王時(shí)龍 魏宏宇 周 杰 易力力

(重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

定轉(zhuǎn)子和鐵心是電動(dòng)機(jī)的核心部件，其制造成本約占電動(dòng)機(jī)總制造成本的30% ～40%［1］。因此，降低電動(dòng)機(jī)定子制造成本和提高定子生產(chǎn)效率將大幅度減少電動(dòng)機(jī)的制造成本。

電動(dòng)機(jī)定子是由大小形狀完全相同，圓心角為60°的扇形硅鋼片(如圖1)相互疊加而成。目前，國(guó)內(nèi)電動(dòng)機(jī)廠(chǎng)家生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)定子，均是由工人手工進(jìn)行硅鋼片的疊加，這種采用人工疊加硅鋼片的生產(chǎn)方式，不但人力成本高，而且由于疊加硅鋼片是重復(fù)性勞動(dòng)，經(jīng)常出現(xiàn)疊加錯(cuò)誤的情況。以上原因?qū)е码妱?dòng)機(jī)定子的生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低、錯(cuò)誤率高。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)機(jī)定子自動(dòng)疊片機(jī)，包括硅鋼片疊加臺(tái)、備料機(jī)構(gòu)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)3大部分。實(shí)現(xiàn)了硅鋼片疊加的機(jī)械化和自動(dòng)化，大大降低了疊片的人力成本，提高了疊片的效率和精確度，從而降低了電動(dòng)機(jī)定子的生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品合格率。

1 電動(dòng)機(jī)定子硅鋼片疊加過(guò)程

國(guó)內(nèi)電動(dòng)機(jī)定子的生產(chǎn)均是通過(guò)工人手工進(jìn)行硅鋼片的疊加，硅鋼片疊加示意圖如圖2所示，具體的疊加過(guò)程如下:

(1)將疊加工裝放在水平臺(tái)上，套入下壓板。選擇正確的斜鍵放到疊加胎的槽里，貼緊，并插入定位棒。

(2)先放入定子下壓圈再開(kāi)始疊片，將標(biāo)有合格標(biāo)志的硅鋼片(硅鋼片不能有銹跡、殘缺、拉裂等缺陷，毛刺要朝向同一面)套入疊加胎，疊片時(shí)應(yīng)該一次兩片互相錯(cuò)開(kāi)疊加。

(3)硅鋼片疊加要整齊，每疊加到一定的高度，都要檢查槽內(nèi)是否有凸出，若有應(yīng)該敲平。

(4)疊加到所需高度后，先套上定子上壓圈再套上上壓板，將疊加工裝吊到液壓機(jī)平臺(tái)上，用液壓機(jī)壓緊。

(5)壓緊后用鋼板尺測(cè)量鐵心高度，高度允許偏差0～+2 mm，不允許小于要求的正確高度，不在正確范圍內(nèi)的應(yīng)該調(diào)整，疊壓系數(shù)(硅鋼片疊加后理論計(jì)算高度和實(shí)際疊加高度的比值)不小于0.98。硅鋼片疊加厚度從65～460 mm不等。

2 電動(dòng)機(jī)定子自動(dòng)疊片機(jī)的設(shè)計(jì)與三維實(shí)體建模

2.1 疊片機(jī)總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)硅鋼片疊加過(guò)程及其特點(diǎn)，設(shè)計(jì)疊片機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括硅鋼片疊加臺(tái)、備料機(jī)構(gòu)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)3個(gè)組成部分。

硅鋼片疊加臺(tái)用于放置疊加后的硅鋼片，包括硅鋼片臺(tái)和疊加胎轉(zhuǎn)動(dòng)體兩個(gè)部分。其中硅鋼片臺(tái)由固定硅鋼片臺(tái)和移動(dòng)硅鋼片臺(tái)組成，固定硅鋼片臺(tái)由支架支撐，支架另一端固定在支架絲桿螺母上，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)支架絲桿螺母從而帶動(dòng)硅鋼片臺(tái)上下移動(dòng)，疊片完成后，將硅鋼片和移動(dòng)硅鋼片臺(tái)一同移走進(jìn)行后續(xù)工步。疊加胎轉(zhuǎn)動(dòng)體包括疊加胎、豎向設(shè)置的多個(gè)硅鋼片導(dǎo)向桿和疊加胎底座。

備料機(jī)構(gòu)共有3個(gè)，均勻地分布在硅鋼片疊加臺(tái)四周，備料機(jī)構(gòu)由標(biāo)號(hào)2～16的部件組成。備料鏈輪由鏈條驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)備料絲桿螺母軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)絲桿和托盤(pán)移動(dòng)。其中氣缸采用FESTO公司生產(chǎn)的擺動(dòng)/直線(xiàn)DSL－25－80－270－P－A－S2－KF－B型氣缸(如圖4所示)，其直線(xiàn)行程80 mm，擺角270°。該型號(hào)氣缸重復(fù)精度高，可以精確設(shè)定擺角，通過(guò)法蘭安裝在支撐座上。橡膠吸盤(pán)通過(guò)氣缸的直線(xiàn)及擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)完成吸取和放置硅鋼片的過(guò)程。

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、齒輪、鏈輪和鏈條組成，電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪和鏈條傳動(dòng)，帶動(dòng)硅鋼片臺(tái)上下移動(dòng)，疊加胎轉(zhuǎn)動(dòng)體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和備料托盤(pán)上下移動(dòng)，通過(guò)1臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)3個(gè)部件的動(dòng)作，減小了疊片機(jī)的空間，節(jié)約了制造成本。

2.2 疊片機(jī)工作過(guò)程

根據(jù)手工疊加硅鋼片過(guò)程與疊片機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，疊片機(jī)的工作過(guò)程如下:

(1)按照硅鋼片疊加要求將硅鋼片毛刺朝下放置在托盤(pán)上，通過(guò)硅鋼片定位桿將硅鋼片定位，此時(shí)硅鋼片和移動(dòng)硅鋼片臺(tái)等高。

(2)氣缸通過(guò)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)橡膠吸盤(pán)向下移動(dòng)吸取托盤(pán)上的一個(gè)硅鋼片后，氣缸帶動(dòng)吸盤(pán)向上移動(dòng)，完成吸取硅鋼片的過(guò)程。

(3)氣缸通過(guò)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)橡膠吸盤(pán)旋轉(zhuǎn)180°并向下移動(dòng)后，吸盤(pán)將硅鋼片放置在移動(dòng)硅鋼片臺(tái)上，完成放置硅鋼片的過(guò)程。同時(shí)，吸盤(pán)固定架另一側(cè)的橡膠吸盤(pán)吸取托盤(pán)上的另一個(gè)硅鋼片后，氣缸帶動(dòng)吸盤(pán)向上移動(dòng)。放置硅鋼片的同時(shí)完成第二次吸取硅鋼片的過(guò)程。

(4)橡膠吸盤(pán)吸取硅鋼片向上移動(dòng)的同時(shí)，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)疊加胎轉(zhuǎn)動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)60°，硅鋼片臺(tái)下降一定高度，托盤(pán)上升一定高度。

(5)氣缸帶動(dòng)橡膠吸盤(pán)旋轉(zhuǎn)180°后向下移動(dòng)，將硅鋼片放在移動(dòng)硅鋼片臺(tái)上，完成第二次放置硅鋼片的過(guò)程。同時(shí)，橡膠吸盤(pán)吸取下一個(gè)硅鋼片，氣缸帶動(dòng)吸盤(pán)向上移動(dòng)，完成第三次吸取硅鋼片的過(guò)程。

(6)橡膠吸盤(pán)吸取硅鋼片向上移動(dòng)的同時(shí)，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)疊加胎轉(zhuǎn)動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)30°，硅鋼片臺(tái)下降一定高度，托盤(pán)上升一定高度。

(7)重復(fù)步驟3～6，直至疊加到所需高度后停機(jī)，即完成了硅鋼片的自動(dòng)疊加過(guò)程。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

疊片機(jī)傳動(dòng)路線(xiàn)圖如圖6所示。根據(jù)疊片機(jī)工作過(guò)程，可以確定3條傳動(dòng)路線(xiàn):

(1)疊加胎轉(zhuǎn)動(dòng)體的傳動(dòng)路線(xiàn)，2→4，傳動(dòng)比

(2)硅鋼片臺(tái)的傳動(dòng)路線(xiàn)，1→3，傳動(dòng)比

(3)備料機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)路線(xiàn)，2→5→6→7，傳動(dòng)比

電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角度θ，帶動(dòng)齒輪軸及齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)硅鋼片臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°后，硅鋼片臺(tái)下降一個(gè)硅鋼片厚度a，備料機(jī)構(gòu)上升一個(gè)硅鋼片厚度a。根據(jù)以上關(guān)系可以得出如下計(jì)算公式:

其中:P1、P2分別為硅鋼片臺(tái)和備料機(jī)構(gòu)處的絲杠螺距。

各齒輪模數(shù)取為m=2.5 mm，為了使齒輪相互嚙合，根據(jù)幾何關(guān)系有:

硅鋼片厚度a=0.5 mm，取絲杠螺距P1=10 mm，P2=8 mm。

由上述約束條件及計(jì)算公式可得各齒輪齒數(shù)如下:

Z1=18，Z2=20，Z3=18，Z4=16，Z5=16，Z6=30，Z7=60

選取具有以上參數(shù)的齒輪與絲桿，即可實(shí)現(xiàn)硅鋼片臺(tái)、疊加胎轉(zhuǎn)動(dòng)體和備料托盤(pán)的同時(shí)動(dòng)作。

2.4 疊片機(jī)三維實(shí)體建模

疊片機(jī)工作過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)氣缸帶動(dòng)橡膠吸盤(pán)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)、疊片臺(tái)的上下移動(dòng)、疊加胎轉(zhuǎn)動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)和備料托盤(pán)的上下移動(dòng)等動(dòng)作，同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，平面圖難以檢查其結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)的干涉和運(yùn)動(dòng)過(guò)程的正確性。本文使用Solidworks軟件強(qiáng)大的三維實(shí)體建模、裝配和運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)疊片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立三維實(shí)體如圖7所示。

建模后對(duì)疊片機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，不存在干涉情況。

3 電動(dòng)機(jī)定子自動(dòng)疊片機(jī)控制系統(tǒng)研究

本文采用基于PC+PLC的主從式控制結(jié)構(gòu)，建立了電動(dòng)機(jī)和氣缸動(dòng)作的匹配關(guān)系，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)形成閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的精確動(dòng)作。整個(gè)控制系統(tǒng)的主要組成部分有:上位計(jì)算機(jī)(PC)、PLC模塊、執(zhí)行元件(伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)和氣缸)、被控對(duì)象(硅鋼片臺(tái)、疊加胎轉(zhuǎn)動(dòng)體、3個(gè)備料機(jī)構(gòu)和橡膠吸盤(pán))以及用于它們之間傳輸數(shù)據(jù)的線(xiàn)纜［2］。

根據(jù)疊片機(jī)的工作過(guò)程，在加工過(guò)程中只需要硅鋼片臺(tái)、疊加胎轉(zhuǎn)動(dòng)體、備料托盤(pán)和橡膠吸盤(pán)同時(shí)動(dòng)作，通過(guò)其動(dòng)作的嚴(yán)格匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)硅鋼片的精確疊加。各部分的動(dòng)作順序如表1所示，疊片機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，氣缸帶動(dòng)橡膠吸盤(pán)吸取硅鋼片，然后疊片機(jī)不斷重復(fù)過(guò)程一與過(guò)程二，直至疊片結(jié)束。

表1 疊片機(jī)各部件動(dòng)作順序表

疊片機(jī)工作時(shí)，首先由上位PC機(jī)發(fā)送控制指令到PLC，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)氣缸來(lái)控制橡膠吸盤(pán)的動(dòng)作，并將電動(dòng)機(jī)和氣缸的狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋回PLC，進(jìn)而顯示在操作界面上，最終實(shí)現(xiàn)理想的聯(lián)動(dòng)控制。PLC控制系統(tǒng)流程框圖如圖8所示。

4 電動(dòng)機(jī)定子自動(dòng)疊片機(jī)工作實(shí)例

下面列舉工作實(shí)例說(shuō)明疊片機(jī)的效果。

電動(dòng)機(jī)定子硅鋼片基本參數(shù)如下:定子中心高H=280 mm，硅鋼片外徑D1=445 mm，硅鋼片內(nèi)徑D2=300 mm，厚度s=0.5 mm，疊壓系數(shù)為0.98。

電動(dòng)機(jī)定子疊片層數(shù)L=H/s=280/0.5=560層，疊片機(jī)由1個(gè)工人操作，在3個(gè)備料機(jī)構(gòu)上放置硅鋼片的時(shí)間為180 s。由表1可知，在疊片機(jī)工作過(guò)程中，開(kāi)始?xì)飧讕?dòng)橡膠吸盤(pán)吸取硅鋼片及結(jié)束放置硅鋼片的時(shí)間可以忽略不計(jì)，過(guò)程一和過(guò)程二所用時(shí)間分別為2 s。所以疊片機(jī)疊加一層所用時(shí)間為4 s，疊片機(jī)的疊片時(shí)間為2 240 s，完成一個(gè)定子硅鋼片的疊加，共用去2 420 s(約0.7 h)。而根據(jù)某電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)一個(gè)中心高為280 mm的電動(dòng)機(jī)定子，需要2個(gè)熟練的操作工人手工疊加4 h。

由以上比較可知，電動(dòng)機(jī)定子自動(dòng)疊片機(jī)的使用，不但降低了人力成本，而且大幅度提高了電動(dòng)機(jī)定子的生產(chǎn)效率，從而降低了生產(chǎn)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)電動(dòng)機(jī)定子生產(chǎn)現(xiàn)狀，結(jié)合硅鋼片疊加過(guò)程及特點(diǎn)，提出了電動(dòng)機(jī)定子自動(dòng)疊片機(jī)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)硅鋼片臺(tái)、疊加胎轉(zhuǎn)動(dòng)體、3個(gè)備料機(jī)構(gòu)和氣缸之間的相互動(dòng)作配合完成自動(dòng)疊片過(guò)程。其中氣缸采用FESTO公司生產(chǎn)的擺動(dòng)/直線(xiàn)型氣缸，可以準(zhǔn)確并且快速地完成直線(xiàn)及擺動(dòng)動(dòng)作，從而帶動(dòng)橡膠吸盤(pán)完成吸取和放置硅鋼片的過(guò)程，大大提高了疊片的效率和精確度。同時(shí)，通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的研究，應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)了各個(gè)部件工作過(guò)程的同步控制，使得系統(tǒng)反饋及時(shí)，并提高了系統(tǒng)的可操作性。對(duì)電動(dòng)機(jī)定子自動(dòng)疊片機(jī)的開(kāi)發(fā)和研制，為以后定子生產(chǎn)的高效率和高品質(zhì)提供了可靠保證。

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