半導體功率組件自動擰緊工作站設計

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714001

摘要：某公司半導體功率組件產品有品種多（約百余種產品）、擰緊緊固力大（最大緊固力矩達百余牛米、自動設備少（全部采取手工壓裝的生產方式）的生產特點。近幾年功率組件產能為5萬套左右，經預測，十三五器件功率組件將有50%增長，手動功率組件裝配線最大日產能約150套，不能滿足規劃需求。目前人力成本居高不下，急需提高工作效率，降低勞動強度，提高組件質量的穩定性。

關鍵詞：功率組件；擰緊；規劃設計

根據國內外功率組件生產上的特點和普遍情況，結合某公司的具體情況，設計該公司的功率組件擰緊工作站，其目的在于：

1）通過該項目能有效提高功率組件生產能力、效率，改變手工作坊式式生產模式，有效提高裝配效率和裝配質量。

2）通過該項目能有效降低人員配置力。

3）通過功率組件擰緊工作站設計能有效提組件裝配的核心制造水平，可有效提企業的整體形象。

為了實現功率組件擰緊工作站搭建，從而有效提高某公司功率組件的核心競爭力和綜合獲利能力，本文的主要研究內容如下：

一、功率組件緊固方式方法的分析和研究

通過對功率組件裝配的加工精度要求和應用現場所起的作用，對過程工藝要求，出廠檢驗標準要求進行分析，確定各關鍵零部件的裝配方式和方法。

二、自動擰緊工作站的設計

通過對功率組件裝配全過程的分析研究，并接合國內同行業各生產廠裝配生產的優劣對比，設計一個自動擰緊工作站，該流水線涵蓋改公司所有型材類功率組件。

生產綱領的確定主要受以下三個方面因素的影響：計劃生產能力；實際可利用的生產廠房；實際可投入的資金情況。

其中，生產能力是確定生產綱領的最主要的因素。根據某公司歷年功率組件市場總體情況和該行業的發展前景以及線性的實際生產能力和未來5年的發展規劃，僅從滿足功率組件壓裝這一角度考慮，本次規劃的生產能力應定為年10萬套。

其次，實際可利用的生產廠房是確定生產綱領的另一個主要的因素。

另外，本次功率組件擰緊工作站為計劃外投資，不可能大規模的購置各類先進設備，對生產線方案設計也有一定的影響。

通過對以上影響生產綱領的各種因素的綜合考慮，確定本次技改規劃該功率組件擰緊工作站的生產綱領為：生產節拍60s，年產10萬套、預算××萬元。

功率組件擰緊工作站是該裝配流線中最主要的設備，也是決定此裝配線能否順利運行關鍵設備。工藝實現、質量保障、作業強度、作業節拍均由該工作站決定。

對于擰緊工作站各主要配置的設計如下：

1）自動擰緊的種類范圍：通過對同行業調研基本沒有可參考案例，根據功率組件構成，據統計各年度功率約80%以上為型材散熱器。

本擰緊工作站主要適用如下特征功率組件：

需要緊固的螺桿一字排開，分布在散熱器軸對稱中心；

常規功率組件螺栓孔距在135270mm分布；

常規功率組件長寬高尺寸，長：265520mm，寬100240mm，高95247mm。

2）擰緊工作站的基本組成和布置形式：

擰緊工作站為半自動工作站形式，人工選擇擰緊程序和啟動，設備自動對位、頂升、壓緊、擰緊、變矩、變位；由鋁合金搭建主體框架、電氣控制系統、擰緊控制系統、工件頂升/壓緊系統、安全防護系統、信息顯示系統、操控系統、工裝夾具部分組成所有機構和部件均安裝在框架上配有雙手啟動按鈕，信號燈柱、觸摸顯示屏變矩和變位由伺服控制。

3）通用工裝夾具設計：以產品底部中心槽定位，將產品放到工裝板上使產品的左端面為定位面抵靠在左定位板上，前后搖動鎖緊絲桿來推動推板，將產品上下兩連接部分長度方向對齊，然后通過滑軌推動右側推板將產品左右方向對齊。底部防跟轉部分根據不同產品來進行快速更換。

4）擰緊工作站操作設計：首先在輸送線上工人將工件放入托盤夾具中，工件前后通過搖動絲桿加緊前后，工件左右通過推板推緊平齊。

A.根據產品型號選擇擰緊程序；

B.托盤移動到位；

C.操作者雙手按啟動按鈕；

D.設備將托盤頂升、壓緊；

E.擰緊工具下降，對螺栓擰緊；

F.擰緊合格，信號燈綠燈亮，操作屏幕里工件圖片上該螺栓顯示合格，同時顯示擰緊結果；

G.伺服驅動擰緊軸移動至下一組螺栓，然后再次開始擰緊；

H.直至所有螺栓全部擰緊，全部合格燈亮；

I.異常情況處理：如有螺栓不合格，不合格燈亮，此時設備會自動反松該螺栓，然后再次進行擰緊。如仍然不合格，設備鎖定，班組長到場處理。

5）擰緊的生產節拍：根據生產綱領要求，確定該功率組件擰緊工作站的生產節拍為滿足箱總成=420套/天。

6）工作站性能設計：最大扭矩：90N.m，轉速：650r/min， 輸出頭： 1/2；精度：±2.5%，零速保持、同步功能；具有數據存儲、分析、統計，故障報警、故障代碼顯示、故障原因分析，過載、過流、過壓保護等功能、以及在外接計算機下顯示擰緊曲線、cp、cpk值計算和編程等功能；工具應具備扭矩控制轉角監視、轉角控制扭矩監視、屈服點控制等功能；具有擰緊結果顯示、合格/不合格信號顯示、緊急停止、光柵安全防護等功能手動、自動兩種模式可切換。

通過對國內裝具有功率組件裝配的廠家生產組織的現狀和存在問題的了解和研究，對各大廠家生產組織的優缺點進行了全面的論述。并在此基礎上對功率組件擰緊工作站進行了規劃設計，得出了以下的結論。

①對功率組件自動擰緊方式方法進行了分析和研究：通過對功率組件中所有外觀尺寸的整理與研究，對功率組件進行了梳理。并對常見尺寸的功率組件壓裝求進行了細致的分析，確定了裝配的加工方式和方法。

②針對功率組件設計了擰緊工作站：通過對功率組件裝配全過程的分析研究，并接合國內同行業各生產廠家裝配生產組織形式的優劣對比，設計了一個擰緊工作站，該工作站是目前國內同行唯一的自動擰緊工作站，有效保證了擰緊質量和效率。

參考文獻：

[1]王樹.變頻調速系統設計與應用.機械工業出版社，2004.5.

[2]馮誠.先進生產模式理論與實踐.兵器工業出版社，2000.

作者簡介：劉斌（1990），男，湖南長沙人，本科，助理工程師，研究方向：IE工程方向。