控制柜DIN導軌安裝方式探討

趙志勇

摘? 要：DIN導軌目前已廣泛應用各類電氣自動化設備現(xiàn)場安裝環(huán)境中，目前大多情況下采用螺絲連接安裝，文章嘗試一種新的安裝方式——機器人點焊，以提高生產過程自動化水平，提高生產效率。

關鍵詞：DIN導軌;點焊機器人;生產效率

中圖分類號：TM505? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0128-02

Abstract： At present， DIN guideway has been widely used in the field installation environment of all kinds of electrical automation equipment， and screw connection is used in most cases. This paper tries a new installation method-robot spot welding， in order to improve the automation level of production process and improve production efficiency.

Keywords： DIN guideway; spot welding robot; production efficiency

1 概述

DIN導軌是電氣控制柜及自動化設備中常用的一個零部件，符合德國的工業(yè)標準。由于其安裝電氣元器件的便捷性，被廣泛應用于自動化、工業(yè)及民用等多個領域中。DIN導軌常用材料主要為鐵和鋁合金，每一種材質的DIN導軌都有多種規(guī)格型號，其中最常用的DIN導軌規(guī)格為35mm（寬度）×7.5mm（深度）×1mm（厚度）。目前很多電氣設備廠商都已推出符合DIN35標準的產品，例如西門子、施耐德、ABB、菲尼克斯等著名廠商的可編程邏輯控制（PLC）、空氣開關、電源、端子等，不同廠商的電器元器件都可以安裝在同一個規(guī)格的DIN導軌上，很大程度上提高了電氣元器件安裝的便捷性及互換性。

本文嘗試一種新的DIN導軌安裝方式——機器人點焊，以提高生產效率，提高生產線的自動化程度。

2 電阻點焊原理及特點

2.1 電阻點焊原理

點焊技術是Elihu Thomson在1877年偶然發(fā)現(xiàn)的，屬于壓接技術的一種，因為其組合便捷、速度快、變形量小、機械應力（拉力、剪力、彎曲、彎曲等）好、富有彈性等特點，被廣泛應用在汽車制造、航空航天等領域。點焊是將兩塊金屬重疊在一起，施加壓力并通以一個大的電流，由于金屬件接觸部位存在阻抗而產生熱量形成高溫，當溫度達到金屬的熔點時，金屬件將會開始融化，在施加的壓力作用下，兩塊金屬被壓合在一起形成焊點。如圖1所示，利用焦耳定律得知，金屬塊之間焊點產生的熱量Q為：

其中i、rew、rw、rc分別為電流值、電極與金屬塊的接觸電阻值、金屬塊的自有阻抗值、金屬塊之間的接觸電阻，t為電流的作用時間。

電阻點焊的焊接過程一般分為四個階段：預壓、焊接、維持和休止，如圖1所示。

在預壓階段，包含壓力上升和壓力恒定兩個部分，為了保證焊接質量，必須根據(jù)金屬塊的材質和厚度選擇對應的壓力，目的是建立穩(wěn)定的電流通道（F>0，I=0）。

在焊接階段，焊接電流通過金屬塊，隨著溫度的上升，接觸部位的金屬逐漸融化，從而獲得尺寸變化小的焊點（F>0，I>0）。

在維持階段，切斷焊接電流，焊接壓力繼續(xù)維持恒定，焊點因水冷系統(tǒng)迅速冷卻（F>0，I=0）。

在休止階段，電極開始提起離開焊接位置，回到起始狀態(tài)（F=0，I=0）。

2.2 電阻點焊特點

點焊時焊件成搭接接頭并壓緊在兩電極之間，其主要特點如下：

（1）電阻點焊的熱量非常集中，焊接時間短、焊接變形量小。

（2）電阻點焊不需要填充材料，不需要氣體保護。

（3）電阻點焊因其操作工藝非常簡單，對操作人員的技能要求不高，非常容易實現(xiàn)自動化。

（4）電阻點焊勞動強度小，不產生污染氣體，工作環(huán)境好。

（5）電阻點焊可以焊接同一種金屬或不同類型金屬。

（6）電阻點焊由于其電流大，對電網(wǎng)的沖擊比較大。

（7）電阻點焊的設備復雜且不易于維修。

（8）電阻點焊缺乏在線檢測焊接質量的技術手段。

3 點焊機器人系統(tǒng)及工作原理

3.1 點焊機器人系統(tǒng)的結構

點焊機器人系統(tǒng)架構及工作原理如圖2，該系統(tǒng)由可編程控制PLC、點焊機器人（IRB1410和IRC5控制器）、焊槍、焊接控制器及焊接輔助設備（壓縮空氣、冷卻水、電極修磨器）構成。

圖2 點焊機器人系統(tǒng)結構圖

3.2 點焊機器人系統(tǒng)工作原理

為確保點焊機器人系統(tǒng)各工作單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性，采用MODBUSTCP+數(shù)字I/O+模擬量實現(xiàn)相互通信，MODBUSTCP是當今工業(yè)控制領域中廣泛使用的一種現(xiàn)場總線，因傳輸速度快、抗干擾能力強和距離傳輸遠等特點，廣泛應用于各種工業(yè)領域的控制系統(tǒng)和分散式I/O之間的通信。

上電后自動進行系統(tǒng)的初始化：檢測各系統(tǒng)部件的狀態(tài)，主要包含點焊機器人是否回到安全位置、焊接工作是否完成;傳感器、氣源壓力等是否正常。對于安全信號，進行分級處理，重要的安全信號通過硬線連接，觸發(fā)設備停機;對于低級別的安全信號，則有PLC控制器發(fā)送停止信號。焊接過程中，實時檢測各工作單元的工作狀態(tài)，假如任何一個工作單元發(fā)生故障，系統(tǒng)自動停止工作，并通過聲光方式提醒操作人員，同時在觸摸屏上以故障列表的形式顯示故障部件、故障原因及解決方法等信息。焊接電流、焊接時間、焊接壓力、焊接位置等焊接參數(shù)均可通過觸摸屏進行設定，可根據(jù)實際需要進行調整，方便快捷。

3.3 點焊機器人系統(tǒng)布局

圖3為點焊機器人系統(tǒng)布局。

3.4 實驗

為驗證DIN導軌點焊機器人系統(tǒng)的可行性與焊接參數(shù)優(yōu)化，選擇一組DIN導軌進行試驗，在焊接壓力為2250N的情況下，調整焊接電流、焊接時間，得到如圖4所示的焊點。

考慮到生產效率和焊接質量穩(wěn)定性，電流設置偏差在正負20A以內，搏動在40A以內，參照實測焊點情況，焊接壓力設置偏差允許在±300N以內，波動在均值±90N以內。

4 結論

目前，DIN導軌焊接安裝方式已進行研究試驗驗證，但目前還需要進一步開拓市場應用。其實現(xiàn)難度有兩點：（1）控制柜背板的材質無法統(tǒng)一，PVC板、鍍鋅板、鐵板、噴塑板材等，各種材質的板材導電率不一樣，甚至無法導電;（2）DIN導軌與電氣器件直接機械卡扣連接形式不一，各大電氣器件廠商都有自己對應的卡扣形式，沒有形成統(tǒng)一的標準。

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