變壓器鐵芯鉚接-激光焊接自動化設(shè)備設(shè)計(jì)

(鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

0 序 言

鉚接技術(shù)在飛機(jī)、汽車以及鈑金加工制造行業(yè)中得到大量應(yīng)用，通過壓力將鉚釘與零部件連接起來，具有操作簡單，連接件強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是密封性不好，且柔性化和自動化程度低，限制了在某些精密制造業(yè)中的發(fā)展[1-4]。激光焊是采用激光束對材料進(jìn)行快速加熱熔化形成接頭，具有熱影響區(qū)域小、密封性好、柔性化和自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在精密電子產(chǎn)品生產(chǎn)中被大量使用[5-9]。激光焊接中由于持續(xù)的熱量輸入會導(dǎo)致工件變形，工件變形后，將嚴(yán)重影響焊接效果，一般需要設(shè)計(jì)專業(yè)的夾具來抵消焊接過程中的變形，保證焊縫的一致性[10-12]。

在變壓器內(nèi)構(gòu)件中，需要強(qiáng)度高及密封性好，傳統(tǒng)的鉚接或者激光焊接單一焊接方式均無法滿足要求，需要結(jié)合鉚接及激光焊的優(yōu)勢共同進(jìn)行焊接。鉚接、焊接目前大量使用人工操作，效率低下，穩(wěn)定性差，已經(jīng)無法滿足批量化生產(chǎn)要求，自動化生產(chǎn)成為目前生產(chǎn)加工的趨勢，可以使得各個(gè)工序的制程可控，節(jié)約人力成本[13-14]。

文中結(jié)合鉚接及激光焊的特點(diǎn)，充分發(fā)揮自動化生產(chǎn)設(shè)備優(yōu)勢，自動完成上料、組裝、焊接及下料，自動完成鉚接-焊接，提高生產(chǎn)效率并且保證焊接質(zhì)量。

1 焊接技術(shù)要求及設(shè)備總體設(shè)計(jì)

1.1 焊接產(chǎn)品及要求

待焊產(chǎn)品為變壓器內(nèi)部配件鐵芯，分為直片和彎片兩部分。其中，二者材質(zhì)均為45號鋼，直片最大外形尺寸為7 mm×42 mm，厚度為1 mm，為鈑金沖壓件，表面鍍鎳；彎片外形尺寸24.3 mm×10 mm,厚度為7.2 mm，為鈑金沖壓折彎件，表面鍍銅。需將二者組合并進(jìn)行鉚接(二者過盈配合)，然后再用激光對鉚接處進(jìn)行焊接，達(dá)到一定的強(qiáng)度及密封效果，產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 焊接產(chǎn)品圖

1.2 焊接設(shè)備總體設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)了專用全自動設(shè)備用以取代手工組裝和焊接。該設(shè)備主要由機(jī)柜、夾具組件、操控系統(tǒng)等三部分組成。其中機(jī)柜由上機(jī)柜和下機(jī)柜兩部分組成，上機(jī)柜內(nèi)集成有除塵風(fēng)機(jī)，下機(jī)柜內(nèi)集成有工控機(jī)，電氣元件板和操作按鈕；夾具組件可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全自動上料、鉚接、焊接和下料等功能；操控系統(tǒng)主要由工控系統(tǒng)組成，可對整個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制。

2 自動化設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

自動化系統(tǒng)主要由直片/彎片上料機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤組件、鉚壓組件、焊接組件、下料組件以及對應(yīng)機(jī)加件等組成，如圖2所示。

設(shè)備啟動前，先往彎片/直片上料機(jī)構(gòu)內(nèi)投入一定數(shù)量的產(chǎn)品(大約2 000片)。此后設(shè)備工作時(shí)，彎片/直片上料組件會將彎片和直片分別送入到轉(zhuǎn)盤組件內(nèi)的隨行夾具內(nèi)，隨行夾具可對二者進(jìn)行精確定位；此后轉(zhuǎn)盤組件帶著含有直片和彎片的隨行夾具旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位到鉚壓組件下方，然后鉚壓組件對其完成鉚壓組裝；此后轉(zhuǎn)盤夾具帶著鉚壓處理后的半成品運(yùn)動到焊接組件下方開始激光焊；焊接完成后，轉(zhuǎn)盤夾具繼續(xù)帶著隨行夾具旋轉(zhuǎn)到下料組件下方，此后下料組件開始將焊接后的成品取出放置于料盒內(nèi)，設(shè)備運(yùn)行步驟重復(fù)以上動作順序。

圖2 夾具組件機(jī)構(gòu)圖

2.2 彎片/直片上料組件設(shè)計(jì)

為提高設(shè)備生產(chǎn)效率，文中采用振動上料的方式，如圖3a所示，直片上料組件主要由振動盤、料道、周轉(zhuǎn)組件、下壓機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)機(jī)加件組成。設(shè)備工作時(shí)，振動盤將直片逐個(gè)送出至料道內(nèi)(料道懸于周轉(zhuǎn)組件上方2 mm處)，料道內(nèi)的直片呈豎直狀態(tài)堆積，在重力作用下落入周轉(zhuǎn)組件內(nèi)，如圖3b所示。周轉(zhuǎn)組件為有動力機(jī)構(gòu)，內(nèi)開有多個(gè)條型通孔，周轉(zhuǎn)組件轉(zhuǎn)動部分的厚度等于直片長度。旋轉(zhuǎn)臺每次轉(zhuǎn)動一個(gè)工位，就有一個(gè)直片落入到周轉(zhuǎn)組件轉(zhuǎn)動部分內(nèi)，如圖3c所示。下壓組件置于周轉(zhuǎn)組件上方，下壓組件每次動作，可將周轉(zhuǎn)組件轉(zhuǎn)動部分內(nèi)的直片壓入到隨行夾具內(nèi)。

圖3 彎片上料組件機(jī)構(gòu)圖

直片上料機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由振動盤、直振、氣動組件以及相應(yīng)機(jī)加件組成。彎片由振動盤送至直振上，氣動元件對其進(jìn)行逐個(gè)分離，最終將彎片逐個(gè)推入到隨行夾具內(nèi)。

圖4 直片上料組件機(jī)構(gòu)圖

2.3 轉(zhuǎn)盤組件設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)盤組件起搬運(yùn)功能，帶動多個(gè)隨行夾具一同旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多工位同時(shí)工作，大大提高生產(chǎn)效率。文中所述轉(zhuǎn)盤組件共有8個(gè)工位，轉(zhuǎn)盤組件主要由電動旋轉(zhuǎn)臺(含伺服電機(jī))、轉(zhuǎn)盤、隨行夾具以及相應(yīng)機(jī)加件組成。其中，8個(gè)隨行夾具均布在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤固定在電動旋轉(zhuǎn)臺上，電動旋轉(zhuǎn)臺固定于設(shè)備臺面板上。電動旋轉(zhuǎn)臺為中空形，旋轉(zhuǎn)臺由伺服電機(jī)驅(qū)動，如圖5所示。

2.4 隨行夾具設(shè)計(jì)

隨行夾具主要由活動塊1、固定塊、直線運(yùn)動副、彈簧、活動塊2、限位塊、限位螺釘以及底蓋組成，如圖6a所示。其中，直線運(yùn)動副由直線軸承和光軸組成，直線軸承的一端和活動塊1連接，另一端和活動塊2連接；直線軸承通過緊定螺釘固定在固定塊內(nèi)；自然狀態(tài)下，彈簧將固定塊和活動塊1撐開；活動塊下方固定有兩個(gè)限位塊，限位塊可限制活動塊1和固定塊直線的最小距離。

直片經(jīng)由下壓組件壓入到隨行夾具內(nèi)以后其位置如圖6b所示位置。固定塊和活動塊1均有仿形設(shè)計(jì)，可對直片和彎片實(shí)現(xiàn)精確定位。彈簧帶動兩個(gè)活動塊，對直片和彎片進(jìn)行預(yù)壓緊，防止在鉚接或者焊過程中產(chǎn)生形變，通過調(diào)節(jié)彈簧的長度對壓緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖5 轉(zhuǎn)盤組件機(jī)構(gòu)

圖6 隨行夾具機(jī)構(gòu)

2.5 鉚壓組件設(shè)計(jì)

彎片和直片上料并定位完成后，下一步開始對其進(jìn)行鉚接。鉚壓組件分為上鉚壓機(jī)構(gòu)和下鉚壓機(jī)構(gòu)兩大部分組成。上鉚壓機(jī)構(gòu)主要由氣缸、直線運(yùn)動副(起導(dǎo)向作用)、支架、導(dǎo)向套、彈簧、壓桿及相應(yīng)機(jī)加件等組成；下鉚壓機(jī)構(gòu)主要由氣缸、連接板、固定架、無油襯套壓桿、調(diào)整螺釘及相應(yīng)機(jī)加件組成,如圖7所示。

鉚壓時(shí)，下鉚壓組件內(nèi)氣缸開始往上運(yùn)動，直至連接板接觸到調(diào)整螺釘(此為可調(diào)式機(jī)械限位)，此時(shí)頂桿剛好接觸到隨行夾具內(nèi)的底蓋；此后上鉚壓組件內(nèi)氣缸開始下壓，在直線運(yùn)動副導(dǎo)向作用下壓桿開始往下運(yùn)動，當(dāng)頂桿接觸到隨行夾具內(nèi)的產(chǎn)品時(shí)，頂桿端部的彈簧開始壓縮，隨行夾具內(nèi)的活動塊1開始下降，直至限位塊接觸到固定塊。此后直至頂桿完全碰到導(dǎo)向套，此時(shí)彈性鉚壓結(jié)束，剩下的鉚接壓力主要由氣缸直接提供，直至鉚壓完成；最后上鉚壓機(jī)構(gòu)內(nèi)氣缸縮回，下鉚壓機(jī)構(gòu)內(nèi)氣缸縮回。其中，上鉚壓機(jī)構(gòu)和下鉚壓機(jī)構(gòu)內(nèi)的氣缸配備有單獨(dú)的調(diào)壓閥，可分別調(diào)整其所通壓縮空氣的壓力。

圖7 鉚壓組件機(jī)構(gòu)

2.6 焊接組件設(shè)計(jì)

激光焊接組件主要由三軸線性模組、激光加工、除塵嘴及相應(yīng)機(jī)加件組成，如圖8a所示。其中，激光頭附帶同軸監(jiān)視CCD圖像傳感器，可將焊接畫面實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)視器上；除塵嘴和激光加工頭都固定在三軸線性模組上，焊接時(shí)隨動抽塵，可最大限度的除去焊接所產(chǎn)生的煙塵，如圖8b所示。

2.7 下料組件設(shè)計(jì)

焊接完成后即開始下料，如圖9所示，下料組件主要由旋轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)盤、吸附組件、下壓組件、料盒以及相應(yīng)機(jī)加件等組成。其中，旋轉(zhuǎn)臺固定在設(shè)備臺面板上，轉(zhuǎn)盤通過過渡筒固定在旋轉(zhuǎn)臺上，吸附組件均固定在轉(zhuǎn)盤上，下壓組件固定在一塊懸梁板上，由于旋轉(zhuǎn)臺為中空，故可以從中空部分伸出兩根軸，將懸梁板固定在兩根軸上。

圖8 焊接組件機(jī)構(gòu)

吸附組件光軸端部內(nèi)嵌有強(qiáng)磁磁鐵，下料時(shí)，下壓組件將吸附組件壓下，此時(shí)吸附組件可將隨行夾具內(nèi)完成焊接程序的產(chǎn)品吸附住，此后氣缸松開，吸附組件可在彈簧作用下復(fù)位返回；吸附產(chǎn)品后，轉(zhuǎn)盤帶著吸附組件繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直至產(chǎn)品被阻擋機(jī)構(gòu)阻擋，使得磁鐵與產(chǎn)品脫離，在重力作用下產(chǎn)品落入料盒內(nèi)。

圖9 下料組件機(jī)構(gòu)

3 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)的全自動設(shè)備，代替了手工組裝、鉚接和焊接，自動完成上料、組裝、定位、鉚接、焊接及下料等工序，節(jié)約了人力成本，而且避免了人工誤操作，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

(2)通過多個(gè)隨行夾具及八工位轉(zhuǎn)盤工位設(shè)計(jì)，各個(gè)工序可以同時(shí)完成，極大提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，該設(shè)備滿足24 h連續(xù)生產(chǎn)需求，穩(wěn)定性好，對其他焊接的自動化生產(chǎn)線改造具有一定的借鑒意義。

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