電容器蓋板自動鉚接機的設計

鄭天池 ，張 軍 ，邵建新 ，邱自學

（1.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

1 引言

電容器可作為一種儲能元件，一般在電路中用于調(diào)諧、濾波、耦合、旁路、能量轉換和延時[1]。鋁電解電容器憑借其容量大，壽命長等特點[2]，使得其廣泛應用于汽車工業(yè)、新能源、自動化控制、高速鐵路、電力系統(tǒng)等領域[3-4]。隨著科學技術的不斷發(fā)展，電容器生產(chǎn)制造企業(yè)需要提高生產(chǎn)設備的自動化程度，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，才能滿足日益增長的市場需求。

電容器芯包引腳進行刺孔裁切后，需進行蓋板鉚接，蓋板鉚接時主要依靠壓力實現(xiàn)。常見的鉚接技術有沖壓鉚接、電磁鉚接等，在鉚接設備和鉚接技術等方面，國內(nèi)外學者進行了詳細的研究，文獻[5]設計了鉚接機的進料系統(tǒng)，包括進料系統(tǒng)的程序設計和自動進給振動板的設計；文獻[6]通過實驗和有限元分析了多層鋼和鋁合金片材的自沖鉚接接合方法，可以把超高強度鋼、軟鋼和鋁合金板順利鉚合；文獻[7]對全自動鉚接、卷繞聯(lián)體機的導針上料機構的齒輪進行了優(yōu)化設計，齒輪優(yōu)化后，機構工作平穩(wěn)性得到提高，加工出的鋁電解電容器質(zhì)量得到明顯改善；文獻[8]對現(xiàn)有鉚接的接點存在凸出過高的缺點，提出了一種接點式的改進方法，該方法在無鉚釘鉚接接點的基礎上，利用模具降低原接點的高度，提高了無鉚釘鉚接件的連接強度。

目前，國內(nèi)鋁電解電容器的生產(chǎn)企業(yè)在電容器蓋板鉚接過程中，主要采用的是手工或半自動化方式，受人為因素影響，鉚接質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低；鉚接氣缸行程調(diào)節(jié)不便，容易出現(xiàn)過鉚或鉚接不牢的情況；同時，鉚接過程中，由于蓋板端面受力不均勻，易造成蓋板斷裂等問題。

為提高電容器生產(chǎn)制造企業(yè)的自動化程度和蓋板鉚接工藝的產(chǎn)品質(zhì)量，按電容器蓋板鉚接制造工藝要求，設計了鋁電解電容器蓋板自動鉚接機及其控制系統(tǒng)，有效地解決了蓋板鉚接過程中易斷裂的問題，且能夠適應多規(guī)格的蓋板自動鉚接。

2 電容器蓋板結構及工藝要求

鋁電解電容器生產(chǎn)制造工序過程包括電解紙和電極箔的切割、刺鉚/卷繞、浸漬、引腳刺孔、蓋板鉚接、灌膠、芯包入殼、鋁殼封口、高溫老化、套管包裝等工序，該設備主要完成的工序為蓋板鉚接。蓋板主體材料為酚醛樹脂，端子材料為鋁，外形如圖1（a）所示；電容器進行蓋板鉚接前，已完成刺孔裁切工序，即對電容器芯包的兩個引腳逐個刺孔，并裁切掉多余的引腳，同時與華司緊密裝配，如圖1（b）所示；電容器芯包刺孔裁切后，選擇對應型號的蓋板，將電容器芯包引腳按照對應陽極、陰極安裝在蓋板端子上，如圖1（c）所示；通過該設備對蓋板端子進行逐個鉚接，鉚接完成后的電容器蓋板，如圖1（d）所示。

圖1 蓋板結構及工藝圖Fig.1 Cover Plate Structure and Process Chart

電容器蓋板鉚接的工藝要求為：蓋板鉚接過程中，鉚接牢固，無過實現(xiàn)象，連續(xù)鉚接時鉚接性能一致、無波動；蓋板鉚接時不能出現(xiàn)開裂及端子部位機械損傷；鉚接出現(xiàn)異常的次數(shù)≤0.2%；鉚接良品率高于99.5%。

3 蓋板鉚接機技術方案及關鍵部件設計

3.1 整體技術方案設計

電容器蓋板自動鉚接機由機械系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)及圖形操作終端等構成。其中，機械系統(tǒng)包括設備機體、電解液收集漏斗、蓋板放置組件、線性移動組件、電容器放置組件、蓋板鉚接組件、鋁屑負壓收集裝置等，設備整體結構，如圖2所示。

蓋板鉚接機的工作過程如下：

根據(jù)所生產(chǎn)的電容器芯包型號，選擇對應型號的蓋板，更換相應的鉚接模具。在圖形操作終端上選擇“自動鉚接”界面，設定電容器蓋板端子間距參數(shù)。將刺孔裁切完成的芯包置入電容器芯包放置V型塊上，蓋板置入鉚接模具的定位孔中，并將電容器芯包引腳按照對應陽極、陰極安裝在蓋板端子上，調(diào)節(jié)電容器放置V型塊的高度，使芯包與蓋板裝配緊密。

按下啟動按鈕，控制系統(tǒng)控制步進電機驅動線性移動組件將電容器蓋板及芯包輸送到鉚接工位。鉚接氣缸工作，驅動鉚接頭對蓋板端子逐個進行鉚接。鉚接完成后，脫模氣缸工作，對鉚接模具中的蓋板進行脫模。脫模完成后，翻轉組件將鉚接完成的芯包和蓋板輸送到接收平臺上。接著，蓋板放置組件和電容器放置組件在步進電機的驅動下回原位。

圖2 蓋板自動鉚接機示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Automatic Riveting Machine

3.2 蓋板鉚接組件設計

蓋板鉚接組件由鉚接脫料機構、鉚接氣缸、新款速度控制閥、減壓閥和立柱構成，如圖3所示。保證了蓋板鉚接的質(zhì)量和設備的穩(wěn)定性。

圖3 蓋板鉚接組件Fig.3 Cover Plate Riveting Component

依據(jù)鉚接機現(xiàn)場使用情況，要求其輸出力為500kg，鉚接氣缸工作壓力在0.5MPa，根據(jù)氣缸輸出力計算公式：

式中：p1—氣缸使用壓力；A1—氣缸活塞截面積；A2—氣缸活塞桿截面積；F—氣缸輸出力。

由F=500kg，p1=0.5MPa，查閱SMC樣本資料，選擇缸徑為125mm，活塞桿直徑為36mm的氣缸，經(jīng)驗算滿足使用要求；根據(jù)鉚接工序氣缸活塞桿伸出的位移，選取鉚接氣缸的行程為50mm。

3.3 電容器蓋板浮動式鉚接機構設計

電容器蓋板一般由專用廠家配套生產(chǎn)制造，由于工藝技術等原因，蓋板的兩個端子平面度及高度存在誤差。兩個端子同時鉚接時，蓋板端子受力不均，易導致蓋板變形或斷裂，從而造成廢品。為此，工藝上要求對蓋板端子進行逐個鉚接，以避免蓋板變形或斷裂。

完成電容器蓋板的鉚接，需要一定的鉚接壓力。鉚接時，通過線性移動組件驅動，實現(xiàn)蓋板端子的逐個鉚接。線性移動組件一般不能承受與其運動方向垂直的較大的正壓力，因此要求施加的鉚接壓力不能直接作用在線性移動組件上。為此，設計了一種浮動式鉚接機構，以實現(xiàn)電容器蓋板端子的逐個鉚接，消除由于蓋板端子平面度及高度存在誤差帶來的不利影響。所設計的電容器蓋板浮動式鉚接機構由支撐臺板、浮動鉚接組件、受力柱、連接板、線性移動組件、翻轉組件和電容器芯包放置V型塊組成，如圖 4（a）所示。

圖4 電容器蓋板浮動式鉚接機構Fig.4 Floating Type Riveting Mechanism for Cover Plate

浮動鉚接組件安裝在連接板上，，如圖4（a）所示。包括支撐架、導向滑塊、導向桿、彈簧、壓板、鉚接桿和鉚接模具，通過壓板與彈簧作用使鉚接模具處于浮動狀態(tài)，兩根鉚接桿安裝于鉚接模具上，如圖4（b）所示。在鉚接模具處于浮動狀態(tài)時，保證鉚接桿與受力柱頂部之間的間隙為（0.2～0.3）mm，使得線性移動組件驅動浮動鉚接組件移動過程中，鉚接桿與受力柱頂部不接觸。鉚接時，鉚接模具下移，鉚接桿與受力柱接觸，鉚接壓力作用在受力柱上，而不直接作用在線性移動組件上；鉚接完成后，鉚接模具在彈簧的作用下，返回初始位置。

3.4 線性移動組件設計

線性移動組件安裝在支撐臺板上，由步進電機、聯(lián)軸器和線性模組構成。由于翻轉運動克服的力很大，需對翻轉運動進行受力分析，驗證所選的步進電機能否滿足要求。

（1）翻轉過程中翻轉力的計算

將翻轉過程簡化成力學模型，如圖5所示。

圖5 翻轉簡化模型Fig.5 Turnover Simplified Model

設翻轉過程中的翻轉力為F，要使芯包和蓋板能夠翻轉過去，則翻轉轉矩M需滿足：M＞0。

由圖6可得轉矩M的計算公式：

式中：G0=75 N，為翻轉物的重力；θ—翻轉角。

由式（3）知，隨著 θ↑，cosθ↓，則 F↑。根據(jù)三維設計分析，翻轉過程中θ的最大值為75°，此時cosθ=0.25，可得：

取安全系數(shù)Sf=1.2，則所需翻轉力為：

所以翻轉過程中的翻轉力為1000N。

（2）負載轉矩的計算

步進電機驅動的組件參數(shù)，如表1所示。

表1 驅動組件參數(shù)Tab.1 Driving Component Parameters

運行方向負載：

考慮安全系數(shù)Sf=1.2，則負載轉矩為：

所選進電機的型號為RKS569AC-1，其轉矩為1.77N·m，大于負載轉矩，滿足使用要求。

4 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)采用先進的PLC控制技術實現(xiàn)對各個檢測傳感器及氣缸的動作控制[9-11]；采用圖形操作終端對生產(chǎn)參數(shù)進行設置、調(diào)整。

4.1 PLC選型及I/O口分配

為了留有余量，且綜合考慮性價比，所選PLC的型號為FX3GA-40MT。鉚接機控制系統(tǒng)輸入點數(shù)為9，輸出點數(shù)為8，共計17個點，其I/O口分配，如表2所示。

表2 PLC的I/O口分配Tab.2 I/O Port Allocation of PLC

4.2 PLC程序設計

PLC的程序設計采用GX-Works2，PLC工作的控制程序流程，如圖6所示。

4.3 圖形操作終端畫面設計

圖形操作終端（Graphic Operating Terminal），用于用戶與控制系統(tǒng)之間的信息傳遞，可以根據(jù)生產(chǎn)要求在界面上設置和修改參數(shù)[12-13]。設備使用的圖形操作終端采用日本三菱公司生產(chǎn)的GS2107-WTBD，通過RS-422和USB接口與外界設備進行數(shù)據(jù)通信，其中編寫的PLC程序通過RS-422接口與PLC完成通信，編寫的畫面程序通過USB接口與電腦完成數(shù)據(jù)傳輸，圖形操作終端程序，如圖7所示。

圖6 PLC程序流程圖Fig.6 Program Flow Chart of PLC

圖7 圖形操作終端操作界面示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Graphical Operation Interface

第一層顯示界面：圖形操作終端通電后，經(jīng)過2s左右后進入“啟動界面”。第二層顯示界面：在“啟動界面”上，設計了3個觸摸鍵，分別為“設備概要”界面、“設備調(diào)試”界面、“自動鉚接”界面。第三層顯示界面：進入“設備調(diào)試”界面后，可以根據(jù)要求進入各個界面點動調(diào)試相應的部件，分別為“步進電機調(diào)試”界面、“鉚接氣缸調(diào)試”界面、“脫模氣缸調(diào)試”界面、“防護罩門檢測”界面。進入“自動鉚接”界面后，可以對電容器蓋板端子間距參數(shù)和鉚接保持時間參數(shù)進行設置，同時可以觀測設備的運行狀況是否正常；蓋板端子間距共有4種，當輸入的蓋板端子不是設定的4種參數(shù)之一時，系統(tǒng)會自動報警、停機。自動鉚接操作界面，如圖8所示。

圖8 自動鉚接界面設計Fig.8 Design of Automatic Riveting Screen

5 結論

根據(jù)電容器蓋板鉚接工藝要求，設計了電容器蓋板自動鉚接機，該設備具有性能穩(wěn)定、自動化程度高、參數(shù)修改方便等特點。該設備已在電容器生產(chǎn)企業(yè)使用，運行周期為8s，有效提高了電容器蓋板鉚接的生產(chǎn)效率；鉚接過程中，無過實現(xiàn)象，連續(xù)鉚接時鉚接性能一致、無波動；鉚接及翻轉出現(xiàn)異常的次數(shù)≤0.2%，鉚接良品率高于99.95%；控制系統(tǒng)能夠無故障連續(xù)運行，保障了產(chǎn)品質(zhì)量和運行效率，為企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟和社會效益。

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