金思磊，管功湖，吳飛遠(yuǎn)，袁懷鈺，蔡遠(yuǎn)濤

(臺(tái)州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，臨海 317000)

0 引 言

直流起動(dòng)機(jī)主要分為串勵(lì)式起動(dòng)機(jī)和永磁起動(dòng)機(jī)兩類(lèi)，隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車(chē)起動(dòng)機(jī)的需求量越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的起動(dòng)機(jī)主要供應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)以及國(guó)外的汽車(chē)維修市場(chǎng)。永磁起動(dòng)機(jī)是用永磁材料作為磁極，取消了串勵(lì)式起動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組和磁極鐵心，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、節(jié)省金屬材料、可靠性高、有利于換向等優(yōu)點(diǎn)[1]。進(jìn)一步的研究表明，利用增加輔助磁極的方法，可以加大永磁起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩，改善永磁起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性[2-4]。帶輔助磁極的永磁起動(dòng)機(jī)，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)起動(dòng)機(jī)中。文獻(xiàn)[5-8]給出了各種類(lèi)型的帶輔助磁極的永磁起動(dòng)機(jī)實(shí)用新型專(zhuān)利。

永磁起動(dòng)機(jī)定子由機(jī)殼和多對(duì)磁極構(gòu)成，其中每個(gè)磁極又由主磁極和輔助磁極組成。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，需把輔助磁極按規(guī)定角度均勻焊接在機(jī)殼內(nèi)，然后通過(guò)固定卡片把主磁極固定在輔助磁極之間。手工焊接輔助磁極往往造成分度不準(zhǔn)，焊接位置存在偏差，這會(huì)引起下一道工序安裝主磁極時(shí)裝配困難，同時(shí)生產(chǎn)效率降低。根據(jù)永磁起動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)和輔助磁極的焊接工藝要求，本文研制永磁起動(dòng)機(jī)輔助磁極自動(dòng)焊接設(shè)備，同時(shí)充分利用可編程邏輯控制器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PLC)強(qiáng)大的控制功能，采用觸摸屏作為人機(jī)界面，其交互良好，用戶使用簡(jiǎn)單方便，以伺服系統(tǒng)作為分度控制，采用中頻焊接電源。實(shí)現(xiàn)輔助磁極自動(dòng)焊接、手動(dòng)焊接、補(bǔ)焊及故障自動(dòng)報(bào)警等功能。與手工焊接相比，自動(dòng)焊接分度精度高，焊接偏差小，焊接質(zhì)量高，同時(shí)可進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

1 自動(dòng)焊接設(shè)備組成與工作原理

1.1 永磁起動(dòng)機(jī)定子組成

永磁起動(dòng)機(jī)定子，如圖1所示，由4條主磁極和4條輔助磁極組成，主磁極采用永磁材料制成，輔助磁極則用高導(dǎo)磁材料，如10號(hào)鋼。磁極在機(jī)殼內(nèi)均勻分布，相對(duì)于電樞旋轉(zhuǎn)方向，輔助磁極在前，主磁極在后，電樞只能單向旋轉(zhuǎn)。

圖1 永磁起動(dòng)機(jī)定子組成

以大缺口中心線為基準(zhǔn)，逆時(shí)針7.5°為第1條輔助磁極的位置，此位置可作為原點(diǎn)，然后每隔90°焊接1條輔助磁極，把4條輔助磁極均分焊接在機(jī)殼上。然后用固定卡片把主磁極固定在兩條輔助磁極之間。

1.2 設(shè)備組成與工作原理

研制的輔助磁極自動(dòng)焊接設(shè)備，如圖2所示，主要由送殼和分度機(jī)構(gòu)、送輔條機(jī)構(gòu)、加壓機(jī)構(gòu)、抬殼機(jī)構(gòu)、中頻焊接機(jī)構(gòu)和控制柜等組成。采用氣缸作為各部分機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件。

圖2 輔助磁極自動(dòng)焊接設(shè)備

輔助磁極自動(dòng)焊接設(shè)備工作原理：開(kāi)機(jī)時(shí)，通過(guò)原點(diǎn)找準(zhǔn)接近開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)回原點(diǎn)，確定首條輔助磁極的位置；放上機(jī)殼，按下起動(dòng)按鈕，送機(jī)殼氣缸工作，由送殼機(jī)構(gòu)完成送機(jī)殼過(guò)程；同時(shí)送輔條氣缸工作，由送輔條機(jī)構(gòu)完成送輔條過(guò)程；接著加壓氣缸和抬殼氣缸配合工作，完成機(jī)殼的下壓和中頻焊接機(jī)構(gòu)的加壓過(guò)程，確保機(jī)殼和輔條緊密接觸；然后接通中頻焊接電源進(jìn)行焊接，完成焊接后，加壓氣缸和抬殼氣缸復(fù)位，由伺服分度控制機(jī)殼旋轉(zhuǎn)，確定第2根輔助磁極的位置；繼續(xù)上述的工作過(guò)程，直到4條輔助磁極焊接完成，退機(jī)殼，自動(dòng)回原點(diǎn)，準(zhǔn)備下一個(gè)機(jī)殼的焊接。也可手動(dòng)分步實(shí)現(xiàn)上述的工作過(guò)程，同時(shí)通過(guò)設(shè)置氣缸行程限位開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)報(bào)警功能。如有輔助磁極在自動(dòng)焊接過(guò)程中沒(méi)有焊牢的情況，可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)條功能。

2 PLC控制電路設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制電路組成

根據(jù)輔助磁極自動(dòng)焊接設(shè)備的工作原理，設(shè)計(jì)的PLC控制電路如圖3所示?？刂齐娐芬訮LC為控制核心，采用觸摸屏作為人機(jī)界面，以伺服系統(tǒng)作為分度控制，同時(shí)采用中頻焊接電源。因采用中頻逆變電阻點(diǎn)焊技術(shù)[9-10]，利用直流進(jìn)行焊接，和工頻交流焊接相比，可以提高焊接質(zhì)量。

圖3 PLC控制電路組成

主要控制單元選擇信捷的XC3系列PLC、觸摸屏、DS2系列伺服控制器和配套的伺服電機(jī)。

2.2 伺服分度參數(shù)計(jì)算與設(shè)置

伺服驅(qū)動(dòng)器選擇位置控制方式，伺服分度采用減速比為10∶1的行星減速機(jī)進(jìn)行減速。設(shè)電機(jī)軸與負(fù)載軸的機(jī)械減速比為m/n，即伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)m圈，負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)n圈，則可以由下式求出電子齒輪比的設(shè)定值：

電子齒輪比=B/A=(編碼器脈沖數(shù)×4)÷

負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)1圈的指令量×(m/n)

當(dāng)指令單位選擇0.01°時(shí)，負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)1圈的指令量為360÷0.01=36 000。電子齒輪比計(jì)算：

B/A=(2 500×4)/(360÷0.01)×10=25/9

根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器的使用說(shuō)明書(shū)，設(shè)置運(yùn)行模式： P0-01=6，6為“位置控制(外部脈沖列指令)模式”，即利用脈沖列位置指令控制伺服電機(jī)的位置，也就是利用輸入脈沖數(shù)控制位置，輸入脈沖的頻率控制速度。

設(shè)置指令脈沖形態(tài)： P2-00=2，2為“符號(hào)+脈沖列輸入(DIR+PUL信號(hào))”。

設(shè)置電子齒輪比： P2-02=25，P2-03=9，電子齒輪比分子為25，分母為9。

設(shè)置S-ON信號(hào)設(shè)置： P5-10=0010，將伺服使能信號(hào)設(shè)定為始終“有效”。無(wú)需外部輸入信號(hào)，伺服一直處于通電狀態(tài)。

通過(guò)以上參數(shù)設(shè)置后，對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行初步調(diào)試，包括開(kāi)環(huán)試運(yùn)行、點(diǎn)動(dòng)試運(yùn)行、電流檢測(cè)偏移量自動(dòng)調(diào)整等。然后將電機(jī)與機(jī)械結(jié)合調(diào)試，最后結(jié)合PLC的控制程序進(jìn)行動(dòng)作調(diào)試。

3 PLC控制軟件設(shè)計(jì)

PLC控制軟件設(shè)計(jì)時(shí)先進(jìn)行存儲(chǔ)單元的合理分配，用以保存相關(guān)的控制參數(shù)，然后進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)和梯形圖設(shè)計(jì)。

3.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

采用觸摸屏作為人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單，方便用戶使用。觸摸屏控制界面包括手動(dòng)畫(huà)面和設(shè)置畫(huà)面。

手動(dòng)畫(huà)面如圖4所示，由功能按鈕、指示燈、報(bào)警及焊接數(shù)量顯示等組成。通過(guò)該界面可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作，完成手動(dòng)焊接過(guò)程。通過(guò)“補(bǔ)條1”到“補(bǔ)條4”按鈕可對(duì)沒(méi)有焊牢的輔助磁極進(jìn)行補(bǔ)焊。同時(shí)設(shè)置焊接指示燈、報(bào)警指示燈、焊接數(shù)量顯示及已焊接數(shù)量顯示等。

圖4 手動(dòng)畫(huà)面

設(shè)置畫(huà)面主要對(duì)加壓時(shí)間、抬殼時(shí)間、焊接時(shí)間、微調(diào)角度、輔條數(shù)量、旋轉(zhuǎn)速度及回原點(diǎn)速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.2 梯形圖設(shè)計(jì)

梯形圖設(shè)計(jì)采取順序控制設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法。梯形圖設(shè)計(jì)主要采用流程控制，不僅可以較好地實(shí)現(xiàn)順序控制，同時(shí)可以解決PLC同一脈沖輸出端口不能用多條脈沖輸出指令的問(wèn)題。PLC控制程序的流程圖如圖5所示。流程主要包括回原點(diǎn)流程S0、手動(dòng)流程S1、補(bǔ)條流程S2、自動(dòng)流程S3、正反轉(zhuǎn)流程S4和微調(diào)角度流程S5。

圖5 控制程序的流程圖

開(kāi)機(jī)上電時(shí)，首先進(jìn)行初始化，接著執(zhí)行回原點(diǎn)流程S0，控制伺服電機(jī)自動(dòng)回原點(diǎn)，然后觸摸屏顯示“手動(dòng)畫(huà)面”。當(dāng)按下右下角的“下一頁(yè)”按鈕，進(jìn)入“設(shè)置畫(huà)面”，可對(duì)加壓時(shí)間、抬殼時(shí)間、焊接時(shí)間、微調(diào)角度、輔條數(shù)量、旋轉(zhuǎn)速度及回原點(diǎn)速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在“手動(dòng)畫(huà)面”直接按下“起動(dòng)”按鈕時(shí)，進(jìn)入自動(dòng)流程S3，即自動(dòng)完成4根輔條的焊接。當(dāng)“手動(dòng)畫(huà)面”中有手動(dòng)按鈕按下時(shí)，進(jìn)入手動(dòng)流程S1，按“送機(jī)殼→送輔條→加壓→焊接→抬殼→旋轉(zhuǎn)”順序手動(dòng)完成輔條的焊接。如需補(bǔ)焊輔助磁極時(shí)，可按下“補(bǔ)條1”至“補(bǔ)條4”按鈕，進(jìn)入補(bǔ)條流程S2。同時(shí)在運(yùn)行過(guò)程中設(shè)置了故障自動(dòng)報(bào)警，如回原點(diǎn)故障、送殼故障、送輔條故障等。

4 實(shí) 驗(yàn)

研制的輔助磁極自動(dòng)焊接設(shè)備經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試和調(diào)試后，焊接輔條后的定子實(shí)物如圖6所示。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，第1條輔條的位置、輔條間的分度尺寸及輔條的垂直度等完全符合實(shí)際生產(chǎn)要求，同時(shí)焊接強(qiáng)度好，可靠性高。

圖6 焊接輔條的定子

輔助磁極原點(diǎn)和分度數(shù)據(jù)如表1所示。隨機(jī)抽取5個(gè)焊接好的定子，利用七海Eagle-MD 3020半自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。

表1 輔條原點(diǎn)和分度測(cè)量數(shù)據(jù) 單位：(°)

從表1中可知，原點(diǎn)位置角度偏大，可利用“設(shè)置畫(huà)面”中的“微調(diào)角度”進(jìn)一步調(diào)整。輔助磁極的分度數(shù)在±0.5°以內(nèi)，能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求。由于定子外殼的缺口和輔助磁極都是沖壓而成的，沖壓過(guò)程使得外殼缺口處圓弧和輔助磁極邊緣變形，從而造成測(cè)量時(shí)的誤差，同時(shí)七海Eagle-MD 3020半自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x需要手工參與，也會(huì)造成人為因素引起的一些誤差。

5 結(jié) 語(yǔ)

研制的永磁起動(dòng)機(jī)輔助磁極自動(dòng)焊接設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)回原點(diǎn)、自動(dòng)焊接、手動(dòng)焊接、補(bǔ)條及故障自動(dòng)報(bào)警的功能。經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

采用觸摸屏控制界面，具有良好的人機(jī)交互；采用中頻焊接電源，提高焊接質(zhì)量；采用伺服系統(tǒng)，分度準(zhǔn)確，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。但輔條的上料目前采用手動(dòng)方式，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)振動(dòng)式的自動(dòng)上料。