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1、交流接触器自动化装配线的研究与设计作者：聂宗军杨金谷昌南李俐赵泰祥来源：工业技术创新2022年第05期摘要：研究与设计一种集成为了创造企业生产过程执行系统(MES)的交流接触器自动化装配线。装配线包括13个自动装配、检测和包装单元，对部份单元进行创新设计，实现了产品合成装配的柔性创造和测试判断的准确性、可控性。MES对自动化装配线进行实时监控与动态调整、正向跟踪与反向追溯，实现了可视化管理与全程化质量跟踪。相比原有的手工装配线，每件产品的装配成本降低了65%,产品的生产效率提高了1.6倍，每条自动化装配线减少人力18.6人。交流接触器自动化装配线提升了智能创造水平，提高了产品质量和竞争力。关键
2、词：交流接触器；自动化装配线；创造企业生产过程执行系统(MES)；柔性制造；可视化管理：成本控制；智能创造中图分类号：TS736文献标识码：A文章编号：2095-8412(2022)05-015-07工业技术创新URL：http：/www.china-iti.mDOI：10.14103j.issn.2095-8412.2022.05.004引言目前，我国创造业正处于转型升级阶段。自动化技术的快速发展，极大地推动了我国工业自动化的进程，为我国智能创造产业带来了良好的社会效益和经济效益1-3。自动化装配线是自动化技术的集中体现，通过机械系统、气压系统和电气控制系统之间的配合，可以使各个机构自动准确
3、地完成设定的装配工序。上海交通大学何永健等4在分析可能导致振动送料速度异常变动的各种因素的基础上设计了自动装配系统，该系统可快速自动实现荧光灯灯头的装配。出涛等5指出，在汽车创造、电子创造等领域，全自动化装配已经实现，而在电器创造企业，装配工作仍然在流水线上由人工完成，惟独部份装配实现了自动化。交流接触器是电力拖动自动控制系统中应用最普遍的一种低压控制电器，部件数量较多，且尺寸相对较小，手工装配难度大、效率低。随着市场竞争日益激烈，电器创造企业为确保盈利，必须提高产品质量、缩短交货周期、降低装配成本68。本文为此设计一种合用于交流接触器的、集成为了创造企SS生产过程执行系统(ManUfaCtU
4、ringExecutionSystem,MES)的自动化装配线。1交流接触器的结构与工作原理交流接触器作为执行元件，用于接通、分断电路，或者频繁地控制电动机等设备运行。交流接触器主要由卡罩、基座、插芯、衔铁、磁挽、接触板、复位弹簧、线圈、触桥、底座组成，如图1所示。交流接触器的工作原理：电磁线圈通电后，磁糖产生电磁力，衔铁在电磁力的作用下与磁视吸合，带动插芯上的触桥向下与接触板接触，电路接通；电磁线圈断电后，磁规产生的电磁力消失，衔铁在复位弹簧的作用下返回初始位置，触桥与接触板分离，电路分断9。2自动化装配线结构设计2.1 总体结构交流接触器自动化装配线总体结构如图2所示C装配线采用直线型布局
5、，包括触头支持自动装配单元、基座自动组装单元、六轴上料机器人单元、底座自动组装单元、线圈自动拧螺丝单元、自动拧黑螺丝单元、接触板自动装配单元、自动拧组合螺丝单元、自动贴标单元、自动参数测试单元、振动噪音测试单元、卡罩自动装配单元、自动包装单元共十三个单元，由传送带和链板线将各个单元连接起来。2.2 各单元设计2.2.1 触头支持自动装配单元触头支持自动装配单元的主要功能是：1）将触桥和弹簧自动装配到插芯上；2）通过电荷耦合器件（Charge-CoupIedDevice,CCD）自动检测装配是否合格（指触桥与弹簧是否装配合格），并将不良品自动排出：3）组装完成后静电除尘。该单元的创新在于采用了仿
6、生装配设计、仿形装配设计和CCD检测技术。仿生装配设计就是摹仿人工装配的动作，对机构动作进行设计。该单元的仿生装配设计用于完成触桥的装配。如图3所示，首先，定位气缸将插芯定位；然后，夹爪气缸将倾斜53。的触桥插入到插芯上；最后，旋转气缸旋转，将触桥摆正。仿形装配设计就是按照对象的外观，对装配机构的动作进行设计。该单元的仿形装配设计用于弹簧的装配。如图4所示，首先，定位气缸将插芯定位；其次，装配气缸将弹簧推到插芯和触桥的装配位置。CCD检测技术是一种视觉检测技术，通过图象摄取装置，摄取产品的图象信号并将其传输给图象处理系统。图象处理系统对图象进行处理，将实际产品照片与正常产品照片进行比对，分析实
7、际产品与正常情况的相似度，从而判断产品是否合格。该单元的CCD检测技术用于检测触桥与弹簧是否装配合格，其CCD检测图象如图5所示。2.2.2 基座自动组装单元基座自动组装单元的主要功能是：1）将片簧和衔铁自动装配到插芯上；2）将插芯自动装配到基座上（基座由机器人直接从周转箱上料）；3）通过传感器自动检测装配是否合格（指片簧、衔铁与插芯是否装配合格），并将不良品自动排出；4）组装完成后颤动除屑。2.2.3 六轴上料机器人单元六轴上料机器人单元结构示意图如图6所示，其主要功能是将基座与底座直接从周转箱自动上料到传送带上，并由传送带将基座与底座输送至指定单元。该单元的创新在于，六轴上料机器人可以从相
8、同尺寸的周转箱中自动抓取与上料罗列规律不同的两种彻底不同物料，并解决了物料容器需要定制的问题。该单元只需在周转箱内的每层产品之间增加隔板，即可使用周转箱上料。2.2.4 底座自动组装单元底座自动组装单元的主要功能是：1）将横销和支持件自动装配到磁瓶上；2）将磁挽自动装配到底座上（底座由机器人直接从周转箱上料）：3）通过传感器自动检测胶塞是否装配合格，并将不良品自动排出。该单元的创新点在于采用分割器驱动载座，可自动将支持件、横销与磁筑组装成一个组件。2.2.5 线圈自动拧螺丝单元线圈自动拧螺丝单元的主要功能是：1）将线圈自动装配到底座上；2）将螺丝自动拧到线圈上；3）通过带扭力反馈的伺服机电自动
9、检测螺丝装配是否合格，并将不良品自动排出。该单元的创新在于采用了角度可调的载具设计（如图7所示），解决了打线圈螺丝机构不能兼容其他型号产品底座的问题。2.2.6 自动拧黑螺丝单元自动拧黑螺丝单元的主要功能是：1）为基座与底座自动装配合盖：2）将黑螺丝自动拧到基座和底座上，使两者固定；3）通过带扭力反馈的伺服机电自动检测螺丝装配是否合格，并将不良品自动排出。该单元的创新在于采用了微型定位自对中技术和扭矩控制与检测技术。微型定位自对中技术用于完成基座与底座的合盖，如图8所示。首先，定位气缸将底座定位；然后，伺服电缸被移至装配位；最后，伺服电缸将基座下移，与底座完成合盖。由于合盖对精度的要求较高，受
10、基座与底座变形影响，两部份会存在合盖不到位或者因产品公差而无法组合的现象。因此，在合盖时通过电缸集成压力传感器来提供实时合盖压力输出，当压力大于1.4N时，压力传感器输出信号，单元报警，防止过量下压破坏产品。同时，增加微型定位器，补偿产品本身变形所导致的偏移。二者的组合运用，可实现产品合成装配的柔性创造。扭矩控制与检测技术用于打黑螺丝。如图9所示，首先，定位气缸将产品定位；然后，黑螺丝装配机构将黑螺丝移至产品中；最后，带扭力反馈的伺服机电自动拧螺丝，并自动检测是否缺黑螺丝，以及黑螺丝是否拧紧，并将不良品自动排出。带扭力反馈的伺服机电拧螺丝并自动检测的原理是：PLC发出扭矩控制信号给伺服机电，伺
11、服机电按给定扭矩动作，并将扭力信息实时反馈给PLC,PLC对黑螺丝是否装配合格进行判断。判断标准是：1）最大扭矩的合格范围是08NmF2Nm:2）若拧紧时间低于1.4s,表示螺丝卡死：3）若拧紧时间大于2s,表示滑牙。扭力传感器的作用是实时传输扭矩信息，并输出扭力曲线，便于对扭力进行分析。图10所示的两条曲线为打黑螺丝机构同时打两颗螺丝时，分别由两个扭力传感器实时输出的扭力信息。2.2.7 接触板自动装配单元接触板自动装配单元的主要功能是：1）将接触板自动装配到产品上；2）通过传感器自动检测触头装配是否合格，并将不良品自动排出。2.2.8 自动拧组合螺丝单元自动拧组合螺丝单元的主要功能是：1）
12、将螺丝自动装配到产品上；2）通过带扭力反馈伺服马达自动检测螺丝装配是否合格，并将不良品自动排出C2.2.9 自动贴标单元自动贴标单元的主要功能是：1）利用自动喷码机自动印刷条形码；2）将条形码、标识标签等自动粘贴到产品上。2.2.10 自动参数测试单元自动参数测试单元主要由条码扫描机、工控机、开距超程检测机构、通断耐压检测机构和排不良机构组成，可以自动将测试参数与条形码对应，并存储到工控机，方便以后进行质量追溯。自动参数测试单元的主要功能是：1）测试前扫描条形码，将测试参数与条形码对应，并储存在工控机中；2）对产品进行开距超程检测和通断耐压检测，按照GB14048.4-2022低压开关设备和控
13、制设备10等有关标准对产品自动进行各项检测，并将不良品自动排出。2.2.11 振动噪音测试单元振动噪音测试单元主要由机器人、振动检测机构和排不良机构组成。振动噪音测试单元的主要功能是：1）由机器人将交流接触器上料至振动噪音测试位，并将不良品排出；2）振动噪音测试机构对交流接触器进行振动噪音检测项的检测。该单元的创新在于设计了振动噪音测试机构，其结构示意图如图11所示。该机构是电子电器自动化行业的一大创新，可以使测试结果从人工感觉过渡到测试量化，提高测试判断的准确性与可控性。交流接触器内部衔铁与磁胡的周期性振动是产生噪音的根本原因。磁胡的振动通过外壳传递，带动周围的空气振动。根据这一原理，振动噪
14、音测试机构设计弹片与产品接触在0.5mm的压缩量范围内，通过高速传感器获取交流接触器表面的振动信号。通过振动噪音测试机构的测试，可以得到如图12所示的测试结果。对U12a的振动波谱图进行分析，可以从幅度直观地判断振动强弱，进而通过计算振动波形的均方根值（RMS）,判断整体波动大小是否合格（RMS值的合格范围为Or0）。对图12b的振动频谱图进行分析，可以确定产品的特异频率点，进而有针对性地屏蔽外界的振动干扰。2.2.12 卡罩自动装配单元卡罩自动装配单元的主要功能是：1）将卡罩自动装配到产品上；2）通过预压机构自动将卡罩压紧到位；3）通过CCD检测机构检测产品外观（除底面外的五个面）是否合格，
15、并将不良品自动排出。2.2.13 自动包装单元自动包装单元结构示意图如图13所示，主要由封装机、热收缩机、取料机构、自动开盒成型机构、自动装盒机构、说明书装盒机构、自动合盖机构、贴标机构、CCD检测机构、自动开箱成型机构、自动装箱机构、合盖封装机构、贴标机构和码垛机器人组成。自动包装单元的主要功能是：1）将产品完成套袋、封装、装盒、装箱、贴标、码垛等包装工序；2）通过CCD检测机构检测贴标是否合格，并将不良品自动排出；3）单元可对应四条不同型号的交流接触器生产线，并能混线包装生产。3自动化装配线控制系统设计3.1 各单元控制系统由于PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、故障率低、维护方便等特点11
16、,12,因此交流接触器自动化装配线采用PLC作为控制系统。PLC不具有人机交互的功能，而在生产过程中是需要人机交互的，因此需要使用具有触摸操作功能的触摸屏13。交流接触器自动化装配线采用昆仑通态彩色触摸屏，用于手动/自动控制切换、参数设置、装配产量显示、故障原因显示等，如图14所示。控制系统有两种工作方式。是手动工作方式，通过不同按钮实现不同控制功能的操作，这时系统的功能是把按钮的输入信号直接变成输出信号，驱动相应的机构动作。二是自动工作方式，这时系统的功能是不断读取相应的输入信号的状态值，同时根据这些状态值，结合工艺要求做出下一步的动作判断，并输出相应的信号，通过电路驱动机构动作。该控制系统
17、采用顺序控制设计方法进行设计，即各个执行机构在生产过程中按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，自动有序地进行动作。交流接触器自动化装配线每一个装配单元均采用PLC控制触摸屏实现在线调试、数据的显示和设定，以及生产产量的统计。装配线具有设备综合效率(OVerallEqUiPmemEffectiveness.OEE)数据统计功能，以及以太网连接接口，整线配置工控机一台，测试参数与产品条形码对应，并存储在工控机硬盘上，方便以后进行调用和质量追溯。3.2 MES设计MES主要功能包括计划管理、质量管理、设备管理、人员管理、库存管理、管理报表、知识库、系统管理共八
18、大功能模块14.该系统主要实现车间详细计划排产，以快速有效对设备和工位上的计划进行修改、对偏离做出响应，以及实现车间各类生产创造要素的状态监控与动态调整，从而提高生产透明度与效率。MES框架如图15所示。通过MES的应用，可以实现管理可视化，即通过人机交互系统、电子看板了解生产执行状况、资源情况，如图16所示。设备关键数据均从设备PLC中进行采集，采集数据包括：运行时间、稼动时间、故障时间、故隙次数、时间稼动率、性能稼动率、产量、不良品数、良品率、OEE、节拍等。此外，MES可以实现质量跟踪全程化，即基于条码实时数据的采集分析，全程跟踪追溯产品的质量信息，实现深入细节的正向跟踪与反向追溯：从生
19、产、品质、物料多维度对产品生产进行正向跟踪，实时管控产品生产进度、品质及原料消耗情况；通过产品条码反向追溯到产品的生产批次、生产责任人、检验人、检验参数等信息。4自动化装配线效益分析将交流接触器自动化装配线运营成本与交流接触器手工装配线进行对照分析，如表1所每件产品的装配费用计算公式为(1)其中，f每件产品的装配费用；Cp-总的人工成本；n每天产能：d每年生产天数。根据表1中的数据和式(1)可以计算出手工装配线每件产品的装配费用为0.478元；自动化装配线每件产品的装配费用为0.167元。自动化装配线每件产品的装配费用与手工装配线相比，降低了约65%.根据节约的成本计算自动化装配线的回收周期(
20、交流接触器自动化装配线可实现连续化的生产，因此采用日夜两班倒的工作方式)，计算公式为(2)其中，N-自动化装配线的回收周期；fp手工装配线每件产品的装配费用；fm-自动化装配线每件产品的装配费用；Cm-自动化装配线的投资成本；n每天产能；d每年生产天数。根据表1中的数据和式(2)可以计算得到自动化装配线的回收周期约为2.68年。由于自动化装配线采用的是日夜两班倒的工作方式，故每天的实际产量为12000件，实际人员数为10人。与手工装配线每天产量为4600件，人员数为11人进行对照，得到自动化装配线产量是手工装配线的2.6倍，即若要达到与1条自动化装配线相当的产量，需要手工装配线2.6条，需要人
21、员数为28.6人，相当于每条自动化装配线减少人力18.6人。5讨论与结论通过对交流接触器自动化装配线进行研究与设计，可以得到以下认识：(1)自动化装配线包括自动装配、检测和包装单元共13个。在自动拧黑螺丝单元中，在合盖机构集成为了压力传感器，辅以微型定位器的补偿作用，实现了产品合成装配的柔性创造；在振动噪音测试单元，创新设计了振动噪音测试机构，使测试结果从人工感觉过渡到测试量化，提高了测试判断的准确性与可控性。(2)通过MES对自动化装配线进行实时监控与动态调整、正向跟踪与反向追溯，提高了生产协作效率，实现了可视化管理与全程化质量跟踪。(3)自动化装配线的投入使用，将每件产品的装配成本降低了6
22、5%,将产品的生产效率提高了1.6倍，每条自动化装配线减少人力18.6人。总之，该自动化装配线实现了交流接触器生产、检测和包装全过程的连续化、自动化，使产品的品质和一致性得到了增强，产品竞争力显著提升。该自动化装配线经过调整，还可以实现更多种型号(如NXCo6NXC16)交流接触器的自动装配。基金项目基于物联网与能效管理的用户端电器设备数字化车间的研制与应用参考文献1董玫.机械自动化技术的应用与发展前景的探索J.机械设计与创造工程，2022(2)：81-83.2易开刚，孙漪.民营创造企业“低端锁定”突破机理与路径基于智能创造视角J科技进步与对策，2022(6)：73-78.3蔡为民.智能创造助
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