過一定次數焊接后，一般為幾千次,需要對電極表面進行簡單打磨,防止焊接過程中電極表面出現毛刺，對焊接質量造成影響。

表1 焊接單元布置形式對比

▲圖8 混合型布置原理

▲圖9 斷路器動觸點自動焊接單元布置形式

4 結束語

筆者對常用的四種斷路器動觸點自動焊接單元布置形式進行了分析,目前，各種布置形式的焊接單元均有應用。

從成本角度分析,優先選擇直線型布置形式。從節拍角度分析,優先選擇回轉型布置形式。從操作柔性角度分析,優先選擇機械手型或混合型布置形式。

隨著科技的進步和人們生活水平的提高,個性化訂單越來越多[10],多品種小批量生產是工業產品發展趨勢[11]。另一方面,機械手應用日益普及,設備成本不斷下降,由此,機械手型或混合型布置形式的自動焊接單元將會越來越多地得到應用。