控制柜DIN导轨安装方式探讨

赵志勇

摘  要：DIN导轨目前已广泛应用各类电气自动化设备现场安装环境中，目前大多情况下采用螺丝连接安装，文章尝试一种新的安装方式——机器人点焊，以提高生产过程自动化水平，提高生产效率。

关键词：DIN导轨;点焊机器人;生产效率

中图分类号：TM505         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）09-0128-02

Abstract： At present， DIN guideway has been widely used in the field installation environment of all kinds of electrical automation equipment， and screw connection is used in most cases. This paper tries a new installation method-robot spot welding， in order to improve the automation level of production process and improve production efficiency.

Keywords： DIN guideway; spot welding robot; production efficiency

1 概述

DIN导轨是电气控制柜及自动化设备中常用的一个零部件，符合德国的工业标准。由于其安装电气元器件的便捷性，被广泛应用于自动化、工业及民用等多个领域中。DIN导轨常用材料主要为铁和铝合金，每一种材质的DIN导轨都有多种规格型号，其中最常用的DIN导轨规格为35mm（宽度）×7.5mm（深度）×1mm（厚度）。目前很多电气设备厂商都已推出符合DIN35标准的产品，例如西门子、施耐德、ABB、菲尼克斯等著名厂商的可编程逻辑控制（PLC）、空气开关、电源、端子等，不同厂商的电器元器件都可以安装在同一个规格的DIN导轨上，很大程度上提高了电气元器件安装的便捷性及互换性。

本文尝试一种新的DIN导轨安装方式——机器人点焊，以提高生产效率，提高生产线的自动化程度。

2 电阻点焊原理及特点

2.1 电阻点焊原理

点焊技术是Elihu Thomson在1877年偶然发现的，属于压接技术的一种，因为其组合便捷、速度快、变形量小、机械应力（拉力、剪力、弯曲、弯曲等）好、富有弹性等特点，被广泛应用在汽车制造、航空航天等领域。点焊是将两块金属重叠在一起，施加压力并通以一个大的电流，由于金属件接触部位存在阻抗而产生热量形成高温，当温度达到金属的熔点时，金属件将会开始融化，在施加的压力作用下，两块金属被压合在一起形成焊点。如图1所示，利用焦耳定律得知，金属块之间焊点产生的热量Q为：

其中i、rew、rw、rc分别为电流值、电极与金属块的接触电阻值、金属块的自有阻抗值、金属块之间的接触电阻，t为电流的作用时间。

电阻点焊的焊接过程一般分为四个阶段：预压、焊接、维持和休止，如图1所示。

在预压阶段，包含压力上升和压力恒定两个部分，为了保证焊接质量，必须根据金属块的材质和厚度选择对应的压力，目的是建立稳定的电流通道（F>0，I=0）。

在焊接阶段，焊接电流通过金属块，随着温度的上升，接触部位的金属逐渐融化，从而获得尺寸变化小的焊点（F>0，I>0）。

在维持阶段，切断焊接电流，焊接压力继续维持恒定，焊点因水冷系统迅速冷却（F>0，I=0）。

在休止阶段，电极开始提起离开焊接位置，回到起始状态（F=0，I=0）。

2.2 电阻点焊特点

点焊时焊件成搭接接头并压紧在两电极之间，其主要特点如下：

（1）电阻点焊的热量非常集中，焊接时间短、焊接变形量小。

（2）电阻点焊不需要填充材料，不需要气体保护。

（3）电阻点焊因其操作工艺非常简单，对操作人员的技能要求不高，非常容易实现自动化。

（4）电阻点焊劳动强度小，不产生污染气体，工作环境好。

（5）电阻点焊可以焊接同一种金属或不同类型金属。

（6）电阻点焊由于其电流大，对电网的冲击比较大。

（7）电阻点焊的设备复杂且不易于维修。

（8）电阻点焊缺乏在线检测焊接质量的技术手段。

3 点焊机器人系统及工作原理

3.1 点焊机器人系统的结构

点焊机器人系统架构及工作原理如图2，该系统由可编程控制PLC、点焊机器人（IRB1410和IRC5控制器）、焊枪、焊接控制器及焊接辅助设备（压缩空气、冷却水、电极修磨器）构成。

图2 点焊机器人系统结构图

3.2 点焊机器人系统工作原理

为确保点焊机器人系统各工作单元数据传输的可靠性和实时性，采用MODBUSTCP+数字I/O+模拟量实现相互通信，MODBUSTCP是当今工业控制领域中广泛使用的一种现场总线，因传输速度快、抗干扰能力强和距离传输远等特点，广泛应用于各种工业领域的控制系统和分散式I/O之间的通信。

上电后自动进行系统的初始化：检测各系统部件的状态，主要包含点焊机器人是否回到安全位置、焊接工作是否完成;传感器、气源压力等是否正常。对于安全信号，进行分级处理，重要的安全信号通过硬线连接，触发设备停机;对于低级别的安全信号，则有PLC控制器发送停止信号。焊接过程中，实时检测各工作单元的工作状态，假如任何一个工作单元发生故障，系统自动停止工作，并通过声光方式提醒操作人员，同时在触摸屏上以故障列表的形式显示故障部件、故障原因及解决方法等信息。焊接电流、焊接时间、焊接压力、焊接位置等焊接参数均可通过触摸屏进行设定，可根据实际需要进行调整，方便快捷。

3.3 点焊机器人系统布局

图3为点焊机器人系统布局。

3.4 实验

为验证DIN导轨点焊机器人系统的可行性与焊接参数优化，选择一组DIN导轨进行试验，在焊接压力为2250N的情况下，调整焊接电流、焊接时间，得到如图4所示的焊点。

考虑到生产效率和焊接质量稳定性，电流设置偏差在正负20A以内，搏动在40A以内，参照实测焊点情况，焊接压力设置偏差允许在±300N以内，波动在均值±90N以内。

4 结论

目前，DIN导轨焊接安装方式已进行研究试验验证，但目前还需要进一步开拓市场应用。其实现难度有两点：（1）控制柜背板的材质无法统一，PVC板、镀锌板、铁板、喷塑板材等，各种材质的板材导电率不一样，甚至无法导电;（2）DIN导轨与电气器件直接机械卡扣连接形式不一，各大电气器件厂商都有自己对应的卡扣形式，没有形成统一的标准。

参考文献：

[1]毕洲武，戴正文.工业自动化领域现场电气器件DIN导轨安装改进方法调查与研究[J].科技创新与应用，2016（34）：56-57.

[2]姜龙，张力，陈建锋.微型导轨式安装电能表及其应用[J].低压电器，2008（16）：66-68.

[3]佚名.ABB多款導轨安装元件全新上市[J].自动化信息，2012（8）：15-15.