張尚奇

[摘 ? ?要]隨著工業(yè)自動化技術(shù)的快速發(fā)展，自動裝配設備已逐漸成為各企業(yè)的重要生產(chǎn)工具。以燃氣熱水器熱交換器的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，并針對誤差建模、仿真分析、靜態(tài)誤差優(yōu)化以及定位精度調(diào)整等幾個方面闡述了優(yōu)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(fā)展和提升。

[關(guān)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(shù)，具有裝配精度高、裝配速度快、運行穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)勢和特點，能夠有效緩解當前勞動力短缺的現(xiàn)狀。應當針對自動裝配設備的結(jié)構(gòu)和原理進行充分研究，確保自動裝配設備的安全穩(wěn)定運行，提升產(chǎn)線裝配生產(chǎn)效能。

1 燃氣熱水器熱交換器的結(jié)構(gòu)特點及裝配需求

1.1 結(jié)構(gòu)特點

熱交換器是燃氣熱水器的“心臟”，依托熱交換器能夠?qū)⑷細馊紵臒崃總鬟f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(gòu)成，由于燃氣熱水器當中熱交換器的結(jié)構(gòu)較為復雜，零件較多，因此傳統(tǒng)手工裝配存在一定的困難，裝配生產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)過程當中，應當能夠針對裝配動作進行實時調(diào)節(jié)，從而提升裝配產(chǎn)線的協(xié)調(diào)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(diào)節(jié)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(zhì)量的前提下有效提升自動裝配速度，進一步縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，使熱交換器的生產(chǎn)效能進一步提升。

2 自動化裝配設備的原理與基本結(jié)構(gòu)

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(shù)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(qū)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(huán)節(jié)，可按照自動裝配設備的運行需求以及各工序環(huán)節(jié)當中涉及到的工藝內(nèi)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(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效能得到充分保障，促進熱水器生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟生產(chǎn)效益的不斷進步。

2.2 功能結(jié)構(gòu)

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(chǎn)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(chǎn)速度較低，而殼體成型工位的生產(chǎn)速度較高，因此應當在二者之間設置一個緩沖區(qū)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(jù)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(jié)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(chǎn)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(diào)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(yè)。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(yè)與鉚接作業(yè)對殼體位置和形態(tài)的需求統(tǒng)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(yè)與鉚接作業(yè)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(yè)，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(qū)動滑軌當中運行的機械臂，使機械臂能夠在滑軌當中實現(xiàn)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?qū)んw形態(tài)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(zhuǎn)180°后繼續(xù)對殼體另一面進行沖孔，從而完成整個沖孔工序。該方案結(jié)構(gòu)較為簡潔，但可能在沖孔及鉚接工序當中對機械臂產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(tài)下形成的形變誤差得到有效控制，進一步降低精度優(yōu)化產(chǎn)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(jié)構(gòu)較為復雜，但緩沖區(qū)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(chǎn)生的不良影響，使自動化裝配設備的運行更加有序協(xié)調(diào)，充分提升了設備運轉(zhuǎn)效能，精度控制成本得到有效控制，使自動化裝配工序的經(jīng)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(cè)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(gòu)對側(cè)板工件進行運送，從而使鉚接工序?qū)崿F(xiàn)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(zhuǎn)模塊將熱交換器側(cè)板送至交換臺，并通過三軸移位裝置將側(cè)板送入鉚接機當中。其中，在頂升機構(gòu)上方還應當設計移動料倉，為側(cè)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(qū)動，并將其內(nèi)部臨時存放的熱交換器側(cè)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(jié)構(gòu)較為復雜，但其內(nèi)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(cè)板放料數(shù)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(xù)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(jié)構(gòu)更加簡單，能夠連續(xù)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(zhì)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(jīng)濟效益得以進一步展現(xiàn)。

3 優(yōu)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(wěn)定性以及機械臂運動流程等方面因素的影響，可能會產(chǎn)生一定的精度誤差，進而對熱交換器的整體裝配精度產(chǎn)生一定的影響和制約。因此如何優(yōu)化自動裝配設備的精度已成為當前技術(shù)和涉及人員面臨的重要課題。在優(yōu)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?？刹捎肧olidworks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(chǎn)生的形變以及機械誤差進行推算，并采取措施進行調(diào)整，使其最終滿足方案設計相關(guān)需求，避免由于外界因素的影響導致其最終精度產(chǎn)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(chǎn)生的誤差往往會形成正態(tài)分布，因此為了提高對誤差的分析效率，優(yōu)化精度分析與設置，避免產(chǎn)生精度過剩的現(xiàn)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(chǎn)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(tǒng)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(zhuǎn)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(zhì)量和精度的前提下有效降低精度優(yōu)化成本，進而充分提升自動裝配工序所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。根據(jù)以上進行的仿真模型分析后發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)角誤差、Z滑座與導軌的轉(zhuǎn)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(yōu)化靜態(tài)誤差

為進一步提升機械臂靜態(tài)誤差的優(yōu)化效果，應當針對靜態(tài)誤差優(yōu)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(quán)重，使設計人員能夠推算出更加精準的誤差優(yōu)化值，使靜態(tài)誤差優(yōu)化效果得以進一步提高。在當前的靜態(tài)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(shù)據(jù)得到進一步迭代，提高誤差數(shù)據(jù)的可靠性，并針對整體精度采用多島遺傳算法進行優(yōu)化，將影響較為顯著的誤差參數(shù)進行進一步控制，并將影響較小的誤差參數(shù)進行適量放大，從而在一定程度上降低靜態(tài)誤差值，并且有效控制了精度優(yōu)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(yōu)化定位精度

除了靜態(tài)誤差外，定位精度的全局優(yōu)化同樣對提升自動裝配設備的運行效率具有關(guān)鍵性作用?？刹捎肐sight集成Matlab的優(yōu)化方式進行精度優(yōu)化，并將靜態(tài)誤差與動態(tài)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(jié)論

總而言之，在現(xiàn)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(diào)節(jié)，并針對機械臂運行狀態(tài)進行優(yōu)化，確保自動裝配設備高效穩(wěn)定運行。

參考文獻

[1] 何冬明，王燕椿.中央空調(diào)裝配生產(chǎn)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

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[3] 黃海燕.工件裝配自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設計[J].機電工程技術(shù)，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(nóng)機，2019（21）：165.