翅片式换热器短U管自动装配方法与装置研究

摘  要：换热器是空调系统中四大核心部件之一，在翅片式换热器生产制造过程中短U管装配工序凭借个人记忆确定系统管路回路，进行人工装配，极易产生装配错误，导致质量问题。现介绍一种更为先进的翅片式换热器中短U管自动装配方法及装置，其特性在于使用信息系统及PLC系统传输产品参数，利用机器人系统及视觉系统分析来料工件的管口偏差及位置偏差并补偿给机器人，完成短U管准确安装，实现全系统的自动化安装，避免人工装配作业错误。

关键词：换热器;短U管;机器人系统;视觉系统

0    引言

随着人民生活水平的不断提高及中国经济的飞速发展，空调系统在各行业均占据了举足轻重的地位。我国空调产能占全球总产能近80%，未来随着“一带一路”倡议的进一步推进，东南亚地区制造业输出计划必然助推家电企业出口增长。翅片式换热器是空调领域广泛采用的换热器型式[1]，它通过在基管上加装翅片来达到强化传热的目的。在结构设计、片型研究、管型研究以及相关换热器工艺的不断发展过程中，新结构、新材料的换热器不断涌现，但是制造过程却没有太大的突破，短U管作为换热器铜管回路的连接部件，是翅片式换热器的重要组成部分，用于实现回路的牢靠连接，起到密封作用。

1    通用装配方法及问题

目前，行业内翅片式换热器中短U管主要是通过人工进行装配，自动化水平较低，短U管安装质量一致性差，且生产效率低。作业过程中，人工拿取短U管，如图1所示;再根据系统回路的设计要求，插入长U管的管口中，达到设计回路要求，如图2所示。此作业过程因图纸数量达到几百种，对图纸熟悉程度差异性、人工技能熟练程度差异性、效率差异性可达到300%。

行业内普遍无法使用自动化装备实现此功能，其主要原因包括：

（1）工件精度高：短U管中心距尺寸公差为±0.2 mm，短U管口外径尺寸公差为±0.05 mm，短U管插入深度公差为

±1 mm。

（2）短U管缺陷：短U管在加工过程中存在管口毛刺、不圆、碰扁等质量缺陷。

（3）基管缺陷：在加工过程中传热管存在皱纹、裂纹、切口和偏斜等缺陷，难以保证一致性[2]。

（4）定位精度：换热器翅片相对较软，不同工件存在一致性差异，无法实现换热器及铜管的精准定位。

因此，换热器的短U管采用人工装配，人工控制安装位置、深度、插入角度，存在大量重复性动作，易疲劳，易产生质量波动。

2    自动装配方法及装置

鉴于上述问题，需要一种用于短U管自动安装的方法及装置，提升效率，保证质量一致性，满足大批量生产需求。笔者提供了一种用于短U管自动安装的装置，可实现换热器短U管的自动夹取及安装。该装置主要由工件输送定位系统、短U管上料系统、短U管分料系统、机器人安装系统、短U管夹取及插入系统、视觉系统、通信控制系统、信息管理系统组成。

2.1    整体系统构成

本系统利用机器人系统带动夹取及插入装置，通过视觉系统分析来料工件的管口偏差及位置偏差并补偿给机器人，实现短U管准确安装。整体流程为：换热器本体通过固定工装夹紧在自动输送线上输送;依次输送至短U管安装工位，气动式阻挡器进行定位;工件定位系统对换热器进行机械式固定;机器人带动视觉系统对工件管口进行拍照;视觉系统分析管口位置偏差，将实际坐标偏差反馈给机器人进行补偿;机器人带动短U管夹取及插入装置夹取短U管，通过机器人安装短U管;完成本循环内安装，机器人返回原点位置。工件定位系统松开工件，进入下一循环;同时，辅助短U管分料系统对零散短U管进行自动分离及摆放。

2.2    各系统细化构成

本系统中工件输送定位系统主要由自动输送线、工装板、气动式阻挡器、工件定位装置组成。换热器安装在工装板上，在Y方向起到固定作用。工装板在自动输送线上沿X方向输送，输送线采用积放式滚筒，输送线主程序与短U管自动安装装置的控制系统进行通信，当第一件工件输送至阻挡器位置时，阻挡器启动，工件输送完成后，输送线停止，实现工件X方向定位。工件定位装置采用钢结构焊接而成，整体强度、刚度及稳定性满足使用要求。工件到位后，信息管理系统中的工位RFID读卡器读取工装板内置RFID中产品工艺信息，根据不同工件的高度，采用伺服电机控制，自动进行上下升降调节，通过上下部夹紧气缸对工件进行固定，实现X/Z方向高精度定位。

本系统中机器人系统包括1台6轴机器人、夹取及插入装置、控制系统，机器人负载为90 kg，机器人最大回转半径2 700 mm，重复安装精度±0.07 mm，满足短U管中心距尺寸公差为±0.2 mm的要求及工件臂展覆盖要求。为满足短U管形状要求，夹取及插入装置为非标设计夹具，包括固定底座、短U管夹爪移动气缸、气爪底座板、夹取气爪、铜管管口擴口头等。由机器人驱动，实现短U管的抓取和插入动作。

本系统中视觉系统包括1套视觉系统软件、1套工业相机、1套LED照明光源及1套通信系统。视觉系统的主要任务是对图像进行采集，根据需求做必要的处理，将处理结果反馈给主机或决策者，从而完成智能感知的任务[3]。工业相机固定在机器人端部，机器人带动工业相机对第1件工件进行拍照。视觉系统将拍摄到的工件的实际管口坐标反馈给信息系统，然后与示教时工件的标定管口坐标进行比较，通过测量视觉校正计算后得到的位置P′和实际位置P在世界坐标系x-y平面上的偏差，来反映视觉校正结果的精确度[4]。如图3所示，将视觉系统计算偏差值补偿给机器人系统。设备要求铜管内径7.10～7.20 mm，喇叭后外径8.7～12.0 mm，如视觉系统同时检测到管口内径尺寸偏差，将进行系统报警或利用铜管管口扩口头对管口进行扩口。

本系统中分料系统包括振动盘系统、短U管分料系统及短U管输送系统。分料系统包含分料马达、分料拨轮、送料电机、送料皮带等，其主要功能为将零散短U管进行分料、规整、排序及定位，实现机器人自动夹取。

3    结语

本文主要介绍了短U管自动装配的一种方法及装置，其主要用于解决员工重复性作业问题。该装置能提高效率，同时保证短U管安装质量的一致性。

该装置通过使用上位机将整套系统进行互联互通，信息系统传输工艺装备工艺数据、参数，实现产品系列号调取、写入功能，实现工艺参数驱动工艺装备的控制系统进行调整及反馈。采用视觉系统及机器人系统进行高精度定位及安装，相比传统机械驱动装置具有更高的精度、一致性及稳定性。

[参考文献]

[1] 赵华，秋雨豪，王敏.制造偏差对翅片管式换热器性能的影响[J].制冷与空调，2017，17（6）：33-35.

[2] 汪厚泰.高效空调换热器内螺纹铜管的研究及应用[J].制冷与空调，2010，10（4）：27-34.

[3] 桂卫华，阳春华，徐德刚，等.基于机器视觉的矿物浮选过程监控技术研究进展[J].自动化学报，2013，39（11）：1879-1888.

[4] 吴广雨，张伟军，杨保佳.机器人视觉装配中的精确定位策略研究[J].机械与电子，2020，38（3）：75-80.

收稿日期：2020-06-23

作者简介：何冬明（1982—），男，陕西人，工程师，研究方向：自动化装备工艺及制造方法。