机械自动化在换热器制备中应用

机械自动化在换热器制备中应用

邱水兵

佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司  广东佛山  528000

摘要：换热器人工装配存在效率低、质量不稳定的问题。因此，开发换热器的自动装配生产线具有重要的工程意义。本文通过对换热器自动装配工艺的分析与研究，提出了一套自动化装配线的总体方案，设计了工艺路线，布局图、工装。

关键词：换热器  自动化

1 引言

随着科学技术的不断发展，机械自动化在各个领域都起到极其重要的作用，不仅包括工、农业、交通运输等基础行业、甚至连计算机、宇航等高新科技行业也在应用[1]。随着机械自动化的发展，它在制造业中的应用日益广泛。

2 机械自动化的应用

机械自动化的应用十分广泛，其在制造业的应用起步于50年代末，主要为轴承的自动化装配线。之后，随着制造业的发展和机器人的突飞猛进，自动化行业取得了突飞猛进的进步[1-5]。近年来，我国的自动化装配技术取得了更为明显的发展，业内开始自行设计自动装生产线，并开发了部分产品的全自动或半自动的生产线[6-7]。机械自动化在制造业中广泛应用主要包括：

1、加工成型机械及其生产线，其主要是在模具的作用下施加压力生产模制件，如冲压件，注塑件；

2、切削机械及其生产线 ，其主要是利用刀具在既定程序下完成一定形状的零件的加工，如激光切割、车、铣、磨、刨等；

3、装配机械及其生产线，主要功能是通过配用工具或者机械手，按照既定的操作程序完成工艺动作，主要将各个零件装配为部件、半成品及成品，在装配的过程中可能需要完成简单的切削；或者是将包装材料或者袋子封住工件产品，主要的动作包括输送工件、计数、称重、封口、标签、打标、成品运输等。

3 换热器制备工艺分析

换热器现在的人工制造存在诸多问题，品质质量不稳定，效率地下，因此本文以换热器为例，阐述装配机械及自动化生产线的方案设计。方案设计为具体设计的前提，其内容为生产工艺路线设计，布局图设计、工装设计等几个主要过程。下面以某公司HR-3Y型号的换热器为例阐述机械自动化在制造业的创新实践。

下表为HR-3Y型号的换热器的装配BOM 零件清单。其主要构成有壳体、翅片、侧板、L型管、盘管、直管、U型管、消音片、消音弹簧等。

表一 HR-3Y型号的换热器的装配BOM 零件清单

图1（左）                      图1（右）

图1（左）是该换热器的现有的手工作业生产工艺的装配工艺路线图。经分析，手工装配工艺路线存在效率低，装配质量参差不齐、组件质量的一致性差，生产成本高等缺点。因此，针对以上几个缺点，自动化装配工艺需要满足以下几个要求：

（1）控制系统可以有效地调节各机构的动作连续性与协调性。

（2）简化装配工艺，提高装配质量与装配的可靠性。

（3）装配线的设计应尽量紧凑，减少占地面积。

（4）提升装配线的效率，尽可能地协调各工位的作业时间以提高装配线的平衡率。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

图1（右）是根据换热器的结构及现有的工艺结合企业的实际需求，做出的自动化生产线的装配工艺路线图。自动化装配线分为三个阶段，第一阶段包含壳体折弯工位至自动焊盘管工位，第二阶段包含冲翅片至自动扩管工位，第三阶段包含自动串消音组件至手工装旁通管工位。由于盘管的形状怪异，容易变形，L管与旁通管的装配较为复杂，难以定位。故结合实际需求，将盘管安装工位、铜板折弯壳体工位、翅片整理工位、L 形管与旁通管的装配工位设为手工工位。图2为第一阶段的布局图。

图2  第一阶段的布局图

下面以第一阶段为例，分析工装的设计：

（1）翻边工位需求分析 壳体完成成型后，被运输至翻边机，以大口朝下的形态放入翻边机并固定，启动翻边机完成翻边，在整个翻边过程中壳体必须由外力固定。

（2）冲孔工位需求分析

翻边完成后，运输壳体至冲孔机处完成一面的冲孔，随后将壳体旋转 180 度完成另一个面的冲孔，整个冲孔过程壳体必须由外力固定，并减小冲孔时产生的震动对运输装置的损害。

（3）铆接工位需求分析

冲孔完成后，由送料装置将侧板放入铆接机下模，由运料装置将壳体运输至铆接机完成铆接，随后将壳体旋转180度完成另一个面的铆接，整个铆接过程壳体必须由外力固定，并减小铆接时产生的震动对运输装置的损害。铆接完成后，将壳体运至下一工位。

4 工装方案分析及设计

下面以第一阶段三个工位的工装方案分析及设计为例子，详细分析工装设计方案

（1）翻边工位方案

翻边工位需要将壳体从成型工位运输到翻边工位，其中壳体成型工位基台比翻边机基台高 400mm，故首先需要解决高度差问题。由于翻边工位的工时比壳体成型工位的要慢，故两者之间有必要设置缓冲地带以免工件积压。故翻边工装需满足三个要求：实现两工位间的运输，解决不同工位间的高度差问题，避免工件积压。其方案简图如下图3所示，为了解决壳体成型工位基台与翻边机基台高度差的问题，在成型工位和翻边机之间设置一台升降机，为了解决缓冲与运输问题，设置输送机与四自由度机械臂。工人首先将成型的壳体放在升降机上，升降机下降至与输送机平行，输送机启动将壳体运送至翻边机前，机械臂启动将壳体运输至翻边机完成翻边。

图3 翻边工装方案简图

（2）冲孔工位方案

冲孔工位需要将壳体从翻边工位运送到冲孔工位并完成冲孔的一系列动作，此功能衔接了翻边、冲孔与铆接三个工位。由于铆接与冲孔两工位作业时壳体的形态一致，故铆接上料功能和壳体送料功能一致。由前文的分析可知，翻边与冲孔的位置不一样且需要双面冲孔与铆接，因此机械臂的设计是一大要点，需要设计一种机械臂，使其可以很好地完成壳体的加工、运输与装配。因此设计一种符合要求的机械臂为本工位的基本要求。如图4所示，为了能更好的完成各工位的衔接，本方案将使用两个同样的机械臂。其中取件机械臂一负责将壳体从翻边机运输至冲孔机并完成冲孔，取件机械臂二则负责将壳体从冲孔机运输至铆接机并完成铆接。在运输时，壳体需要完成两个方向的旋转与三个方向的平动，图中机械臂为五自由度，因此可以满足功能的基本要求。

图4 冲孔工装方案简图

（3）铆接工位方案

铆接工位需要将侧板送入铆接机下模实现铆接的一系列动作。要求实现侧板的自动送料与给料。因此本工位的基本设计要求为实现侧板送料的自动化。图5（1） 铆接工装方案简图，图5（2） 铆接工装方案图所示，整个功能装置由5个模块组成，分别为顶升机构、移动料仓、旋转模块、三轴移位装置与交换台。顶升机构与移动料仓用于出料，旋转模块与三轴移位装置用于送料，其中旋转模块先将侧板送入交换台，然后三轴移位装置将侧板送入铆接机。侧板储存于移动料仓处，移动料仓共有两个侧板存储机构，且可以沿 Y 轴移动，顶升机构位于移动料仓下方，用于顶升侧板。运输开始时，顶升机构运动将侧板沿 Z 轴正方向推动一段行程以减小侧板与吸取装置二的距离，吸取装置二沿 Z 轴负方向运动吸取侧板随后归位，旋转模块旋转 180 度，吸取装置二沿Z 轴负方向运动将侧板放入交换台的同时，吸取装置一沿 Z 轴负方向运动吸取侧板随后归位，最后三轴移位装置启动通过沿 X、Y、Z 轴的平动将侧板送入铆接机。当移动料仓的一个侧板存储机构空料后，移动料仓沿 Y 轴正方向移动使另一个料仓对准吸取装置，开始新一轮的送料，同时工人将料放入空了的存储机构。

图5（1） 铆接工装方案简图

图5（2）铆接工装方案图

3 结论

本文介绍了机械自动化在制造业的创新实践概况，并以换热器为例分析了装配机械及其自动化设计的整个过程，具体阐述了生产工艺设计与分析、布局图设计与分析及工装方案分析与设计。

参考文献

[1]杨湘达.深沟球轴承自动装球机的研制[D] .大连:大连理工大学, 2012.

[2]何贞志.圆锥滚子轴承装配高在线自动检测技术研究[D] .武汉:华中科技大学, 2008.

[3]彭龑, 何玉林. 机械制造业自动化技术的发展趋势研究[J]. 阀门, 2001, (03): 28-30.

[4]张强. 浅谈柔性制造技术的现状及发展[J]. 技术与市场. 2008, (5): 39-40.

[5]张佩勤等. 自动装配与柔性装配技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 1998.

[6]彭龑.机械制造业自动化技术的发展趋势研究[J]  阀门. 2001(03): 28-30.