朱海燕, 張今朝, 鄔偉奇, 雷曉鈞

(1. 嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 浙江 嘉興 314001； 2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所, 浙江 嘉興 314001)

電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī)結(jié)構(gòu)與電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱海燕1, 張今朝1, 鄔偉奇2, 雷曉鈞1

(1. 嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 浙江 嘉興 314001； 2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所, 浙江 嘉興 314001)

針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子加工工藝質(zhì)量的要求,設(shè)計(jì)了一套小型轉(zhuǎn)子拋光機(jī)和電氣系統(tǒng)。該拋光機(jī)還增加了拋光倉(cāng)和除塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),消除了加工作業(yè)時(shí)對(duì)環(huán)境的污染,引用移動(dòng)夾具有效地保證了生產(chǎn)過程中的操作安全,最后給出PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程,為工程實(shí)踐作好充分準(zhǔn)備。

機(jī)械設(shè)計(jì)； 轉(zhuǎn)子拋光； 電氣控制

電機(jī)作為重要的電力傳動(dòng)核心部件,被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、電梯曳引及門機(jī)系統(tǒng)、生產(chǎn)制造自動(dòng)化流水線等領(lǐng)域。電能消耗中,電機(jī)的耗電量占全部工業(yè)用電的70%[1],因此,提高電機(jī)效率可以有效地節(jié)約電能。相同輸出功率條件下,高效電機(jī)能耗比普通電機(jī)減少20%～30%[2]。影響電機(jī)效率的因素之一是轉(zhuǎn)子的加工工藝[3]。生產(chǎn)過程中,由于澆鑄模具的接縫、制造過程的影響都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子表面凹凸不平,不僅會(huì)劃傷裝配人員,嚴(yán)重的會(huì)損壞定子繞組,引起漏電和掃膛等安全事故,也嚴(yán)重影響電機(jī)的使用效率[4]。

對(duì)轉(zhuǎn)子的打磨和拋光很大程度上保障了電機(jī)的使用壽命和使用效率。常見的轉(zhuǎn)子后期加工方式為車削和砂帶打磨方式[5]。車削適合于大多數(shù)圓形工件的形狀矯正和平衡校驗(yàn),但車削難以讓轉(zhuǎn)子加工至光滑,還容易產(chǎn)生不良件,誤差直接影響氣隙。砂帶打磨常見于大型的自動(dòng)化生產(chǎn)線,拋光碎屑會(huì)影響打磨砂帶,使打磨工作無法正常進(jìn)行[6-7]。

傳統(tǒng)的加工機(jī)械以人工操作簡(jiǎn)單機(jī)械為主,電氣控制由繼電器控制系統(tǒng)來完成。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,應(yīng)用在許多簡(jiǎn)單的機(jī)械設(shè)備中。缺點(diǎn)是靈活性差、邏輯能力低。另外連接線較多且復(fù)雜,可靠性較差。

針對(duì)以上問題,設(shè)計(jì)了一款三相異步電機(jī)鼠籠式轉(zhuǎn)子拋光機(jī)控制系統(tǒng),以提高電機(jī)轉(zhuǎn)子后期加工質(zhì)量為目的,在操作安全、環(huán)境保護(hù)、自動(dòng)化程度、產(chǎn)品優(yōu)良率控制等方面有了改善和提高。

1 拋光機(jī)結(jié)構(gòu)和功能分析

拋光機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由轉(zhuǎn)子夾具及滑軌、光幕及加工倉(cāng)門、拋光電機(jī)及拋光刷、拋光滑臺(tái)、拋光壓力調(diào)節(jié)設(shè)備、吸塵器、加工倉(cāng)門氣缸、電氣控制柜等附屬機(jī)構(gòu)(如各種開關(guān))等組成。

圖1 轉(zhuǎn)子拋光機(jī)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子拋光機(jī)工作原理如圖2所示。使用2個(gè)拋光輪(鋼絲輪)1對(duì)轉(zhuǎn)子上下集電環(huán)進(jìn)行拋光,拋光輪3沿著箭頭4指示的方向運(yùn)動(dòng),拋光輪3的移動(dòng)次數(shù)在觸摸屏中自定義。

圖2 轉(zhuǎn)子拋光機(jī)工作原理

鋼絲輪是該拋光機(jī)的重要部件,同時(shí)也是該拋光機(jī)的易耗品,鋼絲劃過時(shí),附著在金屬的雜質(zhì)被劃開一個(gè)小坑,鋼絲接著劃過被拋光部分,附著的雜質(zhì)就會(huì)被剝離。硅鋼片是沖壓成型的,有規(guī)整的外形尺寸和較為光滑的沖壓面。高速轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼絲輪削去大量的鋁,由于硅鋼片的保護(hù)作用,鋼絲只削去的突出的多余鋁。

拋光時(shí),首先需要人工將需要拋光的轉(zhuǎn)子放置于夾具上,然后,通過電氣控制滑軌將轉(zhuǎn)子送入加工倉(cāng)內(nèi),根據(jù)行程開關(guān)設(shè)置轉(zhuǎn)子拋光位置,調(diào)節(jié)拋光滑臺(tái),進(jìn)行拋光壓力調(diào)節(jié),啟動(dòng)拋光電機(jī),鋼絲輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)拋光刷進(jìn)行轉(zhuǎn)子外表面拋光。

拋光過程中,高速飛出的金屬可能刺傷作業(yè)員或者影響其他設(shè)備正常運(yùn)行。為了防止拋光雜物帶來的影響,拋光作業(yè)必須在拋光倉(cāng)(加工倉(cāng))中進(jìn)行,拋光倉(cāng)是一個(gè)帶門的空腔,門的作用是為夾具承載和轉(zhuǎn)子進(jìn)出。拋光作業(yè)時(shí),產(chǎn)生的金屬灰塵和大塊雜物被限制在拋光倉(cāng)中,大塊的雜物和堆積的金屬灰塵落到拋光倉(cāng)底部的廢料倉(cāng)中,漂浮在空氣中的小顆粒金屬灰塵隨著空氣進(jìn)入拋光倉(cāng)連接的吸塵器中[8]。拋光機(jī)配有一臺(tái)工業(yè)吸塵器,吸塵器為0.75 kW,處理風(fēng)速為800 m/s,該吸塵器將帶有金屬灰塵的氣體回收,經(jīng)過2次過濾后將干凈的氣體從頂部排出。小顆粒的金屬灰塵被集中做凈化處理,保證工作場(chǎng)所環(huán)境清潔。

該拋光機(jī)使用0.75 kW的四級(jí)電機(jī)作為拋光的動(dòng)力,電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 800 r/min,拋光輪直徑為18 cm,故線速度為8.4 m/s。

為了使拋光倉(cāng)有良好的安全保護(hù)作用,還需加上光幕來檢測(cè)被加工轉(zhuǎn)子的進(jìn)出,對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。基于上述原理設(shè)計(jì)的電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī),實(shí)物圖見圖3。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī)實(shí)物圖

2 電氣控制系統(tǒng)分析

一個(gè)完整的自動(dòng)化控制系統(tǒng)方案,不僅要充分考慮使用者對(duì)產(chǎn)品功能的需求,還要分析使用場(chǎng)合、干擾因素、操作、調(diào)試等方面的指標(biāo),以最穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)最方便的操作方式。針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī)結(jié)構(gòu)較多、各結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜且需要邏輯判斷的要求，該拋光機(jī)為半自動(dòng)拋光設(shè)備,拋光過程中需要人工參與上下料。拋光機(jī)的工作流程見圖4。

圖4 拋光機(jī)基本控制流程圖

拋光機(jī)的基本控制要求中,操作人員主要負(fù)責(zé)換裝被加工轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子裝夾后操作者只需要按下開始按鈕,拋光機(jī)就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行拋光任務(wù),拋光完成后將轉(zhuǎn)子退出,等待換料。拋光機(jī)的工作為單周期循環(huán)模式,單周期運(yùn)行結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)等待裝夾料,故該控制系統(tǒng)中無停止按鈕,但有急停按鈕對(duì)應(yīng)突發(fā)的事故。

為了減小意外情況帶來的傷害,拋光機(jī)中必須設(shè)有急停按鈕。急停按鈕設(shè)置在最易操作的地方,當(dāng)危險(xiǎn)發(fā)生時(shí),通過急停按鈕停止拋光機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),減小危險(xiǎn)造成的損失。急停按鈕是蘑菇頭按鈕,安裝后高于其他按鈕,避免了緊急情況時(shí)的誤操作,開關(guān)只需按下就會(huì)切斷電路,接通時(shí)需順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)大約45°后松開。為了增加系統(tǒng)可靠性和減少誤操作,系統(tǒng)的開始按鈕為雙重觸發(fā)串聯(lián)控制。只有當(dāng)兩個(gè)按鈕同時(shí)按下時(shí)才能啟動(dòng)程序,此方式減少了外界干擾造成的誤動(dòng)作。

3 電氣接線設(shè)計(jì)

根據(jù)拋光機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本控制要求繪出的電氣主接線圖見圖5。電氣控制主接線是設(shè)備的電源回路,主要為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源配置線路,主回路接線可以簡(jiǎn)單清晰地了解電氣的執(zhí)行元件、輸出容量和保護(hù)裝置等,電氣主接線是配置開關(guān)元件的重要參考。根據(jù)主回路接線和基本控制要求繪制控制部分回路圖。

圖6為電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī)控制回路接線圖?？刂齐娐方泳€圖是控制中心和各輸入輸出元件的耦合依據(jù),是制作控制電氣柜的重要依據(jù)。繪制控制回路接線圖需要充分考慮個(gè)元件的工作狀態(tài),電源電壓、輸出類型等方面的要求直接影響了控制的中間器件。信號(hào)電壓不同時(shí)可能需要添加中間繼電器；輸出電流不夠時(shí)需要中間繼電器；工作環(huán)境較差時(shí)需要固態(tài)繼電器；傳感器信號(hào)要共地等。控制回路接線圖中各線路應(yīng)有不重復(fù)的編號(hào),用于配置電氣控制柜的參考依據(jù)和檢修的標(biāo)準(zhǔn)。圖7為電氣控制柜制作情況。

4 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)PLC系統(tǒng)時(shí),需要注意“最佳配置”。本系統(tǒng)選擇了三菱Fx1s,其優(yōu)勢(shì)在于離散控制和運(yùn)動(dòng)控制[9-10],有豐富的控制指令,還有專門用于運(yùn)動(dòng)控制的定位指令,伺服和步進(jìn)控制方便實(shí)現(xiàn),三菱PLC可運(yùn)用在復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制中[11-13]。

通過對(duì)拋光機(jī)工作過程分析,確定PLC參數(shù)。輸入元件有按鈕、磁性開關(guān)、行程開關(guān)、光幕,無高速信號(hào),輸入元件無特殊要求。輸出元件有繼電器、接觸器、電磁閥和步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)使用脈沖法控制,需要高速輸出,選擇輸出類型時(shí)需要有高速脈沖輸出。涉及和觸摸屏的單一連接,觸摸屏的連接使用通信口,故需要有通信接口。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī)主接線圖

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī)控制回路接線圖

圖7 電氣控制柜接線

由于該拋光機(jī)屬于順序執(zhí)行機(jī)械,系統(tǒng)突然斷電會(huì)丟失PLC寄存器、計(jì)數(shù)器、軟元件的值。下次開機(jī)時(shí),PLC控制器將其內(nèi)部值重新定義,即為初始狀態(tài)。為了避免突然斷電對(duì)設(shè)備帶來的影響,該拋光機(jī)使用斷電保持功能。為了保證拋光機(jī)的使用安全和可靠性,在機(jī)器上電時(shí)需要將系統(tǒng)歸位,即判斷各部件是否在初始位置,若不在初始位置則將各部件歸位到最初位置。

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖見圖8。編寫程序要盡量滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性,滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性后要最大限度地簡(jiǎn)化程序,特別注意程序的安全保護(hù):急停裝置、互鎖保護(hù)、防誤操作等。

圖8 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

References)

[1] 張金富.國(guó)內(nèi)外電機(jī)系統(tǒng)能效標(biāo)準(zhǔn)的研究[J].機(jī)電技術(shù),2013(6):82-84.

[2] 趙光連,王龍生.高效節(jié)能電機(jī)節(jié)能效果分析及推廣前景[J].科技視界,2013(24):254.

[3] 杜勝寶, 周衛(wèi)東,周煥軍.基于曲軸專用機(jī)床的350 MW 電機(jī)轉(zhuǎn)子加工工藝[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào),2011,14(2):133-136.

[4] 耿友軍.淺談高溫高壓力屏蔽電機(jī)的制造工藝[J].上海大中型電機(jī),2013(2):7-9.

[5] 王敏.滾切刀在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子切削加工中的應(yīng)用[J].精密制造與自動(dòng)化,2011(2):53-54.

[6] 李洪有,李志新.銅條轉(zhuǎn)子外徑非切割加工工藝應(yīng)用[J].防爆電機(jī),2013(4):57-59.

[7] 劉玉斌.帶徑向通風(fēng)孔的鑄鋁轉(zhuǎn)子外圓車削方法的探討[J].機(jī)械制造,2013(4):43-44.

[8] 余盛兵,吳飛涯.拋光機(jī)吸塵罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].輕工機(jī)械,2013(6):78-83.

[9] 秦春斌,張繼偉.PLC基礎(chǔ)及運(yùn)用教程:三菱FX2N系列[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[10] 趙媛媛,陳啟明,丁惠忠.基于PLC的小型拋光機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì)與運(yùn)用,2014(7):277.

[11] 王亞進(jìn),沙健,李志梅.基于三菱PLC的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].機(jī)電工程技術(shù),2013,42(4):69-72.

[12] 楊良根.PLC在拋光機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)中的運(yùn)用[J].液壓與氣動(dòng),2011(4):47-49.

[13] 任德志,何思松,徐莉萍,等.基于PLC 的氣動(dòng)扣合機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2008(10):86-88.

Design of electrical system and structure for motor rotor polishing machine

Zhu Haiyan1, Zhang Jinzhao1, Wu Weiqi2, Lei Xiaojun1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering，Jiaxing University，Jiaxing 314001，China；2. Thirty-sixth Research Institute, China Electronic Technology Group Corporation，Jiaxing 314001，China)

Based on the requirements for the quality of processing technology of the motor rotor, a small polishing rotor machine and its electrical system are designed. In addition, a polishing chamber is added to this polishing machine, and a dust removing structure is designed so that the environmental pollution during the processing operation can be eliminated. A mobile clamp is introduced which can effectively ensure the operation safety in the production process. Finally, the design flow of PLC control system is presented in order to be fully prepared for the engineering practice.

mechanical design； rotor polishing； electrical control

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.022

2016-08-17 修改日期：2016-09-13

浙江省科技廳公益性項(xiàng)目(2015C31055)；浙江省教育廳項(xiàng)目(Y201534544)；嘉興市科技局項(xiàng)目(2014AY11007)

朱海燕(1971—)，女，安徽明光，學(xué)士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及設(shè)備管理研究.

E-mail：zjzb05@163.com

TM34

: A

: 1002-4956(2016)12-0085-05