（机械电子工程专业论文）薄膜电容载带式芯—线自动装配技术研究.pdf

硕士论文薄膜电容载带式芯一线自动装配技术研究 摘要 随着我国电子工业的快速发展，薄膜电容器的使用越来越广泛，市场需求巨大。 但目前国内薄膜电容组装过程中自动化程度低，生产效率低，生产质量得不到保证， 国内的电容器市场大量依赖进口。国外薄膜电容组装设备自动化程度较高，但技术 上严格保密，而且价格昂贵。为了打破国外这一垄断局面，研究和开发我国自己的 高效、低成本的全自动薄膜电容组装设备就具有重要的实际价值。 论文介绍了在这方面所做的研究工作，文中对涉及到的主要技术难点和若干关 键技术进行了深入的研究与探讨。完成的工作主要有：( 1 ) 首次提出了一种基于载 带的薄膜电容组装新工艺。在此基础上，研究了基于新工艺流程的薄膜电容载带式 自动组装设备的总体技术方案，该方案具有载带可重复利用、导线定位精度高、加 工设备结构简单等优点，能有效降低生产设备成本和加工成本；( 2 ) 研究解决了薄 膜电容载带式组装设备中的导线自动编带关键技术。设计了机一电气结合的导线 编带机构，研究提出了同一工位下实现载带冲孔、导线穿孔编带的技术方案，有效 避免了不同工位组装工作条件下对载带快速移动的高精度定位要求，使所设计的结 构简单、经济；( 3 ) 通过分析薄膜电容导线一芯子焊接工艺，深入研究了芯一线自 动焊接和导线编带的同步技术，设计了提高单位时间内导线一芯子焊接数量的机 构；( 4 ) 加工了薄膜电容载带式芯一线自动装配系统中的导线编带机构原型样机， 采用电气控制的方式以及阀岛技术，研究了导线编带系统的控制技术。对该原型 样机的实际运行表明，所研发的薄膜电容载带式芯一线自动装配系统具有结构紧 凑、操作简单、成本低以及可靠性高等特点。 论文所研究的基于载带的薄膜电容组装工艺以及导线一芯子自动装配技术可为 我国高速高质量电容器组装设备的研制提供有价值的参考。 关键词：薄膜电容，组装，载带，气动技术，p l c 硕士论文薄膜电容载带式芯一线自动装配技术研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c si n d u s t r y , t h eu s eo ff i l lc a p a c i t o ri sm o r e e x t e n s i v e ，a n dt h em a r k e td e m a n do ff i l mc a p a c i t o ri sh u g e b u td o m e s t i cf i l mc a p a c i t o r a s s e m b l yp r o c e s sh a sal o wd e g r e eo fa u t o m a t i o na n dp r o d u c t i v i t ya tp r e s e n t ，a l s ot h e q u a l i t yo ff i l lc a p a c i t o rc a l ln o tb em a d es u r e ，m o s to ft h ed o m e s t i cf i l mc a p a c i t o r m a r k e t sr e l yo ni m p o r t s t h ef o r e i g nf i l mc a p a c i t o ra s s e m b l ym a c h i n e ，w h i c hh a sa h i g h e rd e g r e eo fa u t o m a t i o n ，i ss t r i c t l yc o n f i d e n t i a li nt e c h n o l o g ya n dv e r ye x p e n s i v e i n o r d e rt ob r e a kt h em o n o p o l yo ft h ef o r e i g nf i l mc a p a c i t o ra s s e m b l ym a c h i n e ，i th a sar e a l v a l u et or e s e a r c ha n dd e v e l o po u ro w na u t o m a t i cf i l mc a p a c i t o ra s s e m b l ym a c h i n e w h i c h i se f f i c i e n ta n dl o w c o s t t h er e s e a r c hw o r ki nt h ea s p e c th a sb e e ni n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i nt h ew r i t i n gt h e m a j o rt e c h n i c a ld i f f i c u l t ya n ds o m ec r u c i a lt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n t s a r es u m m a r i e da sf o l l o w ：( 1 ) t h en e wf i l mc a p a c i t o ra s s e m b l yp r o c e s si si n t r o d u c e df o r t h ef i r s tt i m e ，w h i c hi sb a s e do nb e l t a n dt h eo v e r a l lt e c h n i c a lp r o g r a mo ft h ef i l m c a p a c i t o ra s s e m b l ym a c h i n ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h en e wa s s e m b l yp r o c e s s ，t h e p r o g r a mh a st h e s ea d v a n t a g e si n c l u d i n gt h er e u s eo fb e l t ，h i g hl o c a t i o np r e c i s i o no fl e a d w i r e ，s i m p l es t r u c t u r eo fa s s e m b l ym a c h i n ea n ds oo n ，w h i c hc a n l o w e rm a c h i n e c o s ta n d p r o c e s s i n g c o s te f f e c t i v e l y ( 2 ) t h e l e a dw i r ea u t o m a t i c t a p et e c h n o l o g yh a sb e e n r e s o l v e d ，w h i c hi st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h en e wf i l mc a p a c i t o ra s s e m b l yp r o c e s s a n d t h el e a dw i r et a p em e c h a n i s mi sd e s i g n e dw i t ht h ei n t e g r a t e dt e c h n i q u eo fm e c h a n i c s ， e l e c t r i c sa n dp n e u m a t i c s t h et e c h n i c a lp r o g r a mt or e a l i z ep u n c h i n go nb e l ta n dt h el e a d w i r et a p ei nt h es a m ew o r kp o s i t o nh a sb e e nr e s e a r c h e d ，w h i c hc a l la v o i d et h eh i g h l o c a t i o np r e c i s i o nd e m a n do ff a s t - m o v i n gb e l ti nd i f f e r e n tw o r kp o s i t o n se f f e c t i v e l y t h e s t r u c t u r ed e s i g n e di ss i m p l ea n de c o n o m y ( 3 ) t h es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yo fl e a d w i r e c o r es u b s a m p l e sw e l d i n ga n dl e a dw i r et a p ei sr e s e a r c h e db yt h ea n a l y s i so ft h el e a d w i r ew e l d i n gp r o c e s s ，a n da l s ot h em e c h a n i s mw h i c hc a ni m p r o v et h el e a dw i r ew e l d i n g q u a n t i t y i nu n i tt i m ei sd e s i g n e d ( 4 ) t h ep r o t o t y p eo fl e a dw i r et a p e ，u s i n gt h e e l e c t r o p n e u m a t i cc o n t r o lt e c h n i q u ea n dt h ev a l v et e r m i n a lt e c h n o l o g yt oe s t a b l i s ht h e c o n t r o ls y s t e m ，h a sb e e np r o c e s s e dt h ep r a c t i c a lo p e r a t i o no ft h ep r o t o t y p es h o w st h a t t h el e a dw i r et a p em a c h i n eh a st h ef e a t u r e so fc o m p a c t ，o p e r a t i n ge a s i l y , l o w - c o s t ，h i g h e r r e l i a b i l i t ya n d s oo n t h ef i l mc a p a c i t o ra s s e m b l yp r o c e s sb a s e do nb e l ta n dt h et e c h n o l o g yo fl e a d i a b s t r a c t 硕士论文 w i r e c o r es u b s a m p l e sa u t o m a t i ca s s e m b l yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e rc a nb er e f e r e n c e db y d o m e s t i cr e s e a r c ho nf i l m c a p a c i t o ra s s e m b l ym a c h i n ew h i c hi sh i 曲一s p e e d a n d l l i g h q u a l i t y k e y w o r d ：f i l mc a p a c i t o r , a s s e m b l y , b e l t ，p n e u m a t i c s ，p l c 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 呻年玛巧日 硕士论文 薄膜电容载带式芯一线自动装配技术研究 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 薄膜电容器作为一种性能优异的电容器，具有无极性，绝缘阻抗很高，频率特 性优异( 频率响应宽广) ，而且介质损失很小等主要特性。随着近年来i t 行业的飞速 发展，对薄膜电容器的需求量也就越来越大，而且体积也趋于小型化，又由于电容 器市场的竞争，使销售价格不断降低，带来加工成本下降的压力。 尽管中国电容器生产的规模庞大，然而高性能，尤其是耐高温、中高压、大电 容的电容器产品仍需要进口。在对产品安全敏感的应用中( 如变频器) ，整机厂商 还是相信进口的电容器产品。事实上，在中国的电子产品贸易，逆差最大的第三名 就是电容器。 传统的薄膜电容器加工自动化程度很低，很多工序都是靠人工完成，生产效率 低，电容器的质量也得不到保证。随着近几年电容器市场竞争加剧，原料成本、用 人成本的不断上升以及销售价格的不断降低，电容器行业的利润率急剧下降，这就 迫使企业必须不断地改进生产设备以提高生产效率及产品质量，降低成本。而中国 由于设备制造水平远落后于欧洲国家，大量的电容器及其组装设备都依赖进口。现 在主要的薄膜电容加工企业有德国西门子、日本松下等公司，这些公司的薄膜电容 生产设备多为自行研发的，向外出售的都是一些薄膜电容生产的专用装置，结构上 封闭且技术上高度保密，并且价格昂贵。目前大多数薄膜电容器生产设备是采用转 盘分度定位的加工技术，一般的加工速度是6 0 只分钟，一些大的国际研发公司的 设备可以达到1 0 0 只分钟。 因此，对薄膜电容器制造设备就提出了新的要求：即提高生产率、减少原材料 消耗以降低成本并提高产品质量，这就要求制造设备高速化和小型化。本课题通过 研究采用气动和机电结合的结构和控制技术，对薄膜电容器高速生产设备中一种全 新的载带式高效组装技术进行研究，提高单位时间内的电容器产品加工数量以及电 容器产品的质量，以弥补目前国内电容器生产设备制造技术参差不齐的不足，提升 我国电容器行业在国际上的竞争力，为我国高速高质量电容器制造设各的研制奠定 基础【l , 2 1 。 1 2 气动技术在薄膜电容组装设备中的应用 近1 0 年来，工业自动化技术经历了令人注目的飞跃性发展，突出表现在以下几 个方面：自动化设备的应用覆盖面越来越广，从原先只应用于简单、重复的工艺过 1 绪论硕士论文 程扩大到复杂的工艺过程；自动化机器在性能和功能上都有显著的提高，机器的节 拍时间更短，运动精度更高，同时能与计算机直接联接，从而更快和更准确地进行 生产管理；由于产品的多样化使柔性生产设备得到越来越广泛的应用，这类设备要 求能非常快捷地对之进行重新编程，以实现同一机器对不同种类或尺寸工件进行加 工，从而大幅度地降低设备投资并实现小批量产品的生产自动化；要求越来越短的 设备设计、制造、调试周期和设备停机维修时间。 气动技术是工业自动化的一种重要技术手段，是一种低成本自动化技术，被称 为是“廉价的自动化技术 。在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有 气动系统。据统计：有一半的自动化流程，2 2 2 9 的机器人装有气动系统，9 0 的 包装机械，7 0 的铸造、焊接设备，3 0 的采掘机械，2 0 的轻纺设备装有气动系 统和元器件。日、美、德等国的气动元件销售平均每年增长超过1 0 1 5 。许多工 业发达国家的气动元件产值已接近液压元件的产值。 在薄膜电容组装设备中使用气动技术具有以下优点： ( 1 ) 气动装置结构简单、轻便、安装维护简单，且在许多应用直线式执行元件 的场合，气动系统总是具有优势。设计制造薄膜电容组装设备时，特别是将几个独 立功能机构组装成薄膜电容生产线时，采用气动系统，可使整个机构大大简化，气 动执行元件和气动控制系统为薄膜电容全自动化组装打下了基础。 ( 2 ) 工作介质是空气，排气处理简单，不污染环境。在电子产品制造过程中， 气动装置作为一种清洁的动力源被应用于生产的各个环节。 ( 3 ) 输出力及工作速度的调节非常容易。气缸动作速度一般为5 0 - - 5 0 0 m m s ， 比液压和电气方式的动作速度快。在薄膜电容组装工艺中常需要多个动作协调，使 用气动元件，通过调节节流阀来调节各执行元件的运动速度，以达到要求。 ( 4 ) 可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为数百万次，而一些 厂家的一般电磁阀的寿命大于3 0 0 0 0 万次，小型阀超过1 亿次。 ( 5 ) 气动技术作为一种低成本自动化技术运用于薄膜电容组装设备，可以将许 多人工操作改为自动化操作，提高薄膜电容器的生产率，降低产品成本，提高产品 质量。 由于气动技术具有上述特性，因此在薄膜电容制造工业中得到越来越广泛的应 用。随着科学技术和电子信息产业的发展，薄膜电容组装设备大都朝着自动化方向 发展，由于气动技术是低成本自动化的最佳手段，并且具有非常广泛的工作适应性， 再加上微电子技术、现代控制理论与气动技术相互结合，使得气动技术已成为薄膜 电容组装设备中不可缺少的部分。 随着科技的发展和工业的需要，气动元件本身的性能也在不断提高，气动技术 正向高速化、高精度化、高输出力、高寿命方向发展，同时发展机电一体化、集成 2 硕士论文 薄膜电容载带式芯一线自动装配技术研究 化的元件和系统是今后气动技术发展的重要方向，这些都将使得气动技术在薄膜电 容组装设备中的应用更加深入，从而进一步提高我国薄膜电容的设计和制造f 3 一。 1 3 薄膜电容器及其组装设备国内外发展现状 1 3 1 全球薄膜电容器市场格局与发展动态 电子元件是信息产业的基础，在多种电子元件中，电容器又是使用面积最广、 用量最大的电子元件，其产量占电子元件总产量的5 0 以上，而陶瓷电容器、电解 电容器和薄膜电容器三大主要产品，其产量已经占到电容器总产量的9 0 以上。在 三大主导产品中，薄膜电容器在向有引线微型电容器、无引线片式电容器、集成电 容器、纳米电容器、光子电容器等高科技新产品的发展进程中，又是技术难度最大、 科技含量及附加值较高的一类产品。 据有关资料统计及专家分析，全球近年来有机薄膜电容器年产量约6 0 0 亿只， 其中微型薄膜电容器总产量约3 0 0 亿只，占5 0 ，引脚式有机薄膜电容器总产量约 6 0 亿只，占1 0 。薄膜电容器的主要国家和地区是日本、美国、欧洲各国、中国大 陆、韩国、台湾、新加坡、香港等，生产该类产品的国家和地区大约有5 0 多个。 目前引线式新型薄膜电容器发展势头强劲，如高比能储能电容器、抗电磁干扰 电容器、抗辐射电容器、安规电容器、安全膜电容器、宽温电容器、长寿命电容器、 高可靠电容器等。新型薄膜材料也在不断涌现，如p c 膜、p e e k 膜、p t f e 膜、双 面金属化膜、双面粗化膜、金属化边缘加厚膜、结构各异的安全膜、超薄膜等。 薄膜电容器及其关键原材料的制造设备也在不断创新。如日本松下公司，生产 引线式电容器的多轴卷绕机，生产叠片式电容器的宽幅平面卷绕机，均可大大提高 生产效率。而其涂覆制膜设备更具特色，可在双面金属化的p p s 薄膜上涂覆一层小 于0 5 u m 的p p o 薄膜，从而制造出体积极小、容量极高的片式薄膜电容器。欧洲一 些国家，具有双向拉伸技术的制膜设备，能够制造出厚度l u m 左右的超薄膜。 随着世贸组织成员国的扩充，全球市场一体化的趋势日益显著。薄膜电容器公 司弱肉强食、强强联合、跨国经营的现象不断发生，竞争形式非常严峻。如意大利 的阿克公司兼并了日本的日精公司，德国西门子公司及荷兰b c 元件公司在印度等 发展中国家竞相设立子公司，西门子印度分公司与日本松下公司强强联合成立了 公司，瑞典a b b 公司在英国、西班牙、比利时、加拿大、印度、中国等1 0 多个国 家以多种形式投资办厂，并兼并了美国西屋公司的电容器厂。 1 3 2国内薄膜电容器市场现状与产业结构 全国成规模的薄膜电容器企业现有1 0 0 多家，年生产能力大则1 0 亿只以上，小 则不足亿只，近年来总产量达1 0 0 亿只左右，市场需求量达1 8 0 亿只左右，差额部 3 1 绪论硕士论文 分尚靠进口解决。由此看来，市场缺口尚大，国内企业生产技术水平有待提高，只 有加大技术创新力度，尽快提高产品质量，才能扩展国内市场，进军国际市场。 加入世贸组织以后，在中国各行业中，机电产业是受进口产品冲击较大的行业； 而在机电行业中，电容器行业又是受进口产品冲击较大，商品销售额损失较大的行 业。从税率变化来看，入世前电容器进口关税高达2 5 ，2 0 0 1 年入世之初降为1 3 ， 2 0 0 2 年降为3 ，2 0 0 3 年实行了零关税，随着关税的解除，国外高档薄膜电容器的进 口数量将进一步增加，国内薄膜电容器其企业面临更大的竞争压力，近年来随着金 融危机的爆发，对电容器产品实行了退税的政策。 目前国内薄膜电容器的生产仍以聚酯及聚丙烯薄膜电容器为主，国营、民营、 三资企业并存。尤其是入世以后，随着中国优惠政策的出台，国外大公司在中国纷 纷投资办厂，三资企业的数量在迅速增加。就国内企业来说，薄膜电容器的生产仍 以传统的引线式产品为主，小型、超小型产品所占比例较大，大约占5 0 以上，微 型叠片产品约占1 0 左右，大型产品约占5 ，中型产品约占3 3 ，片式产品仅有 一家合资企业能够生产，年产能力不足2 亿只，所占比例不足2 。 从薄膜电容器的进出口情况来看，进口地包括3 0 多个国家和地区，其中韩国、 日本、台湾是主要来源地，三地占总进口额的7 5 ，而韩国则占3 4 。出口地包括 4 0 多个国家和地区，其中香港、日本是主要用户地，两地占总出口额的6 1 ，而香 港占3 3 ，日本占2 8 t 堙一。 1 3 3 薄膜电容组装设备研究现状 薄膜电容器的快速发展，带来了制造技术的不断发展和制造设备的逐步更新， 目前国外主要的薄膜电容组装设备生产公司有德国的西门子、日本的松下以及瑞典 的a b b 公司等，国内主要的薄膜电容组装设备公司有上海希瑞电子设备有限公司、 常州的银捷电器有限公司以及台湾的昱翔集团等。这些公司对薄膜电容组装设备的 研究主要还是在单个工序的专门装置，而且在技术上是高度保密的。 采用金属化薄膜卷绕而成的芯子是电容器最关键的部件，芯子卷绕质量对电容 器质量有较大的影响，日本、美国等国家的电容器生产厂都采用了自动化程度较高 的卷绕机来完成电容器的卷绕。目前，国内许多厂已分别从日本、瑞士、意大利等 国家引进自动卷绕机，而国内也有企业研制生产小型电容器自动卷绕机。无锡市浩 克机械制造有限公司生产的j r j l 4 - 4 0 0 卷绕机，在原来机型的基础上，根据薄膜电 容器产品发展的需要，作了多方面的改进，料轴转动部分结构进行了变动，增进了 转轴的顺畅性，增加了料轴张力调节机构，提高了平衡度，使其纵、横向调节更趋 完美、方便。电控系统采用顺序逻辑控制系统，具有逻辑计算、顺序控制、定时计 数和速度调节、算术计算等操作指令功能，提高了抗干扰能力、使用可靠、工作效 4 硕士论文薄膜电容载带式芯一线自动装配技术研究 力高。按用户产品工艺生产要求，尚可增设铝箔折边、压花功能。上海仪器仪表研 究所的金属化薄膜电容器自动卷绕机是专用于中、小型金属化薄膜电容器的自动卷 绕机，适用于聚酯、聚碳酸酯、聚丙稀等卷绕材料，其薄膜厚度最小2 阳，在一对 芯铀上可同时卷绕单支或双支电容器芯子l l o j 。 电容器生产的最后一道工序是要将已印上电容规格参数及商标产地等信息的套 管套到电容器上，常温下，套管直径要稍大于电容器直径，由于套管本身是一种热 缩性材料，所以通过加热箱后套管就牢牢地套附在电容器上。而在此道工序之前， 先要将电容规格等信息烫印在套管上，电容器品种及规格不同，相应的配套套管在 长度、宽度、信息等方面也就有所不同。目前，国内电容器套管的印字及裁切工艺 还普遍处于手工或半自动水平，这限制了电容器套管生产的效率和精度。文献【1 1 】 介绍了一种全自动电容器套管烫印裁切机的控制系统设计，它是集顺序控制、运动 控制和温度控制为一体的混合控制系统。控制核心采用日本三菱f x 系列小型p l c ， 通过对系统中各传感器的检测，以及对步进电机、伺服电机、气缸、电磁阀、加热 管等部件的控制，实现了电容器套管的自动定长、定位烫印及裁切；人机界面则使 用日本三菱f 9 4 0 触摸屏，可使操作人员非常方便地设定和更改各种规格的电容器 套管生产参数，从而提高了电容器套管烫印裁切的效率和精度，提升了电容器生产 的自动化水平。图1 1 为套管烫印裁切系统的工作示意图，在烫金头底部，安装某 一金属字模，当一定温度的烫金头把烫金纸压在套管带上一定时间( 烫金时间) 后， 即可将字模上的信息烫印在套管上。 图1 1 套管烫印裁切系统工作示意图 文献 1 2 】介绍了一种集自动焊接、排板和涂硅油等功能为一体的电容器自动焊 接排板机，生产速度为4 0 只每分钟。整机由位于设备正面的电容器引线焊接部 分和背面的排板及涂硅油两部分组成。引线焊接围绕四工位间歇回转工作台及配置 于各工位的机械手实现电容器芯子的上料、送丝、引线焊接并切断及开夹下料；排 板及涂硅油部分将焊好引线的电容器胚件整齐有序地排列于基板并以胶带固定，再 在引线指定位置涂抹硅油以便于下一道环氧灌注工序的批量作业。 5 硕士论文 图12 为其系统功能流程图 图12 自动焊接排扳机系统功能流程图 其中四工位间隙回转工作台是整机的工作核心，1 工位进行上料、定位，2 工位 完成焊接和切丝，3 工位送出元件供排板，4 工位确认无元件残留。4 个工位上的机 械手由气缸驱动凸轮操纵指钳的摆杆弹簧，以实现各工位指钳的开、闭功能。工作 台的间歇回转由分割器和控制调速电机的启、停时间来配合实现。 台湾的昱翔集团研制开发了一套薄膜电容导线一芯子自动焊接设备，生产速度 为6 0 6 5 只，每分钟。该电容自动导线焊接机是特别设计以连续焊接方式来制造薄膜 电容器，同时从送料、焊接、光电控制和凸轮自动控制及送线均可自动操作，而且 能自动提供导线及芯子，自动平稳精确。设各如图1 3 所示： 图1 3 薄膜电容自动导线焊接机 硕士论文 薄膜电容载带式芯一线自动装配技术研究 该套设备的机械传动采用凸轮驱动式，动作精确且操作容易；主驱动力采用交流 变频控制器，可做无段速度调整；程序控制器采用p l c ，焊接机构采用电源电压补偿 及制动回路，焊接电流稳定。 上海仪器仪表研究所研制的s y s112 金属化薄膜电容器自动焊接机专用于金属化 薄膜电容器引脚焊接。适合于中小型金属化薄膜电容器生产。s y s l l 2 金属化薄膜电容 器自动焊接机主机呈桌上型机构，内置式焊接电源。由振动料斗、芯子输送机构、引 线输送和切断机构、焊接机构组成。采用p l c 控制，通过光电传感器和凸轮机构实现 全自动控制。并且有变频调速、自动检测、自动声光报警功能。 1 4 本课题研究的主要内容 通过上节对薄膜电容组装设备研究现状分析可知，目前对薄膜电容组装设备的 研究主要集中于专用装置的研究，很少有针对整个薄膜电容组装工艺所研制的设 备，这就导致了整个薄膜电容组装生产线过大，机构过于烦冗。因此如何对传统的 薄膜电容组装工艺进行改善，使得整个薄膜电容组装线更加的紧凑是本课题研究的 首要问题。 其次，目前针对薄膜电容器导线一芯子焊接工序所研制的设备大多是采用转盘 分度多工位定位加工的方式，该方式实现导线一芯子焊接的效率低，平均每分钟最 多可以实现6 0 只左右的电容器焊接，而且导线一芯子焊接质量参差不齐。如何改变 传统的薄膜电容器导线一芯子的焊接方式，提高单位时间内的薄膜电容器产量并保 证电容器的质量就成了必须需要解决的问题。 再有，目前大部分的薄膜电容制造设各多是采用人工对焊接好的薄膜电容用纸 带编带以完成下面的工序，人工的参与以及大量纸带的一次性使用无形中提高了产 品的生产成本，如何最大幅度的降低薄膜电容产品成本也是此次课题研究必须考虑 的问题。 针对上述问题，本论文将研究一种全新的载带式薄膜电容加工工艺流程，并研 发一种基于该工艺的新型薄膜电容加工设备，预期加工速度可以达到1 0 0 只分钟， 达到国际先进国家薄膜电容制造设备厂家产品加工水平。 论文的主要研究内容是要完成对薄膜电容高效组装设备中关键的导线一芯子自 动装配技术的研究和开发。具体研究内容如下： ( 1 ) 传统的薄膜电容加工工艺中都采用纸带对薄膜电容进行编带，纸带的大量 应用造成了极大的浪费，提高了生产成本。针对传统加工方法效率低，成本高等缺 点，研究一种新型的薄膜电容加工工艺流程，合理安排薄膜电容器的加工工序、工 艺路线和工位数，能够提高单位时间内的薄膜电容加工数量，并且降低系统的成本。 分析薄膜电容组装过程中各单元的功能要求和运动规律，确定对各执行机构的运动 7 1 绪论硕士论文 要求，研究薄膜电容载带式自动装配技术的总体方案。 ( 2 ) 对新型薄膜电容组装工艺中的芯一线自动装配关键技术进行深入的研究。 根据新的薄膜电容组装工艺的各工序要求，研制成本低，结构简单的装置，设计可 以实现其动作的机构，保证薄膜电容组装的高速。 ( 3 ) 完成基于新型薄膜电容组装工艺研发的芯一线自动装配原型样机的加工以 及装配。确定控制系统结构，设计气动回路，采用气动一电控技术和阀岛技术实现 系统控制。 ( 4 ) 通过系统调试，检验系统的可靠性，通过解决调试中出现的问题，实现系 统的正常运行。 在开发设计此薄膜电容高效组装设备的过程中，综合运用机一电气技术，降 低整个设备的设计和制造成本，提高设计质量。 8 硕士论文薄膜电容载带式芯一线自动装配技术研究 2 薄膜电容载带式自动装配总体技术方案 2 1 系统技术需求分析 本次设计的薄膜电容高效组装系统是为了实现快速准确的薄膜电容组装。系统 所适用的产品规格如图2 1 ： 一王 产品尺寸如表2 1 ： 0 0 2 图2 1 薄膜电容组装系统适用产品规格 表2 1 薄膜电容器产品尺寸单位：m m c a g e 互蛐只。气。 口 0 12 06 52 5o 5 0 22 08 o3 2o 5 0 52 01 2 o6 00 5 0 62 09 66 o0 5 0 72 08 o5 o o 5 对薄膜电容进行高效组装技术的研究是为了能够提高单位时间内的薄膜电容产 量以及加工精度。在研究其具体技术方案以及结构设计之前，应对其技术需求进行分 析： ( 1 ) 全自动的连续组装 薄膜电容组装过程中的各项操作，均为自动执行，无需人工干预，并可通过控制 系统完成对各操作动作的协调控制和连续执行。 ( 2 ) 较低的设计和制造成本 综合运用机一电气技术，降低整个薄膜电容组装设备的设计和制造成本，使其 具有较好的推广性。 9 2 薄膜电容载带式自动装配总体技术方案 硕士论文 ( 3 ) 具有紧凑的机械结构 根据气动元件的运动规律，简化组装设备各动作机构，合理安排薄膜电容组装设 备各机构的布局，使所设计的组装设备结构紧凑，所占空间位置小，使用方便。 2 2 系统总体技术方案研究 2 2 1薄膜电容高效组装工艺研究 选定和拟定工艺过程是薄膜电容组装设备设计第一阶段的任务，是设备设计的 基础。工艺过程方案是否合理和先进，将直接影响所研制的设备结构、外形尺寸、 机构的运动方式和电容组装质量。 图2 2 所示是传统的薄膜电容加工工艺流程图： 口啼一一 一加热及收缩黔一 卷绕工序热压工序 保护包装工序 一吧f 金属化正序 只一置一n 诵一只一f l f 卅1 丑一一伊 编带包装工序测试及标记工序外装含浸工序排列组装工序焊接工序 图2 2 薄膜电容传统加工工艺流程 根据图2 2 以及1 4 节分析可知，传统的薄膜电容加工工艺大多是在导线一芯子 焊接工序完成以后采用人工方式对焊接好的薄膜电容进行纸带编带以完成下面的 工序，大量纸带的一次性使用提高了产品的生产物料成本。 针对传统加工方法效率低、纸带编带使得成本偏高、导线一芯子焊接质量参差 不齐等缺点，以及设计所要求高速高质量的加工要求，本课题所研究的新型薄膜电 容加工工艺流程应该满足以下几个要求： ( 1 ) 根据新型加工工艺方案所研制的薄膜电容组装设备结构紧凑，动作迅速； ( 2 ) 提高单位时间内的薄膜电容器的产量，并且保证薄膜电容器导线的间距精 度，提高薄膜电容器质量； ( 3 ) 使薄膜电容组装设备的结构尽可能的简单，避免使用纸带编带以降低产品 的加工成本。 根据上述要求，本课题提出了基于载带的薄膜电容新型组装工艺，图2 3 所示 是薄膜电容载带式加工工艺流程图。 1 0 硕士论文 薄膜电容载带式芯线自动装配技术研究 困啼移一p 啼圆一加热及收缩一黔9 h 一 卷绕工序 熟压工序 保护包装工序 金属化工序 叫观检娟州二晶一喈 测试及标记灌麓裂脂 外壳芯毳配 导线芯子焊接导线穿线 图2 3 薄膜电容载带式加工工艺流程 其中载带有很好的绝缘性能，工作温度可以达到3 8 0 0 c ，所用的载带可以重复 利用。 比较图2 2 以及图2 3 可知，基于载带的薄膜电容新型组装工艺与传统组装工艺 最大的不同就是在导线一芯子焊接工序之前引入了作为整个组装系统载体的载带， 载带的引入彻底改变了传统的薄膜电容组装方式。薄膜电容载带式组装技术具有以 下优点： ( 1 ) 载带的引入使得整个薄膜电容组装线成为一个有机的整体，组装设备各部 分机构更加的紧凑； ( 2 ) 利用在载带上冲制的导线载孔在加工开始之初就保证了薄膜电容器导线的 间距精度，提高了导线一芯子的焊接质量； ( 3 ) 载带的引入将传统的转盘分度定位实现多工位的薄膜电容组装转为直线方 式进给定位实现薄膜电容组装，使提高单位时间内的薄膜电容产量成为可能； ( 4 ) 从成本的角度来看，传统的薄膜电容采用纸带进行编带，纸带为一次性使 用。本课题所用的载带可以重复循环利用，这就大大的节省了物料成本。 新型薄膜电容高效组装工艺流程中各工序功能内容分别是： ( 1 ) 芯子卷绕及金属化：卷绕过程就是把金属化膜按要求卷成电容器芯子；进 过热压等工序后，通过金属化过程在芯子两端喷上一层金属锌，作为引出电极； ( 2 ) 载带冲孔：载带冲孔单元完成载带上导线载孔的冲孔，为下一进程导线穿 孔编带作准备； ( 3 ) 导线穿线：导线穿线单元完成导线在冲好导线载孔的载带上的穿孔编带； ( 4 ) 导线一芯子焊接：导线芯子焊接单元完成在编好导线的载带上推出导线与 电容器芯子进行焊接； ( 5 ) 外壳一芯子装配：外壳芯子装配单元完成将焊接好的电容器芯子与外壳装 配； ( 6 ) 灌注环氧树脂及固化：灌注环氧树脂及固化单元向装配好的电容器灌注环 氧树脂并由载带引入隧道烤炉中加温使环氧树脂加速固化； ( 7 ) 测试及标记：测试及标记单元将已经固化完成的电容器以测量仪器测试其 1 l 2 薄膜电容载带式自动装配总体技术方案 硕士论文 电气性能并对电容器施以标记； ( 8 ) 外观检查：外观检查单元以c c d 自动装置对电容器外观进行最后检查； ( 9 ) 计数包装入库：计数包装入库单元将测试以及外观检查完成的电容器成品 加以计数包装并入库。 2 2 2 薄膜电容组装设备总体结构设计 薄膜电容高效组装设备作为自动工作机中的一个特定的类型，它具有一般自动 工作机的基本共性，在结构上包括驱动元件、工作机构、传动机构和自动控制装置 系统四大部分。同时也具有其自身的一些特点，根据本组装设备的工艺，可将薄膜 电容组装设备的结构划分为以下十个部分，如图2 4 所示： i i 图2 4 薄膜电容组装设备的结构组成方块图 如图2 4 所示，载带进给装置、载带冲孔机构、导线穿线机构、芯子输送装置、 导线芯子焊接机构、外壳芯子装配机构、环氧树脂灌注机构、性能测试及标记机 构以及计数包装机构都是工作机构，工作机构是直接地或是借助工具对加工对象实 施作用，以改变加工对象的位置、状态、性质、尺寸和形状的专门机构。按自动工 作机中工作机构所完成的工作职能的性质区分，工作机构又可划分为工艺操作机构 和辅助操作机构【1 3 - 1 6 1 。 1 2 硕士论文 薄膜电容载带式芯一线自动装配技术研究 图2 4 中所示的9 个工作机构都是要完成薄膜电容组装使用的专门机构，其中 辅助操作机构包括载带进给装置以及芯子输送装置；工艺操作机构包括载带冲孔机 构、导线穿线机构、导线芯子焊接机构、外壳芯子装配机构、环氧树脂灌注机构、 性能测试及标记机构以及计数包装机构。 本设备中选用的驱动元件是气动元件，包括直线气缸以及气爪。驱动元件是为工 作机提供加工及各种运动的动力的，电子产品组装设备中常用的驱动元件有电动 机，液压元件和气动元件。 传动机构是用于将动力和运动从驱动元件传递给工作机构。传动机构的功能是 调节运动速度或变换运动形式( 旋转运动变为摆动或移动，连续运动变为周期脉动 等) 。由于本设备使用的是气动元件，气缸的直线运动特性使得在设备的机械结构 中省去了许多传动机构，因而把传动装置归入到各工作机构中。 本薄膜电容组装设备中的控制装置采用了气动一电控系统。自动工作机的自动 控制装置可以是机械式、液压式、气动式、电气式或综合式。机械式自动工作机是 应用最早的，具有工作可靠和易于实现的优点，但结构较复杂。后几种形式的自动 工作机较机械式更便于实现自动控制，因此它们在现代自动工作机中受到重视，尤 其是具有较高自动化程度的自动机( 如电子程序控制的自动工作机) 己成为现代自 动工作机的主要发展方向【1 5 1 。 工作机构中的工艺操作和辅助操作可以由机器自动完成，也可以在操作者参与 下由机器来完成。目前薄膜电容组装过程中有些工序就需要操作者的参与，因而工 作效率较低，本次研究的薄膜电容组装设备则是一种完全自动工作的工作机。 因而本设备具有以下特征：工艺操作和辅助操作全由薄膜电容组装设备各组成 装置自动完成；组装设备按设定的工艺过程顺序自动地进行工作，其控制装置可进 行设备自动工作的循环控制。 2 ，3 薄膜电容载带式芯一线自动装配关键技术 新的薄膜电容加工工艺要求新的组装机构，本课题主要是对薄膜电容高效组装 设备中关键的导线一芯子自动装配技术进行研究并进行装置研制。导线一芯子自动 装配工艺路线如图2 5 所示： 2 薄膜电容载带式自动装配总体技术方案硕士论文 图2 5 导线一芯子自动装配工艺路线图 从薄膜电容载带式加工工艺流程图2 3 和导线一芯子自动装配工艺路线图2 5 分 析可得：载带冲孔工序在工位i 完成，导线穿线工序在工位i i 完成，导线一芯子焊 接工序在工位完成，由驱动元件通过载带传动定位孔带动载带实现在不同工位的 进给定位。 2 3 1 载带导线载孔冲孔 在载带上实现导线载孔的冲孔是本课题的一个难点。载带冲孔如图2 6 所示： 导线载孔 传动定位孔一 乡。 l ，f 。 oo oo o ooo tt 图2 6 载带冲孔示意图 由表2 1 可知载带冲孔需要在载带上冲出o 5 - - + 0 0 2 r l l l t l 的导线载孔，并且导线 载孔的横向间距即薄膜电容器导线间距为5 0 8 髫n u n 。这就对冲孔装置的力学性能 以及载带在高速运动下的准确定位精度都提出了高的要求。 根据本系统中载带的进给定位精度要求，我们选用了s m c 公司的带制动的行程 可精确读出气缸( m l 2 b 系列) 作为载带进给定位的驱动元件。下面对m l 2 b 系列 伺服气缸的基本特性与控制原理进行分析【1 7 1 9 1 。 ( 1 ) m l 2 b 伺服气缸基本特性分析 m l 2 b 带制动的行程可读出气缸( 下面简称m l 2 b ) ，是机械连接式的无杆气缸， 普通无杆气缸的结构如图2 7 所示。在气缸筒轴向开有一条槽，与普通气缸一样， 在气缸两端设置空气缓冲装置。活塞带动与负载相连的滑块一起在槽内移动，且借 助缸体上的一个管状沟槽防止其产生旋转。为了防止泄漏及防尘需要，在开口部采 1 4 硕士论文 薄膜电容载带式芯线自动装配技术研究 用聚氨艏密封带和防尘的不锈钢带，并固定在两端盖上。 l 节藏目卜堙# 桂毫卜女封带+ 一自生布* * 带 s - l6 - - * 块卜唯状# 图27 无杆气缸结构原理圈 带制动的行程可读出气缸( m l 2 b ) 在结构上以机械连接式无杆气缸为基础， 并且设计了制动装置以及磁性位移检测装爱，从而能使m l 2 b 能够完成在行程内任 意位置精确定位的功能。其外形结构如图28 所示。 图2 8 a l 2 b 气缸的外形结构图 m l 2 b 气缸内部装有一个磁性传感器，与分辨率为0l m m 的磁栅相结合，可以 使气缸的输出刻度精确到ol m m ，正因为如此，m l 2 b 气缸在工作时不能有强磁场 的干扰( 1 4 5 高斯) ，否则该气缸就会出现故障。气缸刻度的输出与位移的关系， 由图2 9 可以很清楚的反映出来。 o 00 1n2n3m40 506o 7 q 缸# ( m ) l _ 二二二尘! 二二 。豳圈圆团盈：圆圈圈 。m 目b 豳：霞圆圈圜! 圜凰豳 ”m 4 _ _ _ _ 一 0123 4321 图2 9 气缸输出脉冲与位移关系图 普通的带制动的气缸，其制动装置一般都作用在气缸的活塞杆上( 即这种气缸 多为有杆气缸) ，因为m l 2 b 气缸是无杆气缸，在气缸的侧装有制动导杆，一方 面可以起到导向作用，另一方面可以用来制动，达到气缸定位的目的。图2 1 0 结出 了m l 2 b 气缸制动部分的结构