干式電容器芯子組翻轉自動化的實現

唐少琴

(西安航空職業技術學院 通用航空學院，陜西 西安 710089)

0 引言

隨著“工業4.0”及“中國制造2025”戰略的提出，制造企業迫切需要提升自動化技術水平。TQCSE模型更是為其構造了一個制造自動化功能目標的有機體系[1]。利用自動化技術能有效地縮短產品制造周期，提高生產效率和產品質量，降低產品成本，提高經濟效益，同時利用自動化技術更有利于實現綠色制造。對原有設備進行自動化升級和改造是一種提高自動化技術水平的有效途徑。

近幾年來，某干式電容器焊接車間一直在進行設備的自動化升級和改造，并取得了良好的效果。現就該焊接車間電容器芯子翻轉工序的自動化改造進行分析和闡述。

1 設備功能的分解和分析

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

電容器芯子組翻轉工序主要實現產品的運送與分流、產品的翻轉和上、下托盤的分離。由于該電容器芯子形狀小、質量輕，不易進行位置的固定，原分流系統采用轉角機進行產品和托盤的分流。由于轉角機旋轉精度低，易造成轉角機與輸送機對接位置誤差大，從而使托盤及產品在輸送機上發生轉位或與輸送機導軌發生碰撞，造成電容器芯子損壞和位置混亂，給下一步焊接造成麻煩。而芯子組的翻轉也一直無法實現自動化，全靠人工進行。為了提高車間的生產率和產品的質量，降低工人的勞動強度，該工序的自動化改造迫在眉睫。

自動化生產線是根據工藝順序自動完成全部或部分制造過程的生產系統[2]。根據電容器芯子組翻轉工序的功能需求和工藝目標，利用Solidworks軟件對該設備進行了功能模擬，如圖1所示。該設備主要由分流輥道和翻轉臺兩大部分組成。

圖1 電容器芯子組翻轉功能圖

1.1 分流輥道

分流輥道部分主要完成產品的運送和分流。為了避免轉角機在運送和分流托盤及產品的過程中造成電容器芯子位置的變動，將轉角機分流改為雙向平移輸送機分流。該平移輸送機由縱向傳輸機和橫向傳輸機組成。

1)縱向傳輸機：完成托盤及產品的縱向移動，是將完成工序3)的托盤及產品運送到分流輥道上，如圖1所示。

2)橫向傳輸機：完成托盤及產品的運送和托盤的分流。運動的方向分為向左和向右運動，如圖1所示。向左是將完成縱向移動的托盤及產品運送到翻轉機上；向右是將完成180°～0°翻轉以后分離出來的空下托盤運回到初始工位1，即裝托盤工位。

1.2 翻轉臺

翻轉臺主要由翻轉架和翻轉驅動器組成，完成兩個動作：翻轉和分離上、下托盤。

1)翻轉架：主要完成翻轉前產品的夾緊、定位和翻轉后上、下托盤的分離。

2)翻轉驅動器：主要驅動翻轉架完成0°～180°和180°～0°的翻轉。

近年來，市場上出現了許多液壓系統驅動的翻轉機，有純液壓驅動的翻轉機，有齒輪齒條+液壓驅動的翻轉機等。這些液壓系統翻轉機系統性能可靠、故障少、結構緊湊，技術性能先進，自動化程度較高[3]。但該焊接車間的翻轉機不宜采用液壓驅動，因該電容器質量輕，不超過200kg，翻轉過程中所需驅動力小，而且液壓翻轉機所占空間大、油管布置不方便，易造成泄漏和環境污染。氣動系統對工作環境適應性好，特別在易燃、易爆、多塵埃的惡劣工作環境中工作時，安全可靠性優于液壓系統；而且氣動系統工作壓力較小、使用的元件和工作介質成本低，易于實現綠色制造。故整個設備均采用氣動方式進行驅動。

2 設備的機械部分升級和改造

2.1 分流輥道的設計

分流輥道采用雙層式設計，上層是做橫向運動的橫向傳輸機，該傳輸機采用電機驅動的輥筒線輸送機，下層為做縱向運動的縱向傳輸機，縱向傳輸機采用倍速鏈輸送機；輥筒線輸送機導軌與倍速鏈輸送機導軌做垂直安裝，保證輥筒線輸送機的輥筒與倍速鏈輸送機的倍速鏈之間相互平行，且當倍速鏈升起時能剛好從兩輥筒之間順利穿過。

分流輥道中橫向傳輸機為主傳輸機，安裝好后基本不動；縱向傳輸機采用可升降式，安裝時低于橫向傳輸機，使用時必須先將其升起，比橫向傳輸機高出35mm。因該產品質量輕，運送位置精度要求不高，故采用結構簡單、頂升平穩性好的剪刀叉頂升機構[4]來升降縱向傳輸機。其結構如圖2所示。

圖2 剪刀叉頂升機構

2.2 翻轉臺設計

1)翻轉架

圖3為利用Solidworks軟件模擬的翻轉架結構示意圖。該翻轉架采用上、下兩層電機驅動輥子傳輸機構，圖4為翻轉架結構圖。在該翻轉架端部和前后兩側各帶止動定位氣缸，端部有3排，每排5個氣缸；前、后兩側，每側2個氣缸，共19個氣缸對進入翻轉架的托盤及產品進行夾緊和定位。

圖3 翻轉架結構示意圖

圖4 翻轉架結構圖

為了有效地進行上、下托盤的分離，在翻轉架內部前、后兩側各開了1個卡槽，卡槽高度大于下托盤側邊5mm, 方便托盤出入。當翻轉架完成0°～180°的翻轉以后，下托盤因為卡槽的作用，在重力作用下不能下落，而上托盤及產品因為重力作用自由下落，因下落過程距離短、產品質量輕，下落后產品位置保持不變且不會對產品造成損壞，從而使上托盤及產品與下托盤進行分離。該卡槽的設計使翻轉架結構簡潔、控制方便。

該翻轉架要能實現0°～180°和180°～0°的翻轉功能，在翻轉過程中工件要保持平穩，運行時噪聲要盡量小，采用中心質心作為旋轉軸，減少工件質心和水平方向的移動[5]。

2)翻轉驅動機構

翻轉驅動機構采用齒輪、齒條式翻轉機構，具有驅動力矩小、運行平穩、控制簡單的特點[6]。齒輪、齒條傳動是一種工業上應用非常廣泛的機械結構，其中的齒條與翻轉機單活塞缸的活塞桿相連，活塞桿的直線運動通過齒輪傳動轉化為圓周運動[7]，即當定位夾緊氣缸將產品定位夾緊以后，驅動氣缸開始動作，驅動氣缸推動齒條前進，齒條通過與齒輪嚙合帶動齒輪旋轉，齒輪帶動翻轉架翻轉。當齒輪旋轉到位，位置檢測開關啟動使驅動氣缸失電，停止旋轉。同理，當驅動氣缸換向閥換向，驅動氣缸桿拉著齒條后退，齒條通過與齒輪嚙合帶動齒輪反向旋轉，旋轉到位，位置檢測開關啟動使換向閥失電旋轉停止。其結構如圖5所示。

圖5 翻轉驅動機構示意圖

2.3 托盤設計

該焊接車間原有的托盤采用鋁合金平板式托盤，為了方便產品翻轉時的定位和夾緊，托盤四周加裝高140mm的側邊；托盤的前、后兩側邊上各加裝兩個定位耳。定位耳用于翻轉架對托盤進行夾緊和定位時，翻轉架前、后兩側同時伸出4個氣缸。為了保證4個氣缸定位的準確性，定位氣缸桿必須剛好通過定位耳，將托盤中的產品準確夾緊和定位，同時也能保證翻轉架在翻轉時的中心平穩。圖6為優化后的托盤結構示意圖。

圖6 托盤結構示意圖

2.4 自動控制系統的分析與設計

a)工作流程設計

根據生產實際需要，要求該設備按照固定的流程和固定的節拍進行運行，根據實際需求該設備的總節拍為100s，該設備的工作流程如下：

1)感應開關SQ1感知來料，分流輥道橫向輸送機電機順轉停，縱向輸送機電機啟動，同時剪刀叉升降機開始頂升縱向輸送機。

2)托盤及產品縱向運動到位，碰限位開關SQ2，縱向輸送機電機停止，橫向輸送機電機和翻轉架下層傳輸輥道電機逆轉同時啟動，剪刀叉升降機2 s后開始下降。

3)托盤及產品順翻轉架前后卡槽滑入翻轉架，碰限位開關SQ3，橫向輸送機和翻轉架下層傳輸輥道電機逆轉停止，翻轉架端部和前、后兩側19個氣缸同時動作，對托盤及產品進行定位和夾緊。因產品質量輕，所需夾緊力小，所以對產品夾緊依然靠氣缸桿的行程進行控制，沒有專門控制夾緊力的大小。為了防止某處夾緊不到位而進行翻轉，引起電容器芯子位置的混亂，所以翻轉機頂端氣缸以每排為單位進行分別控制，前、后端每端兩個氣缸同時控制，這樣組成5個同步回路。當5個同步回路氣缸同時伸出到位，分別碰行程開關SQ4、SQ5、SQ6、SQ7和SQ8，5個開關均閉合才能進行下一步的翻轉。

4)夾緊氣缸桿伸出到位，使限位開關SQ4、SQ5、SQ6、SQ7和SQ8均閉合，翻轉架翻轉0°～180°。翻轉架的翻轉位置通過控制驅動氣缸桿伸出的長度來控制。

5)驅動氣缸桿伸出到位，碰限位開關SQ10，翻轉停止，停5s后，19個夾緊定位氣缸同時縮回，下托盤和上托盤及產品分離。

6)停10s后，翻轉架上層傳輸輥道電機啟動，將上托盤及產品運送到下一工序。

7)上托盤及產品碰限位開關SQ11，翻轉架上層傳輸輥道電機停止，同時翻轉架開始翻轉180°～0°。

8)翻轉到位，碰限位開關SQ9，橫向輸送機和翻轉架下層傳輸輥道電機順轉啟動，將下托盤運回到工序1)的位置。

b)氣動系統設計

該設備中的氣動系統主要由以下三部分組成：頂升平移機的頂升部分、翻轉架的夾緊定位部分和翻轉架的翻轉驅動部分。

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

根據翻轉機翻轉過程所承受的負載，計算選擇翻轉齒輪模數為4mm，齒數為30，計算出驅動氣缸行程為188.4mm，為了安全，行程取200mm。

根據翻轉架的尺寸，計算出翻轉架夾緊定位氣缸行程為125mm。根據各氣缸行程確定出限位開關的位置。氣動回路如圖7所示。

圖7 氣動回路圖

根據工作流程確定出各限位開關與換向閥電磁線圈的電順序表，如表1所示。

表1 限位開關與換向閥電磁線圈電順序表

3 結語

針對干式電容器焊接車間自動翻轉設備進行分析與研究，進行了該制造單元自動化設備的升級和改造，通過反復的實踐、調整、調試，最終確定并改造的這一套設備具有結構簡單、緊湊、運行平穩、夾緊力適中、系統性能可靠、故障少、環境污染小等特點，對小型電子產品翻轉自動化具有很強的借鑒意義。