陳旭東，石劍鋒，馬敏莉

（南通職業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，南通 226007）

0 引言

近年來國際國內(nèi)電子工業(yè)的飛速發(fā)展，帶動電子元器件行業(yè)的發(fā)展，鋁電解電容器是目前國內(nèi)發(fā)展最快的元器件之一。特別是L型鋁電解電容器，由于其耐壓高，容量大而無可替代，用途尤為廣泛，近年來市場需求越來越旺盛。電容器蓋板如圖1所示是L型鋁電解電容器的主要零件，據(jù)初步估算，2011年國內(nèi)的蓋板需求約在6億只以上，預(yù)計2012年將會超過8億只。而一個完整的蓋板上包含兩個以上電極，所以電極的需求應(yīng)在12億只以上，可見市場需求量是很大的。蓋板電極由鉚釘如圖2所示和牛角焊片（L型鋁電解電容器的引出電極，如圖3所示）裝配點焊而成[1]。

圖1 蓋板圖

圖2 鉚釘

圖3 牛角

通過調(diào)查，目前國內(nèi)蓋板生產(chǎn)企業(yè)主要以手工生產(chǎn)為主，生產(chǎn)率低，并且產(chǎn)品質(zhì)量離散性大，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)能和質(zhì)量受諸多不確定因素影響較大，無法滿足市場需要。因此國內(nèi)各廠家都迫切希望用自動化設(shè)備來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工生產(chǎn)，以提高勞動生產(chǎn)力，提高產(chǎn)品質(zhì)量檔次，提高市場占有率。

1 蓋板電極裝配機主要功能與參數(shù)

L型鋁電解電容器的蓋板生產(chǎn)分兩個工程來完成，第一個工程為蓋板電極裝配和焊接，具體來講就是由將鉚釘插入鐵制的牛角焊片（牛角是電極的一部分），如圖4，然后將已插入鉚釘?shù)呐＝请姌O在專用的點焊裝置上進(jìn)行可靠焊接，這樣蓋板電極就完成了。而第二個工程為蓋板裝配和沖壓工程，是將已沖好兩只孔的蓋板分別裝上兩個焊接好的電極再放上墊圈，然后分別沖鉚在膠木和橡膠復(fù)合材料制成的蓋板上，這樣一個完整的蓋板產(chǎn)品就完成了[2]。LD-3000型全自動電容器蓋板電極裝配機的主要功能是完成研究第一工程的生產(chǎn)任務(wù)。

圖4 牛角與鉚釘裝配圖

LD-3000型全自動電容器蓋板電極裝配機的主要技術(shù)難題是解決鋁電解電容器蓋板上鉚釘和牛角尺寸小、質(zhì)量輕、精度要求高及裝配時定位精度要求高的問題。設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)：工作速率為0～50次/分鐘可調(diào)；鉚釘、牛角報廢率不超過1‰；鉚釘和牛角裝配合格率＞98%；設(shè)備開機率＞95%。

2 主要機械機構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)備研制方案的總體構(gòu)思

LD-3000型全自動電容器蓋板電極裝配機研制的總體構(gòu)思，該設(shè)備牛角和鉚釘采用圓形和直線振動盤來實現(xiàn)自動送料，并利用光纖檢測送料盤是否上滿料，當(dāng)料上滿時則振動盤自動停止上料，避免送料堵塞。系統(tǒng)要實現(xiàn)牛角上料、牛角檢測、鉚釘上料、鉚釘檢測、牛角鉚釘提取、送入點焊裝置六個工作內(nèi)容并自動循環(huán)，因此采用M601RDM12H24-180型凸輪驅(qū)動式間歇運動分割器實現(xiàn)六工位間歇運動[3]。系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)采用氣缸和機械手組合形式，機構(gòu)簡單、工作可靠，并采用光纖、光電開關(guān)等進(jìn)行檢測，采用PLC程序控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化工作。

2.2 傳動方案的選擇

LD-3000型全自動電容器蓋板電極裝配機傳動機構(gòu)要實現(xiàn)的主要功能是：1）采用齒輪傳動方式帶動M601RDM12H24-180型凸輪驅(qū)動式間歇分割器。間歇運動分割器的主要參數(shù)：輸出力矩為320N.M，轉(zhuǎn)位時間為0.51秒，停止時間為0.5秒，動程角為180°，連續(xù)運轉(zhuǎn)壽命為10萬小時以上；2）系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)中有凸輪、齒輪等，傳動機構(gòu)必須帶動驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)；3）系統(tǒng)工作速率為0～50次/分鐘可調(diào)，因此傳動方案中必須配置減速箱。

根據(jù)傳動機構(gòu)的功能要求，設(shè)計出傳動原理圖[4]，如圖5所示。根據(jù)蓋板電極裝配機傳動原理圖，傳動機構(gòu)的設(shè)計主要包括電動機的選擇、傳動比分配、傳動機構(gòu)的運動和動力參數(shù)計算、主要傳動件的設(shè)計計算、驅(qū)動軸的設(shè)計計算等。最后確定傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖5 傳動原理圖

2.3 牛角上料機構(gòu)的設(shè)計2.3.1 牛角上料機構(gòu)的功能

牛角上料機構(gòu)的功能：將牛角從直線振動器送料閘門位置準(zhǔn)確推入工位盤工位中。根據(jù)機構(gòu)的功能要求，牛角上料機構(gòu)要完成二個動作：一是定位圓柱銷向下放入牛角孔中的動作；二是將牛角推入工位盤定位槽中的動作。

根據(jù)LD-3000電容器蓋板電極裝配機的總體結(jié)構(gòu)，牛角上料機構(gòu)二個動作的主要技術(shù)參數(shù)：定位圓柱銷上下工作行程為10mm左右，前后工作行程為10mm左右，定位圓柱銷保證與牛角孔準(zhǔn)確定位，有較好的耐磨性。

圖6 傳動機構(gòu)立體圖

2.3.2 牛角上料機構(gòu)的方案選擇

根據(jù)牛角上料機構(gòu)的功能和參數(shù)要求，從牛角形狀分析，其平面較小，不需要夾緊，只需要在工作盤表面滑動就可以上料，并且不需要走弧線，走直線就可以完成動作。經(jīng)綜合考慮采用氣缸實現(xiàn)動作，機構(gòu)較簡單，可以方便實現(xiàn)程序控制。其動作流程：定位氣缸下降→推進(jìn)氣缸前進(jìn)→定位氣缸上升→推進(jìn)氣缸后退，進(jìn)入下一個工作循環(huán)。

根據(jù)行程和缸徑，查找氣缸標(biāo)準(zhǔn)，牛角上料 定位氣缸和推進(jìn)氣缸選擇上海康茂氣動控制元件有限公司制造的QP型短行程輕型氣缸，型號QP2A10A10，氣缸的缸徑為10 mm，行程為10 mm，缸體固定式。通過氣缸的選擇和主要機械零件的設(shè)計，確定了牛角上料機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，LD-3000電容器蓋板電極裝配機牛角上料機構(gòu)立體圖如圖7所示。

圖7 牛角上料機構(gòu)立體圖

圖8 牛角提取機構(gòu)動作時序圖

2.4 牛角鉚釘提取機構(gòu)的設(shè)計

2.4.1 牛角鉚釘提取機構(gòu)的功能

牛角鉚釘提取機構(gòu)的功能：將已經(jīng)裝入鉚釘?shù)呐＝峭ㄟ^機械手提取，準(zhǔn)確送到點焊工位。根據(jù)機構(gòu)的功能要求，牛角鉚釘提取機構(gòu)要完成的主要動作：1）機械手上下運動；2）機械手夾緊松開動作；3）機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)位運動；4）機械手前進(jìn)后退運動。四個動作的工作時序如圖8所示。

根據(jù)LD-3000電容器蓋板電極裝配機的總體結(jié)構(gòu)，牛角鉚釘提取機構(gòu)四個動作的主要技術(shù)參數(shù)：1）機械手上下工作行程為30mm；2）前后工作行程20mm左右；3）機械手夾緊對向行程為4 mm；4）機械手回轉(zhuǎn)角度45°，轉(zhuǎn)位精度±1。

2.4.2 牛角鉚釘提取機構(gòu)的方案選擇

根據(jù)牛角鉚釘提取機構(gòu)的功能和參數(shù)要求，提取機構(gòu)的方案采用機械凸輪與氣缸組合實現(xiàn)動作，機械手夾緊、松開、上下、前后動作由氣缸來實現(xiàn)動作，機械手回轉(zhuǎn)運動由機械凸輪來實現(xiàn)。機械手上下氣缸、機械手前后氣缸選擇QP型短行程輕型氣缸，型號為別為QP2A40A35和QP2A12A20，機械手夾緊氣缸選擇型號為MHZ2-6D的夾緊氣缸。

牛角鉚釘提取機構(gòu)要實現(xiàn)機械手回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角度45°，轉(zhuǎn)位精度±1′。根據(jù)機構(gòu)的方案選擇采用轉(zhuǎn)位凸輪 實現(xiàn)動作，當(dāng)牛角鉚釘提取機構(gòu)轉(zhuǎn)位凸輪運動時把運動規(guī)律傳遞給擺桿，通過擺桿傳遞給齒條，從而帶動齒輪一起運動實現(xiàn)機械手的轉(zhuǎn)位。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求齒輪分度圓直徑定為50 mm，當(dāng)牛角鉚釘提取機械手轉(zhuǎn)動角度為45°，則齒輪需轉(zhuǎn)動為45°，齒輪轉(zhuǎn)動弧長為：

因此齒條運動行程為23mm，即牛角鉚釘提取轉(zhuǎn)位凸輪升程為23mm。最后確定牛角鉚釘提取機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 牛角鉚釘提取機構(gòu)立體圖

3 電器控制硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 蓋板電極裝配機電器原理框圖

LD-3000電容器蓋板電極裝配機采用氣動元件實現(xiàn)動作，采用凸輪驅(qū)動式間歇分割器實現(xiàn)系統(tǒng)間歇運動，采用磁感應(yīng)接近開關(guān)、光纖等進(jìn)行狀態(tài)檢測，采用變頻調(diào)速器實現(xiàn)設(shè)備無級調(diào)速。根據(jù)功能要求，分析設(shè)計LD-3000電容器蓋板電極裝配機的原理框圖，如圖10所示。

圖10 牛角裝配控制系統(tǒng)的原理框圖

表1 輸入輸出地址分配表

圖11 LD-3000電容器蓋板電板裝配系統(tǒng)控制流程圖

選用變頻器型號為MM440 A型三相，其輸入電壓380～480VAC、功率為0.37`1.5kw。根據(jù)《S7-200系統(tǒng)手冊》CPU224 PLC 輸入點數(shù)14/輸出點數(shù)10，根據(jù)需要擴展EM222與EM223各一個，這樣整個系統(tǒng)總輸入點數(shù)22/總輸出點數(shù)26，完全能滿足系統(tǒng)目前要求及后續(xù)擴展要求。

3.2 電氣控制原理圖

根據(jù) LD-3000電容器蓋板電極裝配機的工作性能要求，設(shè)計LD-3000電容器蓋板電極裝配機PLC控制原理圖，其輸入輸出地址功能分配表如表1所示，凡表1中未列出地址作為備用地址。

3.3 控制流程圖

LD-3000電容器蓋板電板裝配系統(tǒng)總共有六個工位，保括牛角上料、檢測牛角、鉚釘上料、檢測鉚釘、牛角鉚釘提取并送入點焊裝置、清除等工作內(nèi)容；控制模式有手動、自動兩種。具體控制流程如圖11所示。

4 結(jié)論

LD-3000電容器蓋板電極裝配機樣機研制已經(jīng)成功，使用表明，性能可靠、操作方便、生產(chǎn)效率高，造價約為國外同類設(shè)備的1/4左右，設(shè)備正常運轉(zhuǎn)開機率＞95%，產(chǎn)品合格率99%，解決了國內(nèi)L型鋁電解電容器蓋板的自動化生產(chǎn)問題。因此，LD-3000電容器蓋板電極裝配機具有較好的推廣價值。

[1] 陳國光.鋁電解電容器[M].成都.成都科技大學(xué)出版社,2001: 53-58.

[2] 林學(xué)清.鋁電解電容器工程技術(shù)[M].廈門: 廈門大學(xué)出版社, 2002: 10-12.

[3] 孫淑霞, 常江.蝸形凸輪分度機構(gòu)共軛曲面研究[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2001, (4): 96-98.

[4] 陳秀寧, 施高義.機械設(shè)計課程設(shè)計(第三版)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社, 2007: 9-10.