LD-3000型全自動電容器蓋板電極裝配機研制

陳旭東，石劍鋒，馬敏莉

（南通職業大學 機械工程學院，南通 226007）

0 引言

近年來國際國內電子工業的飛速發展，帶動電子元器件行業的發展，鋁電解電容器是目前國內發展最快的元器件之一。特別是L型鋁電解電容器，由于其耐壓高，容量大而無可替代，用途尤為廣泛，近年來市場需求越來越旺盛。電容器蓋板如圖1所示是L型鋁電解電容器的主要零件，據初步估算，2011年國內的蓋板需求約在6億只以上，預計2012年將會超過8億只。而一個完整的蓋板上包含兩個以上電極，所以電極的需求應在12億只以上，可見市場需求量是很大的。蓋板電極由鉚釘如圖2所示和牛角焊片（L型鋁電解電容器的引出電極，如圖3所示）裝配點焊而成[1]。

圖1 蓋板圖

圖2 鉚釘

圖3 牛角

通過調查，目前國內蓋板生產企業主要以手工生產為主，生產率低，并且產品質量離散性大，生產成本高，產能和質量受諸多不確定因素影響較大，無法滿足市場需要。因此國內各廠家都迫切希望用自動化設備來代替傳統的人工生產，以提高勞動生產力，提高產品質量檔次，提高市場占有率。

1 蓋板電極裝配機主要功能與參數

L型鋁電解電容器的蓋板生產分兩個工程來完成，第一個工程為蓋板電極裝配和焊接，具體來講就是由將鉚釘插入鐵制的牛角焊片（牛角是電極的一部分），如圖4，然后將已插入鉚釘的牛角電極在專用的點焊裝置上進行可靠焊接，這樣蓋板電極就完成了。而第二個工程為蓋板裝配和沖壓工程，是將已沖好兩只孔的蓋板分別裝上兩個焊接好的電極再放上墊圈，然后分別沖鉚在膠木和橡膠復合材料制成的蓋板上，這樣一個完整的蓋板產品就完成了[2]。LD-3000型全自動電容器蓋板電極裝配機的主要功能是完成研究第一工程的生產任務。

圖4 牛角與鉚釘裝配圖

LD-3000型全自動電容器蓋板電極裝配機的主要技術難題是解決鋁電解電容器蓋板上鉚釘和牛角尺寸小、質量輕、精度要求高及裝配時定位精度要求高的問題。設備的主要技術參數：工作速率為0～50次/分鐘可調；鉚釘、牛角報廢率不超過1‰；鉚釘和牛角裝配合格率＞98%；設備開機率＞95%。

2 主要機械機構設計

2.1 設備研制方案的總體構思

LD-3000型全自動電容器蓋板電極裝配機研制的總體構思，該設備牛角和鉚釘采用圓形和直線振動盤來實現自動送料，并利用光纖檢測送料盤是否上滿料，當料上滿時則振動盤自動停止上料，避免送料堵塞。系統要實現牛角上料、牛角檢測、鉚釘上料、鉚釘檢測、牛角鉚釘提取、送入點焊裝置六個工作內容并自動循環，因此采用M601RDM12H24-180型凸輪驅動式間歇運動分割器實現六工位間歇運動[3]。系統執行機構采用氣缸和機械手組合形式，機構簡單、工作可靠，并采用光纖、光電開關等進行檢測，采用PLC程序控制，實現系統的自動化工作。

2.2 傳動方案的選擇

LD-3000型全自動電容器蓋板電極裝配機傳動機構要實現的主要功能是：1）采用齒輪傳動方式帶動M601RDM12H24-180型凸輪驅動式間歇分割器。間歇運動分割器的主要參數：輸出力矩為320N.M，轉位時間為0.51秒，停止時間為0.5秒，動程角為180°，連續運轉壽命為10萬小時以上；2）系統執行機構中有凸輪、齒輪等，傳動機構必須帶動驅動軸旋轉；3）系統工作速率為0～50次/分鐘可調，因此傳動方案中必須配置減速箱。

根據傳動機構的功能要求，設計出傳動原理圖[4]，如圖5所示。根據蓋板電極裝配機傳動原理圖，傳動機構的設計主要包括電動機的選擇、傳動比分配、傳動機構的運動和動力參數計算、主要傳動件的設計計算、驅動軸的設計計算等。最后確定傳動機構的結構，如圖6所示。

圖5 傳動原理圖

2.3 牛角上料機構的設計2.3.1 牛角上料機構的功能

牛角上料機構的功能：將牛角從直線振動器送料閘門位置準確推入工位盤工位中。根據機構的功能要求，牛角上料機構要完成二個動作：一是定位圓柱銷向下放入牛角孔中的動作；二是將牛角推入工位盤定位槽中的動作。

根據LD-3000電容器蓋板電極裝配機的總體結構，牛角上料機構二個動作的主要技術參數：定位圓柱銷上下工作行程為10mm左右，前后工作行程為10mm左右，定位圓柱銷保證與牛角孔準確定位，有較好的耐磨性。

圖6 傳動機構立體圖

2.3.2 牛角上料機構的方案選擇

根據牛角上料機構的功能和參數要求，從牛角形狀分析，其平面較小，不需要夾緊，只需要在工作盤表面滑動就可以上料，并且不需要走弧線，走直線就可以完成動作。經綜合考慮采用氣缸實現動作，機構較簡單，可以方便實現程序控制。其動作流程：定位氣缸下降→推進氣缸前進→定位氣缸上升→推進氣缸后退，進入下一個工作循環。

根據行程和缸徑，查找氣缸標準，牛角上料 定位氣缸和推進氣缸選擇上海康茂氣動控制元件有限公司制造的QP型短行程輕型氣缸，型號QP2A10A10，氣缸的缸徑為10 mm，行程為10 mm，缸體固定式。通過氣缸的選擇和主要機械零件的設計，確定了牛角上料機構的結構，LD-3000電容器蓋板電極裝配機牛角上料機構立體圖如圖7所示。

圖7 牛角上料機構立體圖

圖8 牛角提取機構動作時序圖

2.4 牛角鉚釘提取機構的設計

2.4.1 牛角鉚釘提取機構的功能

牛角鉚釘提取機構的功能：將已經裝入鉚釘的牛角通過機械手提取，準確送到點焊工位。根據機構的功能要求，牛角鉚釘提取機構要完成的主要動作：1）機械手上下運動；2）機械手夾緊松開動作；3）機構實現轉位運動；4）機械手前進后退運動。四個動作的工作時序如圖8所示。

根據LD-3000電容器蓋板電極裝配機的總體結構，牛角鉚釘提取機構四個動作的主要技術參數：1）機械手上下工作行程為30mm；2）前后工作行程20mm左右；3）機械手夾緊對向行程為4 mm；4）機械手回轉角度45°，轉位精度±1。

2.4.2 牛角鉚釘提取機構的方案選擇

根據牛角鉚釘提取機構的功能和參數要求，提取機構的方案采用機械凸輪與氣缸組合實現動作，機械手夾緊、松開、上下、前后動作由氣缸來實現動作，機械手回轉運動由機械凸輪來實現。機械手上下氣缸、機械手前后氣缸選擇QP型短行程輕型氣缸，型號為別為QP2A40A35和QP2A12A20，機械手夾緊氣缸選擇型號為MHZ2-6D的夾緊氣缸。

牛角鉚釘提取機構要實現機械手回轉運動，回轉角度45°，轉位精度±1′。根據機構的方案選擇采用轉位凸輪 實現動作，當牛角鉚釘提取機構轉位凸輪運動時把運動規律傳遞給擺桿，通過擺桿傳遞給齒條，從而帶動齒輪一起運動實現機械手的轉位。根據結構要求齒輪分度圓直徑定為50 mm，當牛角鉚釘提取機械手轉動角度為45°，則齒輪需轉動為45°，齒輪轉動弧長為：

因此齒條運動行程為23mm，即牛角鉚釘提取轉位凸輪升程為23mm。最后確定牛角鉚釘提取機構的結構，如圖9所示。

圖9 牛角鉚釘提取機構立體圖

3 電器控制硬件系統設計

3.1 蓋板電極裝配機電器原理框圖

LD-3000電容器蓋板電極裝配機采用氣動元件實現動作，采用凸輪驅動式間歇分割器實現系統間歇運動，采用磁感應接近開關、光纖等進行狀態檢測，采用變頻調速器實現設備無級調速。根據功能要求，分析設計LD-3000電容器蓋板電極裝配機的原理框圖，如圖10所示。

圖10 牛角裝配控制系統的原理框圖

表1 輸入輸出地址分配表

圖11 LD-3000電容器蓋板電板裝配系統控制流程圖

選用變頻器型號為MM440 A型三相，其輸入電壓380～480VAC、功率為0.37`1.5kw。根據《S7-200系統手冊》CPU224 PLC 輸入點數14/輸出點數10，根據需要擴展EM222與EM223各一個，這樣整個系統總輸入點數22/總輸出點數26，完全能滿足系統目前要求及后續擴展要求。

3.2 電氣控制原理圖

根據 LD-3000電容器蓋板電極裝配機的工作性能要求，設計LD-3000電容器蓋板電極裝配機PLC控制原理圖，其輸入輸出地址功能分配表如表1所示，凡表1中未列出地址作為備用地址。

3.3 控制流程圖

LD-3000電容器蓋板電板裝配系統總共有六個工位，保括牛角上料、檢測牛角、鉚釘上料、檢測鉚釘、牛角鉚釘提取并送入點焊裝置、清除等工作內容；控制模式有手動、自動兩種。具體控制流程如圖11所示。

4 結論

LD-3000電容器蓋板電極裝配機樣機研制已經成功，使用表明，性能可靠、操作方便、生產效率高，造價約為國外同類設備的1/4左右，設備正常運轉開機率＞95%，產品合格率99%，解決了國內L型鋁電解電容器蓋板的自動化生產問題。因此，LD-3000電容器蓋板電極裝配機具有較好的推廣價值。

[1] 陳國光.鋁電解電容器[M].成都.成都科技大學出版社,2001: 53-58.

[2] 林學清.鋁電解電容器工程技術[M].廈門: 廈門大學出版社, 2002: 10-12.

[3] 孫淑霞, 常江.蝸形凸輪分度機構共軛曲面研究[J].沈陽工業大學學報, 2001, (4): 96-98.

[4] 陳秀寧, 施高義.機械設計課程設計(第三版)[M].杭州:浙江大學出版社, 2007: 9-10.