继电器线圈漆包线与引出端微弧焊接工作站的研制(二)

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1     常见继电器线圈产品结构

继电器线圈由线圈骨架、左右引出端和漆包线构成,漆包线始端和末端缠绕于左右引出端上方,通过微弧焊接形成左右焊点,完成漆包线与引出端的电气连接。产品结构示意图如图1所示,焊接样品实物图如图2所示。

                                                            

                                      图1 产品结构示意图

 

 

 

                                                                 

                                     图2       焊接样品实物图

 

2     微弧焊焊接工艺设计

脉冲微弧焊是一种非接触式焊接工艺。首先,要求漆包线以均匀的方式和合适的张力缠绕在引出端上,然后通过微弧焊焊接电源在引出端和电极之间形成电弧,高温电弧熔化引出端头部并将漆包线漆皮汽化,最后形成熔球将引出端和漆包线包裹住,形成电气连接。微弧焊接工艺示意图如图3所示。

                    

 

 

                             图3       微弧焊接工艺示示意图

 

脉冲微弧焊焊接机整体构成如图4所示。微弧焊焊接电源用于提供焊接所需能量;焊炬和夹具用于连接微弧焊接电源的正负极与线圈引出端;氩气瓶提供氩气,氩气保护有利于电弧形成和避免工件氧化;微弧焊焊接监测仪和PC用于焊接过程数据监控与采集。

                                                    

 

                                 图4       脉冲微弧焊焊接机示意图

 

3     微弧焊接工作站设计

3.1微弧焊接工作站整机布局

       微弧焊接工作站的主要工艺流程为:线圈人工上料引出端微弧焊接熔球外观检测电阻检测线圈下料。根据设备的主要工艺流程和工厂空间布局规划,设计工作站整机布局如图5所示。整机划分为8个工位,每个工位装有1套焊接工装,焊接工装在分度转盘带动下顺时针流转,依次完成每道工序。

5       微弧焊接工作站整机布局

 

3.2焊接工装

客户要求设备通过更换工装夹具更换兼容三款产品生产要求,不同型号产品焊接工装更换要求拆卸、安装方便,定位精准。因此,焊接工装设计为模块的形式,焊接工装由治具底板、外形定位块、定位芯轴组成,焊接工装装配图如图6所示。更换产品时,只需整体替换对应产品的焊接工装,无需更换局部零件。

6       焊接工装装配图

      

定位芯轴采用开口弹压式的特殊设计来同时定位和夹紧线圈,产品推入外形定位孔后,同时完成定位和固定。定位芯轴采用65Mn弹簧钢材料,开口处预先加工一字槽,然后在开口处塞入塞片调整开口行程,最后经过热处理稳定开口尺寸和开口弹力。定位芯轴结构图如图7所示。

 

7       定位芯轴细节图

 

3.3XYZ三轴焊炬移栽部件

每个治具上有4个线圈,相当于有8个焊点,故焊炬需要进行横移移动。考虑到设备需要兼容多款产品,产品的焊点间距和高度都不一致,故本次设计需采用X-Y-Z三轴伺服移载平台进行焊炬位置移动,焊点位置可以直接通过触摸屏进行调整。部件结构如图8所示

通常情况下,继电器采用的漆包线的绝缘盖由聚氨酯(UEW)制成,耐热温度大约为130°C,我们希望在焊接过程中将漆包线绝缘层完全燃烧清除,所以需要在焊点周围增加侧吹气管,这样有助于绝缘层的完全燃烧。经过实际测试,只需要非常微弱的测吹空气,侧吹空气过大,可能会将熔球吹歪或者将电弧吹灭,效果反而不好。最终设计采用日本CKD带刻度盘针阀进行测吹空气流量控制,采用刻度盘形式方便实现流量的量化和后续生产管控。

 

8       XYZ三轴焊炬移栽部件

 

3.4接地点连接部件

微弧焊时要求线圈引出端的接地点与微弧焊焊接电源接地极(正极)保证可靠的连接,常见的微弧焊线圈接地点设计如图9所示。

 

 

9       常见微弧焊线圈接地点

 

为了保证线圈引出端接地点的可靠连接,引出端接地点上方设计了上盖板作为支撑,下方采用大电流探针与接地点在一定压力下进行电气连接,大电流探针经由铜板统一连接到至弧焊焊接电源接地极。

上盖板和大电流探针的上下动作有动作顺序要求:闭合过程中,上盖板需要先接触到接地点后大电流探针往上顶住接地点;打开过程中,大电流探针需要先脱离接地点之后上盖板才能脱离接地点。不然可能会导致线圈接地点被顶歪斜。为此,所以设计了一套平面凸轮联动机构来保证此动作顺序不会出错。

另外,为了给上盖板上方的焊炬移动提供空间,上盖板采用转动的方式代替常规的上下运动方式,使得整体结构更为紧凑。接地点连接部件立体图和动作示意图如图1011所示。

 

10     接地点连接部件立体图

 

11     接地点连接部件动作示意图

 

4     微弧焊焊接电源选用

微弧焊焊接电源选用AMADA MAWA-050A逆变式焊接电源[2],该电源最大输出电流为50A,最高控制频率为45kHz,控制精度高,具有较强的焊接编程和控制功能,人机界面友好,可以满足本项目需要。

其次,这款焊接电源还搭载了脉冲调制功能, 脉冲调制功能有如下优点:

①可以把气体驱逐出溶融部,防止了溶融部位的黑洞以及皱纹现象,使焊后熔球表面光滑。    

②对焊接处以及周围的热影响减少,通过脉冲变调功能及二段通电功能有效防止了溶融部的温度过高以及急剧冷却。 

③可以降低熔球的位置偏移。

11     有脉冲调制和无脉冲调制波形区别

 

12     有脉冲调制和无脉冲调制焊接气孔对比

 

5     脉冲TIG焊接监测仪选用

脉冲TIG焊接监测仪选用AMADA MM-140A焊接监测仪[3],该仪器可以对焊接电流、电压、通电时间、气体流量等参数进行实时在线监测,可对焊接缺陷、电极磨损过大等进行监控,具备以太网(TCP/IP)接口,可进行·双方向和单方向通信,方便数据传输与存储,管理建立可追溯体系。

在本项目的实际使用过程中,我们主要通过AMADAMM-140A焊接监测仪对焊接过程的焊接电流、电压、调制频率、焊接时间和保护气体流量进行监控。为了实现对产品的焊接参数的监控,我们先对产品进行模拟验证,找出产品性能最佳状态时的焊接参数,然后在焊接监测仪上面设定焊接参数的上下限。在焊接过程中,焊接监测仪对焊接过程进行实时的监测,当焊接参数超出我们预设的上下限时,监测仪将输出一组焊接NG信号给焊接电源和设备控制系统(PLC),焊接电源接收到焊接NG信号后随即停止放电,设备控制系统收到焊接NG信号后将立即报警并记录焊接异常数据(焊接NG产品的实际焊接参数)。AMADA MM-140A焊接监测仪如图13所示。

 

13      AMADA MM-140A焊接监测仪

 

6     焊接设备控制系统

由于微弧焊焊接的工艺和参数复杂,为了保证焊接的稳定性,系统采用上位机和PLC相结合的方式实现对焊接设备的控制和焊接工艺及焊接数据的管理[4]。上位机、PLC、焊接监测仪和焊接电源都采用EtherNet/IP通讯。

上位机数据库管理焊机的焊接参数,电极寿命同时负责读取焊接过程中焊接监测仪发回的实时焊接数据。数据库采用ORACLE数据库格式。包含焊接参数设置管理模块、焊接数据存储、查询模块以及电极管理模块。

上位机管理数据库中的焊接参数模块将对应产品的焊接参数通过通讯发送到焊接电源中。每个产品对应有两组参数,在焊接过程中每个焊点对应的参数序号也由上位机发给PLC。在焊接过程中,PLC通过输出点和焊接电源I/O口中的SCH1-SCH8互联。需要调用哪个程序,只需要按照8421码对应输出PLC的输出端口,焊接电源将调用相应程序完成焊接。

焊接过程中焊接监测仪和上位机采用的是主动式通讯,每焊接完一个焊点,焊接监测仪会自动将焊接数据以ASCII码字符串的形式通过通讯发送给上位机。上位机数据库的焊接数据管理模块在焊接过程中一直以侦听的形式等待数据。接收到焊接监测仪器数据后数据库管理模块会自动按通讯协议进行解码,并把焊接数据保存在ORACLE数据库中。

焊接数据库中的电极管理模块允许用户增加和删除电极数据。当焊机在使用过程中,模块会自动记录对应电极的使用次数同时对电级寿命进行管理。当电极的使用次数接近使用寿命时系统会在界面上进行报警,提示用户更换电极。

 

9     结论

根据客户和人机交互要求设计完成设备整机3D图(如图14所示),并根据图纸制作样机,设备运行情况良好,经过产品批量生产验证,产品合格率达到100%,且每只产品均有各个焊点的参数数据记录,实现产品焊接质量可追溯。

 

14      微弧焊焊接工作站3D

 

参考文献:

[1] 王九龙,倪瑞毅,黄健平. 车用电子器件漆包线与引出端子焊接的几种方法 [J] 汽车电器82019):86-90

[2] 微弧焊焊接电源MAWA-050A使用说明书[Z]  天田米亚基焊接设备(上海)有限公司,2019

[3] 微弧焊焊接监测仪MM-140A操作说明书[Z]  天田米亚基焊接设备(上海)有限公司,2019

[4] 许振瑞,王九龙,倪瑞毅,黄健平. 基于物联网和云存储的电阻焊自动生产线数据采集与分析 [J] 焊接技术,2020495):85-87

[5]倪瑞毅,王九龙,许振瑞,.一种电弧焊装置:CN202320141725.7[P].CN219211933U[2023-

11-18].

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