小型断路器全制程自动化装配线设计

来源：核心期刊咨询网时间：2020-01-15 10:3612

摘要：摘 要： 为小型断路器设计一套全制程自动化装配线。基于小型断路器物理结构与工作原理，提出自动化装配线总体结构。结合各制程特点，采用直线型布局，将装配线划分为11个单元，并对各单元进行深入设计。采用产品位置3D扫描检测、开距CCD视觉检测、超程自动化

　　摘 要： 为小型断路器设计一套全制程自动化装配线。基于小型断路器物理结构与工作原理，提出自动化装配线总体结构。结合各制程特点，采用直线型布局，将装配线划分为11个单元，并对各单元进行深入设计。采用产品位置3D扫描检测、开距CCD视觉检测、超程自动化检测、脱扣力自动化检测等技术，提高检測效率与准确度;引入制造企业生产过程执行管理系统(MES)，对装配线进行实时监控与动态调整，实现生产协作化、管理可视化、质量跟踪全程化。对自动化装配线的运营成本和回收周期进行计算，表明人工成本相比手工装配线降低约79.4%，投资成本回收周期约为2.86年。

　　关键词： 小型断路器;自动化装配线;3D扫描检测;超程自动化检测;制造企业生产过程执行管理系统(MES)
 

　　《自动化与信息工程》曾用名《广东自动化与信息工程》、《广州自动化》，经国家新闻出版署批准，创刊于1980年，双月刊。本刊由广东省科学院主管，广东省自动化研究所、广州市自动化学会共同主办，广州市仪器仪表学会、广东省计算机学会协办。

　　引言

　　当前，自动化装配技术快速发展，极大推动了我国工业制造自动化、智能化的进程，有效提高了产品质量及生产效率，增强了制造企业的竞争力，取得了良好的社会效益和经济效益[1]。

　　在国外，自动化装配技术得到了广泛应用[2]。例如飞机制造业通过装配仿真和虚拟现实等制造技术，实现了装配过程优化;将柔性模块化的工装技术、加工和检测单元集成为一整套自动化装配系统，实现了机体结构的自动化装配[3]。

　　在国内，智能制造是工业制造企业的关注焦点。易开刚等[4]提出了民营企业实施智能制造策略的路径。蔡为民[5]以轮胎制造企业为例，研究了智能制造与企业运营绩效的关系，并从生产效率、节能减排、服务质量等方面进行了统计和分析，表明智能制造可助力制造企业提质增效。在汽车制造、电子制造等领域，基于智能制造的全自动化装配已经实现[6]。电器制造领域同样在产品检测、校验、包装等环节实现了自动化，但装配环节的自动化乃至智能化是各企业共同的难题。

　　小型断路器是一种重要的电器产品，不仅数量和品种多样化，而且尺寸相对较小，手工装配难度大、生产效率低、人力成本高、产品的可靠性及一致性不稳定。 本文提出一套适用于小型断路器并具有制造企业生产过程执行系统(MES)的全制程自动化装配线，帮助电器制造企业提高产品质量、缩短产品生产周期、降低生产成本[7-9]，引入智能化生产过程，实现生产制造标准化，减少人为不利因素，更好地应对日趋激烈的市场竞争。

　　1 小型断路器的物理结构与工作原理

　　1.1 物理结构

　　小型断路器被广泛用于低压配电系统和控制系统，在电力系统当中起到短路保护和过载保护的作用，同时可以起到电源开关的作用，是民用、工业用电必不可少的电器产品。小型断路器主要由手柄机构、操作机构、热脱扣系统、灭弧系统、电磁系统、外壳等组成，如图1所示。

　　1.2 工作原理

　　小型断路器依靠手动操作或电动驱动手柄机构合闸，使动、静触头闭合。动、静触头闭合后，操作机构将动触头锁在合闸位置上。电磁系统的线圈和热脱扣系统的热元件与电路串联。

　　当电路发生短路或严重过载时，流经电磁系统线圈的电流会急剧增大，同时线圈产生的电磁吸力也会瞬间增大，使线圈中的铁芯撞击操作机构，操作机构动作，动、静触头断开。动、静触头在断开时会产生电弧，灭弧系统将电弧冷却，并分割成许多短弧，最终达到灭弧的作用。

　　当电路过载时，热脱扣系统的热元件发热，利用双金属随着温度升高而定向按规律弯曲的原理，使双金属片上弯曲，推动操作机构动作，动、静触头断开[10]。

　　2 自动化装配线结构设计

　　2.1 总体结构

　　小型断路器自动化装配线总体结构如图2所示。装配线采用直线型布局，根据各制程特点，划分为11个单元——操作机构与热系统组装单元、调节螺钉与磁系统组装单元、手柄机构组装与检测合盖单元、多级拼装与喷码单元、自动穿钉与铆合单元、自动移印单元、自动延时校验单元、自动成品参数检测单元、自动止动件组装单元、自动贴塞子单元、自动包装单元。传送带和链板线将各个单元连接起来，整线兼顾生产1、2、3极产品。采用CCD(Charge-Coupled Device)视觉检测系统、光电传感器等，实现零部件错漏装检测、产品外观检测，确保过程质量受控。同时采用AGV(Automated Guided Vehicle，小车自动配送)等方式，实现MES与车间物流系统无缝对接。

　　2.2 各单元设计

　　2.2.1 操作机构与热系统组装单元

　　操作机构与热系统组装单元主体采用38工位环形线，一次生产2个产品，主要功能是：1)对底壳、操作机构组件与热脱扣系统进行组装;2)实现编织线整理及缓存功能;3)通过CCD视觉检测系统对零件装配进行检测，并将装配不良品排出。

　　该单元的创新在于采用环行线自动化装配技术，配合自主设计的底座装配装置与多自由度机器人，结合产品结构进行自下而上叠加式设计，实现平面多自由度精准装配。

　　2.2.2 调节螺钉与磁系统组装单元

　　调节螺钉与磁系统组装单元主体采用一个30工位环形线与一个8工位分割器，主要功能是：1)将磁系统、灭弧系统与螺丝螺母组件进行组装;2)通过CCD视觉检测系统对零件装配进行检测，并将装配不良品排出。

　　2.2.3 手柄机构组装与检测合盖单元

　　手柄机构组装与检测合盖单元主体采用38工位环形线，主要功能是：1)对手柄扭簧、手柄、白色杠杆、大U杆、小U杆、上盖进行装配;2)实现产品开距、超程、脱扣力的检测功能;3)在合盖前，通过3D扫描检测系统对产品所装配的零件位置进行检测，并将装配不良品排出。

　　该单元的创新在于采用了产品位置3D扫描检测、开距CCD视觉检测、超程自动化检测、脱扣力自动化检测。

　　(1)3D扫描检测系统检测产品位置

　　3D扫描检测系统通过3D线扫描相机对灭弧系统、接线座、磁系统、调节螺钉、锁扣模块、手柄的高度进行位移扫描，得到零件的高度信息，并与输入信息进行比对，从而对零件装配是否合格加以判断。例如，3D扫描检测磁系统装配示意图如图3所示，其以产品内部底面为基准面，测量磁系统最高部位区域的高度。为了排除像素干扰，取磁系统高度平均值进行判断。

　　(2)CCD系统检测产品开距

　　开距为断路器断开状态下，动、静触头之间的距离。CCD系统在检测产品零部件是否漏装、破损时，同步检测产品开距参数。

　　CCD系统首先抓取产品外轮廓进行匹配，以匹配结果的原点建立坐标系，进行初定位，其次选取动触头与静触头上两条直线，测量其间的开距，如图4所示。测量得到的开距大约为94.6像素，通过像素距离换算系数0.06可计算得到该次检测开距为5.676 mm。根据要求，开距大于等于5 mm的为良品，小于5 mm的为不良品。该开距大于5 mm，产品为良品。

　　(3)超程自动化检测

　　传统的超程检测模式采用开盖抽检，通过游标卡尺分别测量静触头抽出时与未抽出时产品闭合动触头距底壳同一位置的距离，将测量的数据相减得到超程数据。整个检测过程复杂、效率低且精度差。

　　超程自动化检测示意图如图5所示。检测过程为：首先，将待测断路器手柄调至断开状态，并将该断路器的接线端子与接头相连通电;其次，伺服电机通过工件a驱动小型断路器的手柄由断开向闭合方向转动，并同步检测扭力值，至该断路器的动、静触头导通，静触头导通时记录伺服电机的旋转角度值(动、静触头导通时的旋转角度值即为断路器的超程原点);再次，继续转动该断路器手柄，直至手柄闭合，记录扭力峰值时伺服电机的旋转角度值;最后，通过超程换算公式计算得到断路器的超程值。

　　其中，l为超程;k为换算系数，本文取0.15;α为断路器导通时伺服电机旋转的角度;β为断路器手柄处于扭力峰值时伺服电机旋转的角度;r为伺服电机驱动手柄的力臂长度。

　　手柄闭合过程的扭力曲线如图6所示。0.4 s时，断路器导通，输出伺服电机的旋转角度值;1.0 s时，扭力到达峰值，输出伺服电机的旋转角度值;0.4～1.0 s之间为超程区。

　　(4)脱扣力自动化检测

　　传统脱扣力检测模式采用开盖抽检，通过测力计顶升小U杆使断路器脱扣，从而得到脱扣过程中的压力峰值，如图7所示。

　　脱扣力自动化检测采用伺服电机，通过探针驱动杠杆使断路器脱扣。探针连接压力传感器，从而测量脱扣过程中的压力峰值，如图8所示。

　　2.2.4 多级拼装与喷码单元

　　多级拼装与喷码单元由缓存、多级拼装、喷码三大部分组成，主要功能是：1)对产品进行拼装和喷码;2)实现各物料装入载具时的检测;3)通过CCD视觉检测系统对条形码进行识别和读取。

　　2.2.5 自动穿钉与铆合单元

　　自动穿钉与铆合单元由穿钉、铆合两大部分组成，主要功能是：1)完成产品的穿钉与铆合;2)通过CCD视觉检测系统对铆钉进行检测，并将铆合不良品排出。

　　该单元的创新在于：配置旋转式转盘多工位自动穿钉机构，兼容1～4极不同长度的铆钉，通过快速分料完成铆钉分离，实现单/多极产品铆钉的自动装配，如图9所示。

　　2.2.6 自动移印单元

　　自动移印单元由侧面二维码移印、清洗房、正面移印三大部分组成，主要功能是：1)将侧面二维码与正面标識分别移印到产品上;2)通过CCD视觉检测系统对移印进行检测，并将移印不良品排出。

　　2.2.7 自动延时校验单元

　　自动延时校验单元的主要功能是：1)检测产品的延时动作特性;2)设有长延时不良二次校验功能;3)对不合格品进行分类(滑扣、不通电、短秒为一类，长秒为一类，其他为一类)。

　　该单元的创新在于：读码对照检测结果与数据管理，对不良品进行隔离、冷却与复校。

　　2.2.8 自动成品参数检测单元

　　自动成品参数检测单元有瞬时、耐压、机械操作三大功能检测模块，主要功能是：1)对产品进行扫码，并实现产品的瞬时、耐压、机械操作参数的一体式自动化检测;2)对不合格品进行分类(瞬时不良为一类，耐压不良为一类，机械操作与扫码不良为一类)。

　　该单元的创新在于：实现单/多极产品瞬时、耐压、机械操作的一体化检测，并针对各种参数检测的结果，通过对比分析，对其不良特性进行分类识别与判定。

　　2.2.9 自动止动件组装单元

　　自动止动件组装单元主要功能是：1)将止动件装配到产品上;2)对止动件装配进行检测，并将装配不良品排出。

　　2.2.10 自动贴塞子单元

　　自动贴塞子单元主要功能是：1)贴塞子和冲塞子两大功能;2)采用CCD视觉检测系统对产品的六个面进行外观全检，确保流入自动包装单元的产品外观合格。

　　该单元的创新在于：采用料带的方式，快速传送塞子来料，实现自动分离、粘贴塞子。

　　2.2.11 自动包装单元

　　自动包装单元主要由包装机构和码垛机器人组成。自动包装单元的主要功能是：1)完成产品套袋、封装、装盒、装箱、贴标、码垛等包装工序;2)通过CCD视觉检测系统检测贴标是否合格，并将不良品自动排出;3)最大对应三条不同型号的小型断路器生产线，并能混线包装。

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