燃氣熱水器熱交換器自動裝配設備設計研究

張尚奇

[摘 ? ?要]隨著工業自動化技術的快速發展，自動裝配設備已逐漸成為各企業的重要生產工具。以燃氣熱水器熱交換器的結構特點以及裝配需求作為切入點，介紹了自動化裝配設計的基本設計原理與設計結構，并針對誤差建模、仿真分析、靜態誤差優化以及定位精度調整等幾個方面闡述了優化自動裝配設備精度的措施，從而使熱交換器自動裝配設備的實用性與可行性得到進一步發展和提升。

[關鍵詞]熱交換器;自動裝配;設計研究

[中圖分類號]TS914.252 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）05–0–03

Design and Research of Automatic Assembly Wquipment

for Heat Exchanger of Gas Water Heater

Zhang Shang-qi

[Abstract]With the rapid development of automatic production technology， automatic assembly technology has gradually become an important tool in industrial enterprises. Taking the structural characteristics and assembly requirements of the heat exchanger of gas water heater as the starting point， this paper introduces the basic design principle and design structure of automatic assembly design， and expounds the measures to optimize the accuracy of automatic assembly equipment in terms of error modeling， simulation analysis， static error optimization and positioning accuracy adjustment， so as to further develop and improve the practicability and feasibility of automatic assembly equipment of heat exchanger.

[Keywords]heat exchanger; automatic assembly; design research

一般來說，自動化裝配指的是以自動化機械代替人工勞動的一種裝配技術，具有裝配精度高、裝配速度快、運行穩定、成本低廉等優勢和特點，能夠有效緩解當前勞動力短缺的現狀。應當針對自動裝配設備的結構和原理進行充分研究，確保自動裝配設備的安全穩定運行，提升產線裝配生產效能。

1 燃氣熱水器熱交換器的結構特點及裝配需求

1.1 結構特點

熱交換器是燃氣熱水器的“心臟”，依托熱交換器能夠將燃氣燃燒的熱量傳遞給水，使水溫滿足用戶的使用要求。常見的熱交換器類型通常包括間壁式、混合式、蓄熱式等幾種。通常，燃氣熱水器熱交換器主要由交換器殼體、翅片、U型管、烘盤管、主體出水管、彎頭、焊條等部件構成，由于燃氣熱水器當中熱交換器的結構較為復雜，零件較多，因此傳統手工裝配存在一定的困難，裝配生產效率較低，成品裝配精度難以有效達到用戶需求。

1.2 裝配需求

為提高自動化裝配工作的應用效果，確保裝配成品質量滿足用戶需求，自動裝配設備的設計工作應當遵循以下原則：①設計靈活性，在裝配生產過程當中，應當能夠針對裝配動作進行實時調節，從而提升裝配產線的協調性。②工藝的簡潔性，在裝配設備設計過程中，確保工藝簡潔能夠降低精度調節難度，使裝配成品可靠性得到進一步保障[1]。③設備體積緊湊性，應盡可能減少裝配設計占地面積，進而使設備運行更加便利。④裝配工作高效率，應當在確保熱交換器裝配質量的前提下有效提升自動裝配速度，進一步縮短產品生產周期，使熱交換器的生產效能進一步提升。

2 自動化裝配設備的原理與基本結構

2.1 基本原理

在自動裝配設備的設計過程當中，其主要原理為采用數字信號對自動裝配設備進行設定，并通過電能對裝配線進行驅動，最終完成熱交換器的裝配工序。雖然當前燃氣熱水器熱交換器所涵蓋的功能零件較為豐富，裝配工序較為復雜，但具體來說仍可以將其分為上料、翻邊、沖孔、鉚接、緩沖等裝配環節，可按照自動裝配設備的運行需求以及各工序環節當中涉及到的工藝內容對自動裝配設備進行設計，進而使燃氣熱水器熱交換器自動裝配工序的生產質量與生產效能得到充分保障，促進熱水器生產企業經濟生產效益的不斷進步。

2.2 功能結構

2.2.1 翻邊工位上料

翻邊工位上料指的是在熱交換器殼體成型之后，通過機械設備等工件將殼體成型工位運送至沖壓翻邊工位當中的運送過程。在當前熱交換器裝配生產過程當中，由于殼體成型工位的高度較翻邊工位高，因此需要針對二者之間的高度差進行有效縮減。另外，由于翻邊工位生產速度較低，而殼體成型工位的生產速度較高，因此應當在二者之間設置一個緩沖區域，從而避免熱交換器工件積壓，影響工件加工裝配的整體效率[2]。具體來說，可根據工件裝配需求，選擇以下幾種設計方案。

（1）采用升降機與機械臂結合的上料方案。由于殼體成型工位與翻邊沖壓工位之間存在一定的高度差，因此為了減少高度差對整體自動化裝配線路產生的影響，可在二者之間設置升降機，由裝配人員將殼體放置在升降機中，再由升降機對工件高度進行調整，并由機械臂對工件進行運送。為確保機械臂得以充分運動，可加裝有型架，從而使機械臂可分別沿X、Y、Z三方向自由運動。

（2）采用底座缺口安裝翻邊設備的設計方案類型，該方案由人工對高度差進行彌補，并在底座中對主結構體以及控制組件進行安裝，采用型材架對機械臂進行固定，采用Y軸及Z軸氣缸對滑臺進行推動，采用大口機械夾以及氣動吸盤對殼體進行夾取，進一步減少了機械臂的運輸距離，雖然對人工的依賴更高，但其精度控制更加良好，避免了機械臂運輸過程當中對工件產生的損害，降低了廢品率。

2.2.2 沖孔工位上料

為了滿足熱交換器當中各類部件裝配的要求，就需要針對熱交換器殼體進行沖孔作業。因此需要自動化裝配設備對殼體進行再次運輸。此外，由于沖孔作業與鉚接作業對殼體位置和形態的需求統一，因此在鉚接工序當中同樣也可復制沖孔工位上料設計方案。為了有效提升沖孔作業與鉚接作業之間的銜接度，上料運輸工序可采用兩個同樣的機械臂進行作業，其中一個機械臂負責從翻邊工位中取件，而另一個機械臂則負責將殼體從沖孔工位運輸至鉚接工位。為進一步提升取件機械臂運動靈活程度，從而確保沖孔工序與鉚接工序的順利開展，可采用氣缸推動動力驅動滑軌當中運行的機械臂，使機械臂能夠在滑軌當中實現圍繞X、Y、Z等三個方向的運動。在取件完畢后，機械臂應按照沖孔工序對殼體形態的需求將其送至沖孔設備下，并完成沖孔，之后機械臂沿Y軸運動遠離沖孔設備，翻轉180°后繼續對殼體另一面進行沖孔，從而完成整個沖孔工序。該方案結構較為簡潔，但可能在沖孔及鉚接工序當中對機械臂產生一定沖擊，對其精度造成不良影響[3]。

另外，還可采用龍門架結構對沖孔自動化上料方案進行設計，在殼體附近設置緩沖臺以及減振裝置，有效避免沖孔工序或鉚接工序當中的沖擊對機械臂精度造成的影響。另外，采用型材架將滑軌和電機進行固定，由兩個電機帶動兩個不同機械臂進行移動取件，一個機械臂負責沖孔運輸，而另一個機械臂則負責鉚接運輸，使圍繞Z軸運動的機械臂動力由氣缸換為電機，而圍繞X軸運動的機械臂動力由電機換為氣缸，使機械臂在運行狀態下形成的形變誤差得到有效控制，進一步降低精度優化產生的成本支出，使機械臂運行精度得到進一步提升。

相較于方案一，方案二雖然結構較為復雜，但緩沖區域與減震裝置的配置使機械臂的運行性能得到了充分提升，有效降低了各道工序當中的沖擊對機械臂運行精度產生的不良影響，使自動化裝配設備的運行更加有序協調，充分提升了設備運轉效能，精度控制成本得到有效控制，使自動化裝配工序的經濟效益得以不斷進步。

2.2.3 鉚接工位送料

為了將熱交換器側板運送至鉚接工位當中，可采取三軸移位裝置以及頂升機構對側板工件進行運送，從而使鉚接工序實現自動化送料（圖1）。在該自動化裝配方案中，整個裝配設備可以通過旋轉模塊將熱交換器側板送至交換臺，并通過三軸移位裝置將側板送入鉚接機當中。其中，在頂升機構上方還應當設計移動料倉，為側板的儲存提供空間。自動化送料設備能夠通過滑軌對移動料倉進行驅動，并將其內部臨時存放的熱交換器側板進行吸取，后通過三軸移位裝置送入至鉚接設備當中，并由裝配線人員對設備移動料倉進行補充，使整體裝配流程得以進一步完善。雖然該方案結構較為復雜，但其內部容量較大，換料時間短，能夠滿足高效鉚接工序的需求。

除該方案外，還可采取無桿氣缸對方案一進行有效簡化，使鉚接工位送料流程當中涉及到的設備體積得到有效降低，提高了送料設備的運行效率，雖然降低了移動料倉當中涵蓋的側板放料數量，但由于出料與放料工序被有效分離，因此裝配人員可通過料倉底部進行持續放料。相較于方案一而言，該自動化送料方案占地面積與尺寸更小，結構更加簡單，能夠連續不間斷出料，設計人員應依托自動化裝配工序的差異化需求對不同的送料方案進行選擇，在滿足裝配質量與裝配精度的前提下有效降低自動化裝配成本，使自動化裝配設備的經濟效益得以進一步展現。

3 優化自動裝配設備精度的措施

3.1 對機械臂誤差進行建模

在自動化裝配設備的設計和應用過程中，由于設備重量、電機運行穩定性以及機械臂運動流程等方面因素的影響，可能會產生一定的精度誤差，進而對熱交換器的整體裝配精度產生一定的影響和制約。因此如何優化自動裝配設備的精度已成為當前技術和涉及人員面臨的重要課題。在優化自動裝配設備精度之前，首先就要針對機械臂誤差進行建模。可采用Solidworks軟件對機械臂運行方案進行建模，并對模型當中存在的其他影響因素進行排除，使模型得到有效簡化，進而將簡化的裝配方案模型導入至Ansys有限元分析軟件中，針對自動裝備設備機械臂運行過程當中可能產生的形變以及機械誤差進行推算，并采取措施進行調整，使其最終滿足方案設計相關需求，避免由于外界因素的影響導致其最終精度產生問題[4]。

在影響機械臂運行精度的各項因素當中，最重要的是機械臂的幾何精度，因此需要針對機械臂在各個方向運動過程當中形成的誤差進行建模，并采納其垂直度誤差進行綜合分析。這樣才能使機械臂誤差得到更加完善的控制，提升自動化設備的最終裝配精度。

3.2 對誤差進行仿真分析

在自動化裝配設備的長期運行過程中，裝配產生的誤差往往會形成正態分布，因此為了提高對誤差的分析效率，優化精度分析與設置，避免產生精度過剩的現象，可針對誤差進行仿真分析，從而使機械臂運行精度提升。由于在自動裝配設備機械臂的運行過程當中，各類不同的影響因素都會對其精度產生差異化的影響，因此應當在仿真模型的基礎上針對不同影響因素的影響因子進行統一分析，使影響較為顯著的影響因素得到及時處理，并通過代價轉嫁的方式將影響較為微小影響因素進行擴大，從而在確保熱交換器自動裝配質量和精度的前提下有效降低精度優化成本，進而充分提升自動裝配工序所產生的經濟效益。根據以上進行的仿真模型分析后發現，影響該自動裝配方案的影響因素共有38項，其中對機械臂運行精度影響較為顯著的因素包括X方向當中X滑座與導軌的轉角誤差、Z滑座與導軌的轉角誤差、Z軸與X軸的垂直度誤差、X軸與Y軸的垂直度誤差等。

3.3 優化靜態誤差

為進一步提升機械臂靜態誤差的優化效果，應當針對靜態誤差優化進行建模，這樣才能找到各項誤差影響因素對自動化裝配設備機械臂運行精度的影響權重，使設計人員能夠推算出更加精準的誤差優化值，使靜態誤差優化效果得以進一步提高。在當前的靜態誤差中，可采用Matlab模塊通過蒙特卡洛法對誤差變量進行處理，使整體數據得到進一步迭代，提高誤差數據的可靠性，并針對整體精度采用多島遺傳算法進行優化，將影響較為顯著的誤差參數進行進一步控制，并將影響較小的誤差參數進行適量放大，從而在一定程度上降低靜態誤差值，并且有效控制了精度優化成本，使熱交換器自動裝配設備當中機械臂的運行誤差得到有效緩解。

3.4 優化定位精度

除了靜態誤差外，定位精度的全局優化同樣對提升自動裝配設備的運行效率具有關鍵性作用?？刹捎肐sight集成Matlab的優化方式進行精度優化，并將靜態誤差與動態誤差進行綜合考量，最終使機械臂可靠性進一步提升，成本和體積得到全面控制，工作性能進一步強化。

4 結論

總而言之，在現階段的燃氣熱水器熱交換器裝配工序當中，由于人工裝配效率較為低下，裝配精度存在欠缺，因此自動化裝配設備應運而出。設計人員應當針對自動化裝配設備當中的翻邊工位上料、沖孔工位上料以及鉚接工位送料進行調節，并針對機械臂運行狀態進行優化，確保自動裝配設備高效穩定運行。

參考文獻

[1] 何冬明，王燕椿.中央空調裝配生產線的工藝與自動化探討[J].中國設備工程，2022（3）：119-120.

[2] 向宇偉，周嘯，李紅軍.復位組件裝配設備的設計與應

用[J].武漢紡織大學學報，2021（4）：58-61.

[3] 黃海燕.工件裝配自動化生產線控制系統設計[J].機電工程技術，2020（4）：85-88，203.

[4] 賁艷波.淺談三維CAD軟件-SolidWork的使用技巧[J].南方農機，2019（21）：165.