摘 要：针对电容器盖板预压工序存在自动化程度低、劳动强度大等不足，设计了电容器盖板自动预压机及其控制系统.对电容器盖板自动预压机的机械系统进行了详细设计，包括铝壳放置转盘组件、电容器定位组件、盖板预压组件、电容器推出组件、电容器接收组件等；采用可编程序逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)作为控制系统的主控制器，实现多种规格电容器盖板的自动预压；依据电容器高度的不同，通过图形操作终端(graphic operating terminal, GOT)设置和调整生产参数.该设备已投入实际生产使用，运行结果表明：整机性能稳定，实际运行状况良好，满足了生产线高柔性化、高效率、高质量的自动化加工要求.
关键词：电容器; 盖板; 预压机; 控制系统
铝电解电容器具有单位体积电容量大、额定容量大、工作电场强度高、价格相对其他种类电容器低等特点[1-4]，已广泛应用于军事和航空航天领域，以及以汽车、家电等为代表的民用行业[5-6].
铝电解电容器的制造工艺主要包括电极箔和电解纸的钉接卷绕、电解液浸渍、引脚刺孔、盖板铆接、铝壳灌胶、芯包入壳、盖板预压、铝壳封口、高温老化等工序[7-8].近年来，我国自主研发的铝电解电容器生产设备的性能不断提高，生产效率得到大幅提升，但是还存在加工精度低、可靠性差、设备易磨损等问题[9-10].目前，我国铝电解电容器生产流程主要为模块化生产，大部分设备间还未实现联机自动生产，需要大量的工人参与.
在完成电容器芯包引脚刺孔、盖板铆接、铝壳灌胶工序后，需将刺孔后的芯包和铆接后的盖板放入灌胶后的铝壳中，形成电容器半成品，通过预压机对盖板进行预压.目前，国内铝电解电容器的生产企业在电容器盖板预压过程中，主要采用的是手工或半自动化方式，受人为因素影响，导致盖板预压质量不稳定，生产效率低；同时，不同规格的电容器，其高度不同，需手工调节盖板预压机构的高度，费事费力，自动化程度低.
为提高盖板预压工序的自动化程度和生产效率，按电容器盖板预压工艺要求，设计了电容器盖板自动预压机及其控制系统，以提高盖板预压生产效率和质量.
1 盖板预压机工艺要求及功能分析
1.1 盖板预压机工艺要求
电容器盖板预压的工艺要求为：盖板预压压力连续可调，无过压或压不牢靠现象，预压性能一致、无波动；盖板预压时不能出现盖板开裂及端子部位机械损伤；预压出现异常的概率≤0.2%；预压良品率高于99.95%.
1.2 盖板自动预压机功能分析
设计的电容器盖板自动预压机主要实现的功能如下：
1) 实现多规格盖板的自动预压.设计的电容器盖板自动预压机能够根据电容器高度的不同，自动调节盖板预压组件的高度，实现多规格盖板的自动预压.
2) 参数设定.能够根据电容器高度的不同，实现电容器高度参数的设定.
3) 实现2种工作模式.包括手动工作模式和自动工作模式：手动工作模式用于预压机的检测、调试及各子控单元的运动；自动工作模式用于实际生产过程，实现预压机控制系统中各运动部件的协同运动.
4) 故障检测及报警.盖板预压机的控制系统能够自动检测各传感器是否出现故障；能够检测各执行元件动作后是否回归到位；能够实时显示与监测系统运行状态，当系统出现异常时，系统能够自动报警并停机，同时在触摸屏上显示相应的报警提示.
2 预压机技术方案及关键部件设计
2.1 整体方案设计
电容器盖板自动预压机由机械系统、传感检测系统、气动系统、PLC控制系统及图形操作终端等构成，其中，机械系统包括设备机体、铝壳放置转盘组件、电容器定位组件、盖板预压组件、电容器推出组件和电容器接收组件等.设备整体结构如图1所示.
图1 电容器盖板自动预压机示意图
Fig.1 Schematic diagram of automatic preloading machine for capacitor cover plate
图1中，铝壳放置转盘组件由转盘、减速电机、带轮、齿形带等组成，能够将灌胶后杂乱无序的铝壳逐个推送至电容器盖板预压位置；电容器定位组件由2个定位板、正反螺纹丝杠、螺帽、旋钮等组成，能够同时扩大或同时缩小以实现对电容器的准确定位；电容器推出组件由推出气缸、气动滑台、推杆等组成，用于将预压完成的电容器推送至电容器接收组件中.
盖板预压机的工作过程如下：确定当前需要预压的电容器盖板型号，更换电容器盖板预压模具；调节电容器定位组件的位置，使其实现对电容器的准确定位；在图形操作终端“自动预压”界面中，输入当前电容器高度，按下“确定”键，盖板预压组件自动移动至当前电容器盖板预压位置.
完成灌胶后的铝壳通过气缸推送至铝壳放置转盘组件上，在转盘出口处放入刺孔后的芯包和铆接后的盖板，形成电容器半成品，并通过铝壳放置转盘组件将半成品电容器一个一个推送至预压位置，通过电容器定位组件实现对电容器准确定位；当盖板预压位置的接近传感器检测到电容器到达预压位置时，盖板预压组件中的预压气缸驱动预压模具对电容器盖板进行预压；预压完成后，通过电容器推出组件将预压完成的电容器推送至电容器接收组件中.以此类推，实现对下一个半成品电容器预压，并推送至电容器接收组件中.
2.2 盖板预压组件设计
盖板预压组件能够根据电容器高度的不同，自动调节预压气缸和预压模具的位置，并实现对盖板的自动预压.在盖板预压过程中，气缸输出力很大，如果力直接作用在丝杠上，会降低丝杠的使用寿命；同时，气缸向下出力时，极有可能会驱动丝杠向上运动，造成电机被迫反转，损坏电机的性能.为此，设计了一种梯形丝杠+双导轨机构，如图2所示，气缸向下出力时，梯形丝杠能够实现自锁，并且双导轨的滑块会承担大部分的推力，有效减小丝杠的受力.
图2 盖板预压组件
Fig.2 Cover plate preloading component
图2中，联轴器用于连接步进电机与梯形丝杠；连接板用于连接滑块、丝杠螺帽和气缸安装板；预压模具与预压气缸活塞杆相连；选用梯形丝杠实现自锁，有效地防止气缸向下出力时驱动预压气缸与预压模具向上运动；双导轨选用的是超重载直线导轨，每个滑块能够承受的容许力矩为356 N·m，大于气缸向下出力时产生的力矩300 N·m.
2.2.1 梯形丝杠校核计算
梯形丝杠运行工况条件：丝杠承受的轴向负载为250 N，丝杠轴转速为300 r/min，丝杠螺距为5 mm，丝杠轴径为25 mm，丝杠螺帽材料为黄铜.
1) 接触面压力p为：
×α
(1)
式中：p为接触面压力，N/mm2；FS为轴向负载，N；FO为动态容许推力，即作用于丝杠和螺帽的接触面压力为9.8 N/mm2时的推力，丝杠轴径为25 mm时，其值为14 220 N；α=9.8.
将上述数据代入式(1)，可得：
×9.8=0.172 N/mm2
(2)
2) 滑动速度v为：
×10-3
(3)
式中：v为丝杠滑动速度，m/min；d2为丝杠轴有效直径，其值为22.5 mm；n为丝杠轴转速，r/min；d为丝杠轴螺纹升角，当丝杠轴径为25 mm时，其值为4°03′.
将上述数据代入式(3)，可得：
×10-3=21.25 m/min
(4)
3) 丝杠传动效率η为：
η
.25
(5)
式中：μ为动摩擦系数，当丝杠轴为钢(润滑)时，其为0.21.
根据计算出的p和v的值，查看梯形丝杠校核pv值曲线图，当p=0.172 N/mm、v=21.25 m/min时，它们在pv值曲线图内侧构成交点，因此可判断所选梯形丝杠在运行过程中不会发生异常磨损.
2.2.2 步进电机选型校核
驱动机构的运行条件如表1所示.
表1 驱动机构的运行条件
Table 1 Operating conditions of the driving mechanism
1) 计算惯性J0：
J0=
·(
)2= 1.601×10-4 kg·m-2
(6)
式中：D为丝杠直径，m；ρ为丝杠材料密度，kg·m-3；L为丝杠长度，m；M为工作物质量，kg；PB为丝杠螺距，m.
2) 计算转矩T0.
负载为：
α
(7)
预负载为：
(8)
则：
.193 N·m
(9)
式中：Fa为外力，N；α为倾斜角度，(°)；μ为摩擦系数；η为丝杠传动效率；μ0为丝杠内部摩擦系数.
所选步进电机为东方马达内藏定位带电磁制动的AR系列电机，其型号为AR98MC-1，保持转矩为3.6 N·m，满足使用要求.
2.2.3 实验分析
为验证所设计的盖板预压组件能够满足生产实际要求，对设计、组装完成的盖板预压组件进行了调试运行，运行结果显示：梯形丝杠能够平稳、可靠地运行，运行速度为25 mm/s，运行过程中无波动，最大跳动公差为0.18 mm；步进电机驱动梯形丝杠运行的定位误差为±0.08 mm；盖板预压时，梯形丝杠能够实现自锁；满足多规格盖板预压要求，提高了盖板预压工序的生产效率.
3 气压系统设计
盖板自动预压机气压系统原理图如图3所示.
其工作原理如下：气源由空气压缩机提供，压缩空气经过气动三联件(空气过滤器、减压阀、油雾器)净化之后，达到所要求的空气质量.净化后的空气分为3路，一路经减压阀减压后输送至二位五通电磁阀，并使空气压力稳定在0.5 MPa左右，通过PLC程序控制电磁阀的切换，从而控制预压气缸的上升与下降，达到对盖板自动预压的目的；另外两路分别经电磁阀通向推出气缸和气动滑台，通过PLC程序控制电磁阀的切换，控制推出气缸的左右移动和气动滑台的前后移动，实现将电容器自动推出的功能.
图3 盖板自动预压机气压系统原理图
Fig.3 Principle diagram of pneumatic system of automatic preloading machine for cover plate
4 控制系统硬件设计
盖板自动预压机控制系统由PLC及输入输出模块、图形操作终端、步进驱动系统、接近传感器、磁性开关、电磁阀、交流减速机、启停按钮、报警器(三色灯)等元器件组成，其硬件接线图如图4所示.
图4 盖板自动预压机控制系统硬件连接图
Fig.4 Hardware connection diagram for control system of automatic preloading machine for cover plate
4.1 PLC选型
PLC是以CPU为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种通用工业自动控制装置，具有抗干扰能力强、运行可靠、对生产工艺改变适应性强等诸多优点[11-14].PLC 的输入类型可以是直流、交流或交直流，使用最多的是直流信号输入的PLC；输出接口电路通常有3种类型：继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出[15-16].考虑到系统的控制需要，选取了三菱FX2N-32MT-D型PLC，该型PLC采用了直流24 V输入电压，晶体管输出，16位输入，16位输出，自带高速通讯接口RS232，便于上位机、PLC 及触摸屏之间的通讯及调试.
4.2 传感检测系统设计
传感检测系统主要由接近传感器、磁性接近传感器及磁性开关组成.接近传感器安装在电容器定位组件上，当电容器到达预压位置时，接近传感器将检测到的信号传输给控制系统，控制系统控制预压气缸对电容器盖板进行预压.磁性接近传感器安装在防护罩门上，用于检测防护罩门是否及时关闭.磁性开关安装在气缸上，用于检测气缸活塞杆是否到达行程位置或回到原位.
5 控制系统软件设计
5.1 PLC程序设计
PLC的程序设计采用GX-Works2，GX-Works2经PC机编写的程序可通过RS232接口直接写入PLC中.PLC工作的控制程序流程如图5所示.
图5 控制系统PLC程序流程
Fig.5 PLC program flow of control system
5.2 图形操作终端操作画面设计
图形操作终端(graphic operating terminal, GOT)，用于用户与控制系统之间的信息传递，可以根据生产要求在界面上设置和修改参数[17-19].设备使用的图形操作终端采用日本三菱公司生产的GS2107-WTBD，通过RS232接口与外界设备进行数据通信，编写的画面程序通过RS232接口与电脑完成数据传输，图形操作终端程序如图6所示.
图6 图形操作终端操作界面
Fig.6 Operation interface of GOT
第1层显示界面：图形操作终端通电后，经过2 s左右进入“启动界面”.
第2层显示界面：在“启动界面”上，设计了3个触摸键，分别为“设备概要”键、“设备调试”键、“自动预压”键，如图7(a)所示.
第3层显示界面：进入“设备调试”界面后，可以根据要求进入各个界面点动调试相应的部件，分别为“步进电机调试”界面、“预压气缸调试”界面、“气动滑台调试”界面、“防护罩门检测”界面、“推出气缸调试”界面、“三色灯调试”界面，如图7(b)所示.
进入“自动预压”界面后，可对电容器高度参数进行设置，同时可以监测设备的运行状况是否正常，如图7(c)所示.
图7 盖板自动预压机界面设计
Fig.7 Interface design of automatic preloading machine for cover plate
6 结 论
根据电容器盖板预压工艺要求，设计了电容器盖板自动预压机及其控制系统，该设备具有性能稳定、自动化程度高、参数修改方便等特点.该设备已在电容器生产企业使用，运行周期为6 s，有效提高了电容器盖板预压的生产效率；设备具有检测电容器是否到达预压位置的功能，避免了因无电容器盖板造成空预压；预压良品率高于99.95%，盖板预压压力连续可调，无过压或压不牢靠现象；控制系统能够无故障连续运行，保障了产品质量和运行效率，为企业创造了一定的社会和经济效益.
