高压开关设备混线装配自动化产线的设计

徐志,牛广军

(宁夏力成电气集团有限公司，宁夏 银川 750002 )

传统电力装备制造企业生产模式中，对高压成套开关设备装配及检测基本上是离散的、密集型人工生产模式，尤其是元器件安装、二次线束敷设、母排装配和成品检测等各工序中，大部分采用手工、人力的作业设备及方法，劳动强度大且产品工艺和质量的一致性受人员因素影响较大；半产品转序和产品检验活动需要人工搬运到指定区域进行差异化分散作业，费时费力，生产效率不高，整个生产过程的自动化、信息化水平较低，因此，针对上述目前生产模式的问题，研发了适用于多规格高压开关设备混线装配检测的自动化产线，相比传统生产模式，效率更高，产品品质控制能力更强。

1 产线实现方法

1.1 产线布局设计

产线的整体布局呈“非”字型，如图1所示，共计13个工步51个工位，两列工位中间设置有轨制导车辆(rail guided vehicle,RGV)物流装置，实现半产品在工步间移动。

图1 产线整体布局

(1)机器人装配作业岛。作为首个工步主要实现钣金柜体的自动组装，由2个六轴工业机器人、1个变位工装和1套积放输送线单元组成，如图2所示。正常工作状态下其中1个机器人(可自动换吸盘)从积放输送线上取不同规格的柜体钣金件，放到变位工装上，由另外1个机器人采用视觉扫描系统定位钣金件螺丝孔位置，并完成80%以上固定孔的拉铆固定，按照顺序23 min完成单台高压开关柜柜体的自动组装。

图2 机器人装配作业岛

(2)机器人补装工位。采用1台六轴工业机器人完成机器人装配作业岛剩余20%固定孔的拉铆固定。

(3)可重构工装(人工装配位)。如图3所示，用于非标柜体的人工装配，设置3个工位，每个工位上设有“U”字型可移动配置的气动吸盘组，按照选择不同规格的柜体，吸盘组可自动移动定位重构，形成装配用固定工装。

图3 可重构工装

(4)互感器/活门组件/接地开关装配。用于柜内电缆隔室内PT/CT、接地开关及其连锁装置的装配，设置6个工位和4套气动助力平衡机械手。

(5)仪表室及二次配线工位。是产线“瓶颈”工步，实现开关柜仪表室(由仪表室分装线提前预制完成测控保护、主令开关、指示等二次回路配线)与柜体的组合，以及完成互感器、接地开关、断路器二次控制线及与仪表室端子排的对接、固定，共设工位17个，通过车间内AGV物流装置与仪表室分装线、二次线预制区工艺连接。

(6)母排及静触头装配工位。用于开关柜一次回路导体装配、断路器隔室内静触头安装，以及断路器与柜体的试装，设置5个工位。

(7)门板装配。开关柜前后门板及门上部件的装配。

(8)综合调校测试工位。实现开关柜一般检查、五防功能调试、回路电阻测试、机械特性测试、传动与保护测试等功能性、工艺性综合调校检查，设置5个工位。

(9)工频耐压试验工位。用于高压开关柜例行检验-绝缘测试中，1 min工频耐压试验，设置2个可以移动工位并采用防护栏做安全区域隔离。正常使用时，移动工位先从RGV物流装置上接入开关柜，然后移动到远离主线体1.5 m以外并自动接地，通过自动工频耐压装置于母线室通入高电压进行试验。

(10)产品下线工位。产品下线，与车间内AGV物流车自动对接。

(11)RGV物流装置(见图4)。按照工艺路线和生产节拍(自动模式下)或工位呼叫(手动模式下)，实现工位间开关柜半成品的转运，平均运行速度为0.8 m/s。

图4 RGV物流装置内部结构

1.2 产线工艺路线设计

产线从机器人拼柜作业岛开始到产品下线，设置13个工步，根据工作内容匹配数量不等的工位、人员、工装器具，如图5所示[1]。设计自动、手动2种工作模式，整体定员20人，工作节拍27 min/台，不同项目不同规格产品混线生产采用生产制造执行系统进行管控，各工位设置扫码终端、报工/报检终端，采集产品流转位置。

图5 产线工艺路线

(1)自动模式。工位通过触摸终端点击报工后，MES系统驱动线头集控PLC装置通过无线通讯方式呼叫RGV物流装置精准定位到报工工位，接入半成品并自动按照MES工艺路线转序送入工位。

(2)手动模式。2个空闲工位通过人工进件/出件信号匹配，匹配成功后按照上述方法移动半成品，不受工艺路线约束。

产线工艺路线还考虑到待料开工(齐套率≥65%)、欠件下线、扫描上料、在线识图等功能在不同工步的设置[2]。

2 产线关键技术

2.1 机器人拼柜作业及其精度控制

采用机器人代替人工拼柜作业，效率提升1倍以上且产品的工艺精度及其一致性更高。机器人装配作业岛结构如图2所示[3]。机器人装配单元包括机器人本体和移载安装夹具；变位工装单元包括旋转台、九面固定定位工装台；机器人主铆接单元和补铆单元均包括铆接机器人基座、铆接机器人本体和铆接送钉机，半成品柜体下线及转运单元包括电动滚筒输送台、液压升降台、柜体翻转机、输送机构和移位穿梭车。其工作状态如下：其中1个机器人(可自动换吸盘)从积放输送单元上取不同规格的柜体钣金件，放到钣金固定定位单元上，由另外1个主铆接机器人采用视觉扫描系统定位钣金件螺丝孔位置，并完成固定孔的拉铆固定，拼装速度23 min/台。

2.2 RGV物流装置动力共享及定位精度控制

实现动力共享可节省50套左右的电动机和减速机构及相关传动部件，其结构如图4所示。其工作原理为将提供双向旋转动力的伺服电机设置在一组丝杠滑块装置上，在与产线工位精确定位后且接受到PLC控制指令时，驱动滑块向左或向右移动的同时驱动伺服电机正转或反转，与工位上的花齿对接，将动力传递到工位上，从而带动滚筒将半产品送到工位上，移载速度0.3 m/s。

实现定位精度±1 mm,其定位系统结构如图6所示[4]。本设计通过条形码测量电路测量实时扫描条形码，获得条形码信息；第二控制器根据所述条形码扫描获得的条形码信息确定物流装置的当前位置，对位置信号进行物理地址解析，获得目标位置，并将上一时刻物流装置停止的位置作为起始位置；最后，第二控制器根据起始位置、当期位置和目标位置相对坐标，通过驱动电路控制所述伺服电机，进而带动物流装置移动到目标位置，实现物流装置在装配流水线上与固定工位模块之间精确定位控制，提高了控制精度，使控制精度控制在 1 mm 内。

图6 RGV物流装置定位系统

2.3 在线自动工频耐压试验装置

在线工频耐压试验装置降低了高电压试验风险，保障人身安全的同时提升试验工作效率，结构如图7所示[5]。使用时，可移动工位先从RGV物流装置上接入开关柜，然后关闭围栏门移动到远离主线体1.5 m以外并自动接地，通过操作台控制工频试验变压器升压进行试验，1 min后自动降压并将试品主动接地，最后方可打开围栏门。

图7 工频耐压试验工位

3 产线应用效果

多规格高压开关设备混线装配检测的自动化产线设计完成后，于2018年6月份进行了应用，验证了产线所设计的功能，并邀请专家对产业化能力、装配效率和质量、工艺做了评估。验证结果表明：产线能够适应3种以上不同规格高压开关设备混线生产，不需更换或调整工装，节省生产、换型时间25 min/台(由原来的48 min/台减少到23 min/台)；减少作业人员12人(由原来的班组32人减少到20人)；产品设计比同类流水线设计减少电机及减速机构50套左右，提升生产效率、品质的同时实现了节能效益的最大化。

4 结 论

通过设计和应用多规格高压开关设备混线装配检测的自动化产线，改善了传统配网成套开关设备的离散、密集型人工作业的问题，降低了劳动强度且通过机器人等工装使得产品工艺、质量一致性得到保障，提高生产效率同时实现减员、提质、节电效益的最大化，应用效果良好。