干式電容器芯子組翻轉(zhuǎn)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)

唐少琴

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通用航空學(xué)院，陜西 西安 710089)

0 引言

隨著“工業(yè)4.0”及“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的提出，制造企業(yè)迫切需要提升自動(dòng)化技術(shù)水平。TQCSE模型更是為其構(gòu)造了一個(gè)制造自動(dòng)化功能目標(biāo)的有機(jī)體系[1]。利用自動(dòng)化技術(shù)能有效地縮短產(chǎn)品制造周期，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)利用自動(dòng)化技術(shù)更有利于實(shí)現(xiàn)綠色制造。對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)和改造是一種提高自動(dòng)化技術(shù)水平的有效途徑。

近幾年來(lái)，某干式電容器焊接車(chē)間一直在進(jìn)行設(shè)備的自動(dòng)化升級(jí)和改造，并取得了良好的效果。現(xiàn)就該焊接車(chē)間電容器芯子翻轉(zhuǎn)工序的自動(dòng)化改造進(jìn)行分析和闡述。

1 設(shè)備功能的分解和分析

該干式電容器由若干個(gè)圓柱形的電容器芯子組合而成，電容器芯子端需進(jìn)行正、反面焊接。該焊接車(chē)間基本工藝流程為：1)電容器芯子組裝盤(pán)(指下托盤(pán))；2)正面焊接；3)裝上托盤(pán)；4)電容器芯子組翻轉(zhuǎn)；5)反面焊接；6)檢查并裝盒。

電容器芯子組翻轉(zhuǎn)工序主要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的運(yùn)送與分流、產(chǎn)品的翻轉(zhuǎn)和上、下托盤(pán)的分離。由于該電容器芯子形狀小、質(zhì)量輕，不易進(jìn)行位置的固定，原分流系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)角機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品和托盤(pán)的分流。由于轉(zhuǎn)角機(jī)旋轉(zhuǎn)精度低，易造成轉(zhuǎn)角機(jī)與輸送機(jī)對(duì)接位置誤差大，從而使托盤(pán)及產(chǎn)品在輸送機(jī)上發(fā)生轉(zhuǎn)位或與輸送機(jī)導(dǎo)軌發(fā)生碰撞，造成電容器芯子損壞和位置混亂，給下一步焊接造成麻煩。而芯子組的翻轉(zhuǎn)也一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，全靠人工進(jìn)行。為了提高車(chē)間的生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，該工序的自動(dòng)化改造迫在眉睫。

自動(dòng)化生產(chǎn)線是根據(jù)工藝順序自動(dòng)完成全部或部分制造過(guò)程的生產(chǎn)系統(tǒng)[2]。根據(jù)電容器芯子組翻轉(zhuǎn)工序的功能需求和工藝目標(biāo)，利用Solidworks軟件對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了功能模擬，如圖1所示。該設(shè)備主要由分流輥道和翻轉(zhuǎn)臺(tái)兩大部分組成。

圖1 電容器芯子組翻轉(zhuǎn)功能圖

1.1 分流輥道

分流輥道部分主要完成產(chǎn)品的運(yùn)送和分流。為了避免轉(zhuǎn)角機(jī)在運(yùn)送和分流托盤(pán)及產(chǎn)品的過(guò)程中造成電容器芯子位置的變動(dòng)，將轉(zhuǎn)角機(jī)分流改為雙向平移輸送機(jī)分流。該平移輸送機(jī)由縱向傳輸機(jī)和橫向傳輸機(jī)組成。

1)縱向傳輸機(jī)：完成托盤(pán)及產(chǎn)品的縱向移動(dòng)，是將完成工序3)的托盤(pán)及產(chǎn)品運(yùn)送到分流輥道上，如圖1所示。

2)橫向傳輸機(jī)：完成托盤(pán)及產(chǎn)品的運(yùn)送和托盤(pán)的分流。運(yùn)動(dòng)的方向分為向左和向右運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。向左是將完成縱向移動(dòng)的托盤(pán)及產(chǎn)品運(yùn)送到翻轉(zhuǎn)機(jī)上；向右是將完成180°～0°翻轉(zhuǎn)以后分離出來(lái)的空下托盤(pán)運(yùn)回到初始工位1，即裝托盤(pán)工位。

1.2 翻轉(zhuǎn)臺(tái)

翻轉(zhuǎn)臺(tái)主要由翻轉(zhuǎn)架和翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器組成，完成兩個(gè)動(dòng)作：翻轉(zhuǎn)和分離上、下托盤(pán)。

1)翻轉(zhuǎn)架：主要完成翻轉(zhuǎn)前產(chǎn)品的夾緊、定位和翻轉(zhuǎn)后上、下托盤(pán)的分離。

2)翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器：主要驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)架完成0°～180°和180°～0°的翻轉(zhuǎn)。

近年來(lái)，市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)，有純液壓驅(qū)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)，有齒輪齒條+液壓驅(qū)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)等。這些液壓系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)機(jī)系統(tǒng)性能可靠、故障少、結(jié)構(gòu)緊湊，技術(shù)性能先進(jìn)，自動(dòng)化程度較高[3]。但該焊接車(chē)間的翻轉(zhuǎn)機(jī)不宜采用液壓驅(qū)動(dòng)，因該電容器質(zhì)量輕，不超過(guò)200kg，翻轉(zhuǎn)過(guò)程中所需驅(qū)動(dòng)力小，而且液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)所占空間大、油管布置不方便，易造成泄漏和環(huán)境污染。氣動(dòng)系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別在易燃、易爆、多塵埃的惡劣工作環(huán)境中工作時(shí)，安全可靠性?xún)?yōu)于液壓系統(tǒng)；而且氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較小、使用的元件和工作介質(zhì)成本低，易于實(shí)現(xiàn)綠色制造。故整個(gè)設(shè)備均采用氣動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2 設(shè)備的機(jī)械部分升級(jí)和改造

2.1 分流輥道的設(shè)計(jì)

分流輥道采用雙層式設(shè)計(jì)，上層是做橫向運(yùn)動(dòng)的橫向傳輸機(jī)，該傳輸機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輥筒線輸送機(jī)，下層為做縱向運(yùn)動(dòng)的縱向傳輸機(jī)，縱向傳輸機(jī)采用倍速鏈輸送機(jī)；輥筒線輸送機(jī)導(dǎo)軌與倍速鏈輸送機(jī)導(dǎo)軌做垂直安裝，保證輥筒線輸送機(jī)的輥筒與倍速鏈輸送機(jī)的倍速鏈之間相互平行，且當(dāng)倍速鏈升起時(shí)能剛好從兩輥筒之間順利穿過(guò)。

分流輥道中橫向傳輸機(jī)為主傳輸機(jī)，安裝好后基本不動(dòng)；縱向傳輸機(jī)采用可升降式，安裝時(shí)低于橫向傳輸機(jī)，使用時(shí)必須先將其升起，比橫向傳輸機(jī)高出35mm。因該產(chǎn)品質(zhì)量輕，運(yùn)送位置精度要求不高，故采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頂升平穩(wěn)性好的剪刀叉頂升機(jī)構(gòu)[4]來(lái)升降縱向傳輸機(jī)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 剪刀叉頂升機(jī)構(gòu)

2.2 翻轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1)翻轉(zhuǎn)架

圖3為利用Solidworks軟件模擬的翻轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)示意圖。該翻轉(zhuǎn)架采用上、下兩層電機(jī)驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)觽鬏敊C(jī)構(gòu)，圖4為翻轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)圖。在該翻轉(zhuǎn)架端部和前后兩側(cè)各帶止動(dòng)定位氣缸，端部有3排，每排5個(gè)氣缸；前、后兩側(cè)，每側(cè)2個(gè)氣缸，共19個(gè)氣缸對(duì)進(jìn)入翻轉(zhuǎn)架的托盤(pán)及產(chǎn)品進(jìn)行夾緊和定位。

圖3 翻轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 翻轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)圖

為了有效地進(jìn)行上、下托盤(pán)的分離，在翻轉(zhuǎn)架內(nèi)部前、后兩側(cè)各開(kāi)了1個(gè)卡槽，卡槽高度大于下托盤(pán)側(cè)邊5mm, 方便托盤(pán)出入。當(dāng)翻轉(zhuǎn)架完成0°～180°的翻轉(zhuǎn)以后，下托盤(pán)因?yàn)榭ú鄣淖饔茫谥亓ψ饔孟虏荒芟侣洌贤斜P(pán)及產(chǎn)品因?yàn)橹亓ψ饔米杂上侣洌蛳侣溥^(guò)程距離短、產(chǎn)品質(zhì)量輕，下落后產(chǎn)品位置保持不變且不會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成損壞，從而使上托盤(pán)及產(chǎn)品與下托盤(pán)進(jìn)行分離。該卡槽的設(shè)計(jì)使翻轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制方便。

該翻轉(zhuǎn)架要能實(shí)現(xiàn)0°～180°和180°～0°的翻轉(zhuǎn)功能，在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中工件要保持平穩(wěn)，運(yùn)行時(shí)噪聲要盡量小，采用中心質(zhì)心作為旋轉(zhuǎn)軸，減少工件質(zhì)心和水平方向的移動(dòng)[5]。

2)翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪、齒條式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，具有驅(qū)動(dòng)力矩小、運(yùn)行平穩(wěn)、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)[6]。齒輪、齒條傳動(dòng)是一種工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中的齒條與翻轉(zhuǎn)機(jī)單活塞缸的活塞桿相連，活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)化為圓周運(yùn)動(dòng)[7]，即當(dāng)定位夾緊氣缸將產(chǎn)品定位夾緊以后，驅(qū)動(dòng)氣缸開(kāi)始動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)氣缸推動(dòng)齒條前進(jìn)，齒條通過(guò)與齒輪嚙合帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)到位，位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)使驅(qū)動(dòng)氣缸失電，停止旋轉(zhuǎn)。同理，當(dāng)驅(qū)動(dòng)氣缸換向閥換向，驅(qū)動(dòng)氣缸桿拉著齒條后退，齒條通過(guò)與齒輪嚙合帶動(dòng)齒輪反向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位，位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)使換向閥失電旋轉(zhuǎn)停止。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

2.3 托盤(pán)設(shè)計(jì)

該焊接車(chē)間原有的托盤(pán)采用鋁合金平板式托盤(pán)，為了方便產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)時(shí)的定位和夾緊，托盤(pán)四周加裝高140mm的側(cè)邊；托盤(pán)的前、后兩側(cè)邊上各加裝兩個(gè)定位耳。定位耳用于翻轉(zhuǎn)架對(duì)托盤(pán)進(jìn)行夾緊和定位時(shí)，翻轉(zhuǎn)架前、后兩側(cè)同時(shí)伸出4個(gè)氣缸。為了保證4個(gè)氣缸定位的準(zhǔn)確性，定位氣缸桿必須剛好通過(guò)定位耳，將托盤(pán)中的產(chǎn)品準(zhǔn)確夾緊和定位，同時(shí)也能保證翻轉(zhuǎn)架在翻轉(zhuǎn)時(shí)的中心平穩(wěn)。圖6為優(yōu)化后的托盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 托盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

a)工作流程設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要，要求該設(shè)備按照固定的流程和固定的節(jié)拍進(jìn)行運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際需求該設(shè)備的總節(jié)拍為100s，該設(shè)備的工作流程如下：

1)感應(yīng)開(kāi)關(guān)SQ1感知來(lái)料，分流輥道橫向輸送機(jī)電機(jī)順轉(zhuǎn)停，縱向輸送機(jī)電機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)剪刀叉升降機(jī)開(kāi)始頂升縱向輸送機(jī)。

2)托盤(pán)及產(chǎn)品縱向運(yùn)動(dòng)到位，碰限位開(kāi)關(guān)SQ2，縱向輸送機(jī)電機(jī)停止，橫向輸送機(jī)電機(jī)和翻轉(zhuǎn)架下層傳輸輥道電機(jī)逆轉(zhuǎn)同時(shí)啟動(dòng)，剪刀叉升降機(jī)2 s后開(kāi)始下降。

3)托盤(pán)及產(chǎn)品順?lè)D(zhuǎn)架前后卡槽滑入翻轉(zhuǎn)架，碰限位開(kāi)關(guān)SQ3，橫向輸送機(jī)和翻轉(zhuǎn)架下層傳輸輥道電機(jī)逆轉(zhuǎn)停止，翻轉(zhuǎn)架端部和前、后兩側(cè)19個(gè)氣缸同時(shí)動(dòng)作，對(duì)托盤(pán)及產(chǎn)品進(jìn)行定位和夾緊。因產(chǎn)品質(zhì)量輕，所需夾緊力小，所以對(duì)產(chǎn)品夾緊依然靠氣缸桿的行程進(jìn)行控制，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)控制夾緊力的大小。為了防止某處夾緊不到位而進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，引起電容器芯子位置的混亂，所以翻轉(zhuǎn)機(jī)頂端氣缸以每排為單位進(jìn)行分別控制，前、后端每端兩個(gè)氣缸同時(shí)控制，這樣組成5個(gè)同步回路。當(dāng)5個(gè)同步回路氣缸同時(shí)伸出到位，分別碰行程開(kāi)關(guān)SQ4、SQ5、SQ6、SQ7和SQ8，5個(gè)開(kāi)關(guān)均閉合才能進(jìn)行下一步的翻轉(zhuǎn)。

4)夾緊氣缸桿伸出到位，使限位開(kāi)關(guān)SQ4、SQ5、SQ6、SQ7和SQ8均閉合，翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)0°～180°。翻轉(zhuǎn)架的翻轉(zhuǎn)位置通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)氣缸桿伸出的長(zhǎng)度來(lái)控制。

5)驅(qū)動(dòng)氣缸桿伸出到位，碰限位開(kāi)關(guān)SQ10，翻轉(zhuǎn)停止，停5s后，19個(gè)夾緊定位氣缸同時(shí)縮回，下托盤(pán)和上托盤(pán)及產(chǎn)品分離。

6)停10s后，翻轉(zhuǎn)架上層傳輸輥道電機(jī)啟動(dòng)，將上托盤(pán)及產(chǎn)品運(yùn)送到下一工序。

7)上托盤(pán)及產(chǎn)品碰限位開(kāi)關(guān)SQ11，翻轉(zhuǎn)架上層傳輸輥道電機(jī)停止，同時(shí)翻轉(zhuǎn)架開(kāi)始翻轉(zhuǎn)180°～0°。

8)翻轉(zhuǎn)到位，碰限位開(kāi)關(guān)SQ9，橫向輸送機(jī)和翻轉(zhuǎn)架下層傳輸輥道電機(jī)順轉(zhuǎn)啟動(dòng)，將下托盤(pán)運(yùn)回到工序1)的位置。

b)氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)備中的氣動(dòng)系統(tǒng)主要由以下三部分組成：頂升平移機(jī)的頂升部分、翻轉(zhuǎn)架的夾緊定位部分和翻轉(zhuǎn)架的翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部分。

根據(jù)分流輥道上平面距離地面的高度、剪刀叉平移機(jī)初始高度和頂升后縱向輸送機(jī)高出橫向傳輸機(jī)的高度，確定出頂升后平移機(jī)頂升的高度為50mm。

根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)過(guò)程所承受的負(fù)載，計(jì)算選擇翻轉(zhuǎn)齒輪模數(shù)為4mm，齒數(shù)為30，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)氣缸行程為188.4mm，為了安全，行程取200mm。

根據(jù)翻轉(zhuǎn)架的尺寸，計(jì)算出翻轉(zhuǎn)架夾緊定位氣缸行程為125mm。根據(jù)各氣缸行程確定出限位開(kāi)關(guān)的位置。氣動(dòng)回路如圖7所示。

圖7 氣動(dòng)回路圖

根據(jù)工作流程確定出各限位開(kāi)關(guān)與換向閥電磁線圈的電順序表，如表1所示。

表1 限位開(kāi)關(guān)與換向閥電磁線圈電順序表

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)干式電容器焊接車(chē)間自動(dòng)翻轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行分析與研究，進(jìn)行了該制造單元自動(dòng)化設(shè)備的升級(jí)和改造，通過(guò)反復(fù)的實(shí)踐、調(diào)整、調(diào)試，最終確定并改造的這一套設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)、夾緊力適中、系統(tǒng)性能可靠、故障少、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，對(duì)小型電子產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)自動(dòng)化具有很強(qiáng)的借鑒意義。