斷路器動觸點自動焊接單元布置形式的分析

□ 陳佳成1 □ 陳金成 □ 徐志明

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1 研究背景

傳統(tǒng)的人工焊接效率低下,質(zhì)量一致性差,作業(yè)環(huán)境對工人身體傷害大。隨著科技的進步、產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高,以及人力成本的增加,自動化焊接取代人工焊接已成為發(fā)展趨勢。目前,自動化焊接在汽車白車身生產(chǎn)中應(yīng)用比較普遍,但在斷路器觸點焊接方面的應(yīng)用則剛起步[1]。采用自動電阻焊接,可以保證每個焊接點位置、角度、速度的一致性,并可以對焊接電流、時間等重要參數(shù)進行監(jiān)控[2],確保觸點的焊接質(zhì)量,并大大改善操作人員的作業(yè)環(huán)境。

2 焊接單元布置形式

斷路器動觸點一般由銅觸頭和銀點組合而成,如圖1所示。各類斷路器動觸點結(jié)構(gòu)大同小異,只是銅觸頭大小、銀點位置和數(shù)量有所差別。目前,斷路器動觸點產(chǎn)品的自動焊接單元通常有四種布置形式，分別為直線型、回轉(zhuǎn)型、機械手型和混合型。

2.1 直線型布置形式

直線型布置形式是一種常規(guī)布置形式,較多采用氣缸、直線導(dǎo)軌、直線軸承等驅(qū)動和導(dǎo)向元件,結(jié)構(gòu)簡單,制作容易[3]。斷路器動觸點自動焊接單元直線型布置原理如圖2所示,其動作過程如下:銅觸頭通過銅觸頭振動盤定向排序、傳輸,銅觸頭夾指夾取銅觸頭,直線平移,點膏,再直線平移至焊接夾具處,氣缸夾指松開銅觸頭并退回;與此同時,銀點通過銀點振動盤定向排序、傳輸,銀點夾指夾取銀點,直線平移至銅觸頭上,上電極氣動壓緊,銀點夾指松開并退回；焊接,上電極松開,回轉(zhuǎn)氣缸卸料。銅觸頭與銀點傳輸路線相互垂直,便于使單元整體呈近似正方形布置,外形美觀,內(nèi)部調(diào)試、檢修方便。

▲圖1 斷路器動觸點▲圖2 直線型布置原理

直線型布置節(jié)拍框圖如圖3所示,任何器件重復(fù)兩次動作之間的時間即為單元節(jié)拍。

由圖3可以看到,直線型布置的單元節(jié)拍為8.5 s。由于單元中各元件并行動作較少,因此單元節(jié)拍較慢。

▲圖3 直線型布置節(jié)拍框圖

2.2 回轉(zhuǎn)型布置形式

回轉(zhuǎn)型布置形式采用回轉(zhuǎn)分割器回轉(zhuǎn)定位,常用4～8工位,布置原理如圖4所示。各工位動作如下:銅觸頭振動盤出料后,夾指機械手上料(工位1)，點膏(工位2)，銀點振動盤出料后上料(工位3)，焊接(工位4)，沖字(工位5)，卸料(工位6)。采用回轉(zhuǎn)型布置形式，單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工序多，節(jié)拍快，成本相對較高[4]。

▲圖4 回轉(zhuǎn)型布置原理

回轉(zhuǎn)型布置節(jié)拍框圖如圖5所示。六個工位上的工件同時作業(yè),動作時間最長的工位決定單元節(jié)拍,動作時間相對較短的工位在動作完成后即處于等待狀態(tài)。各工位作業(yè)完成后,回轉(zhuǎn)分割器回轉(zhuǎn)一個角度,進行下一步組合或工序執(zhí)行?；剞D(zhuǎn)分割器回轉(zhuǎn)一個工位角度的時間較短,往往不長于1 s。

由圖5可以看到,回轉(zhuǎn)型布置的單元節(jié)拍為5.0 s。由于單元中各元件并行動作較多,因此節(jié)拍較快。

2.3 機械手型布置形式

采用機械手布置形式,可以輕易完成物料在空間上的平移、翻轉(zhuǎn)、傾斜等[5]。機械手布置原理如圖6所示,其動作過程如下:銅觸頭振動盤出料,機械手上料；點膏并檢測；銅觸頭移至夾具；銀點經(jīng)振動盤出料,機械手上料；移至銅觸頭上；焊接；機械手夾取成品,移至料倉。

機械手型布置形式可以完成三種不同觸頭焊接的組合,操作柔性好,但所有移料動作由機械手完成,因此節(jié)拍很慢。此外,機械手價格昂貴,成本相對較高。

機械手型布置節(jié)拍框圖如圖7所示。機械手分別將銅觸頭和銀點移至焊接夾具,焊機開始工作。焊接完成后,再由機械手卸料。

由圖7可以看到,機械手型布置的單元節(jié)拍為13 s。由于單元中沒有并行動作器件,節(jié)拍很慢。

2.4 混合型布置形式

機械手型布置形式雖然具有操作柔性特點,但是不同產(chǎn)品焊接時,需要更換夾具。更換后還需要對夾具、電極進一步調(diào)試,工作量較大。多次裝拆夾具還容易使定位精度降低[6],使組件相對位置發(fā)生偏移?；旌闲筒贾眯问娇梢允孪葘⒉煌a(chǎn)品的焊接夾具布置在回轉(zhuǎn)分割器的不同工位上,更換產(chǎn)品時,只需在觸摸屏上操作回轉(zhuǎn)分割器回轉(zhuǎn)即可。因此,混合型布置形式較機械手型布置形式體積更大,但更換夾具等待時間較短,有利于提高工作效率和單元自動化水平。混合型布置原理如圖8所示。

▲圖7 機械手型焊接單元節(jié)拍框圖

▲圖5 回轉(zhuǎn)型焊接單元節(jié)拍框圖▲圖6 機械手布置原理

混合型布置形式與機械手型布置形式相比,節(jié)拍相近,亦可完成多種產(chǎn)品的焊接組合,操作柔性較好,且更換產(chǎn)品時調(diào)整工作量較少,效率較高,但體積更大,成本更高。

3 應(yīng)用及分析

杭州之江開關(guān)股份有限公司從事自動化焊接設(shè)備改造多年,對斷路器自動電阻焊接進行了深入研究,各種布置形式的焊接單元都有涉及。圖9(a)所示為HSM1-125塑殼斷路器動觸點自動焊接單元，屬直線型布置形式。圖9(b)所示為HSM1系列塑殼斷路器熱元件自動焊接沖字單元，屬回轉(zhuǎn)型布置形式。圖9(c)所示為HSW1-2000框架斷路器動觸點自動焊接單元，屬機械手型布置形式。實際使用中,若每天開機6 h,HSM1-125塑殼斷路器動觸點可焊接成品2 400～2 800只，HSM1系列塑殼斷路器熱元件可焊接成品3 200～3 600只，更換不同厚度熱元件時,需對振動盤略作調(diào)整，HSW1-2000框架斷路器動觸點可焊接成品1 100～1 500只。由于產(chǎn)量的限制,前兩個單元每月工作10天左右就可完成月計劃,機械手型布置形式由于可以焊接三種產(chǎn)品,每月需工作25～30天才可完成月計劃。從實際使用效果來看,機械手型布置形式作業(yè)速度雖慢,但操作柔性好,可完成三種不同觸頭的焊接,同時工作平穩(wěn)性更好,故障率更低。目前，機械手移動速度僅用至最高速度的40%～50%,若滿負荷操作，則工作效率還可以有較大的提升空間。

對四種布置形式進行對比分析,見表1。

設(shè)備焊接使用過程中,還應(yīng)注意:① 不要選擇焊點過高或銀點面積過大的產(chǎn)品,因為電阻焊時需要很大的能量,易燒損電極[7],若增加電極表面打磨頻次,則影響單元節(jié)拍[8];② 不要選擇銀點面積過小的產(chǎn)品，小面積銀點自動傳送比較困難,卡料現(xiàn)象會增多，且小面積銀點易燒損,質(zhì)量難以保證,一般小面積銀點采用自動鉚接制作,速度快,質(zhì)量更好[9];③ 電極經(jīng)過一定次數(shù)焊接后，一般為幾千次,需要對電極表面進行簡單打磨,防止焊接過程中電極表面出現(xiàn)毛刺，對焊接質(zhì)量造成影響。

表1 焊接單元布置形式對比

▲圖8 混合型布置原理

▲圖9 斷路器動觸點自動焊接單元布置形式

4 結(jié)束語

筆者對常用的四種斷路器動觸點自動焊接單元布置形式進行了分析,目前，各種布置形式的焊接單元均有應(yīng)用。

從成本角度分析,優(yōu)先選擇直線型布置形式。從節(jié)拍角度分析,優(yōu)先選擇回轉(zhuǎn)型布置形式。從操作柔性角度分析,優(yōu)先選擇機械手型或混合型布置形式。

隨著科技的進步和人們生活水平的提高,個性化訂單越來越多[10],多品種小批量生產(chǎn)是工業(yè)產(chǎn)品發(fā)展趨勢[11]。另一方面,機械手應(yīng)用日益普及,設(shè)備成本不斷下降,由此,機械手型或混合型布置形式的自動焊接單元將會越來越多地得到應(yīng)用。