電動機(jī)定子自動疊片機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)研究*

王時龍 魏宏宇 周 杰 易力力

(重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實驗室，重慶 400044)

定轉(zhuǎn)子和鐵心是電動機(jī)的核心部件，其制造成本約占電動機(jī)總制造成本的30% ～40%［1］。因此，降低電動機(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機(jī)的制造成本。

電動機(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，國內(nèi)電動機(jī)廠家生產(chǎn)電動機(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，經(jīng)常出現(xiàn)疊加錯誤的情況。以上原因?qū)е码妱訖C(jī)定子的生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低、錯誤率高。

針對上述問題，設(shè)計了一種電動機(jī)定子自動疊片機(jī)，包括硅鋼片疊加臺、備料機(jī)構(gòu)和動力傳動系統(tǒng)3大部分。實現(xiàn)了硅鋼片疊加的機(jī)械化和自動化，大大降低了疊片的人力成本，提高了疊片的效率和精確度，從而降低了電動機(jī)定子的生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品合格率。

1 電動機(jī)定子硅鋼片疊加過程

國內(nèi)電動機(jī)定子的生產(chǎn)均是通過工人手工進(jìn)行硅鋼片的疊加，硅鋼片疊加示意圖如圖2所示，具體的疊加過程如下:

(1)將疊加工裝放在水平臺上，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，疊片時應(yīng)該一次兩片互相錯開疊加。

(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)平臺上，用液壓機(jī)壓緊。

(5)壓緊后用鋼板尺測量鐵心高度，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算高度和實際疊加高度的比值)不小于0.98。硅鋼片疊加厚度從65～460 mm不等。

2 電動機(jī)定子自動疊片機(jī)的設(shè)計與三維實體建模

2.1 疊片機(jī)總體設(shè)計方案

根據(jù)硅鋼片疊加過程及其特點(diǎn)，設(shè)計疊片機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括硅鋼片疊加臺、備料機(jī)構(gòu)和動力傳動系統(tǒng)3個組成部分。

硅鋼片疊加臺用于放置疊加后的硅鋼片，包括硅鋼片臺和疊加胎轉(zhuǎn)動體兩個部分。其中硅鋼片臺由固定硅鋼片臺和移動硅鋼片臺組成，固定硅鋼片臺由支架支撐，支架另一端固定在支架絲桿螺母上，主軸轉(zhuǎn)動時帶動支架絲桿螺母從而帶動硅鋼片臺上下移動，疊片完成后，將硅鋼片和移動硅鋼片臺一同移走進(jìn)行后續(xù)工步。疊加胎轉(zhuǎn)動體包括疊加胎、豎向設(shè)置的多個硅鋼片導(dǎo)向桿和疊加胎底座。

備料機(jī)構(gòu)共有3個，均勻地分布在硅鋼片疊加臺四周，備料機(jī)構(gòu)由標(biāo)號2～16的部件組成。備料鏈輪由鏈條驅(qū)動帶動備料絲桿螺母軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動絲桿和托盤移動。其中氣缸采用FESTO公司生產(chǎn)的擺動/直線DSL－25－80－270－P－A－S2－KF－B型氣缸(如圖4所示)，其直線行程80 mm，擺角270°。該型號氣缸重復(fù)精度高，可以精確設(shè)定擺角，通過法蘭安裝在支撐座上。橡膠吸盤通過氣缸的直線及擺動運(yùn)動完成吸取和放置硅鋼片的過程。

動力傳動系統(tǒng)簡圖如圖5所示。動力傳動系統(tǒng)由電動機(jī)、齒輪、鏈輪和鏈條組成，電動機(jī)通過齒輪和鏈條傳動，帶動硅鋼片臺上下移動，疊加胎轉(zhuǎn)動體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和備料托盤上下移動，通過1臺電動機(jī)帶動3個部件的動作，減小了疊片機(jī)的空間，節(jié)約了制造成本。

2.2 疊片機(jī)工作過程

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

(1)按照硅鋼片疊加要求將硅鋼片毛刺朝下放置在托盤上，通過硅鋼片定位桿將硅鋼片定位，此時硅鋼片和移動硅鋼片臺等高。

(2)氣缸通過直線運(yùn)動帶動橡膠吸盤向下移動吸取托盤上的一個硅鋼片后，氣缸帶動吸盤向上移動，完成吸取硅鋼片的過程。

(3)氣缸通過擺動運(yùn)動帶動橡膠吸盤旋轉(zhuǎn)180°并向下移動后，吸盤將硅鋼片放置在移動硅鋼片臺上，完成放置硅鋼片的過程。同時，吸盤固定架另一側(cè)的橡膠吸盤吸取托盤上的另一個硅鋼片后，氣缸帶動吸盤向上移動。放置硅鋼片的同時完成第二次吸取硅鋼片的過程。

(4)橡膠吸盤吸取硅鋼片向上移動的同時，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動疊加胎轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)動60°，硅鋼片臺下降一定高度，托盤上升一定高度。

(5)氣缸帶動橡膠吸盤旋轉(zhuǎn)180°后向下移動，將硅鋼片放在移動硅鋼片臺上，完成第二次放置硅鋼片的過程。同時，橡膠吸盤吸取下一個硅鋼片，氣缸帶動吸盤向上移動，完成第三次吸取硅鋼片的過程。

(6)橡膠吸盤吸取硅鋼片向上移動的同時，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動疊加胎轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)動30°，硅鋼片臺下降一定高度，托盤上升一定高度。

(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疊加過程。

2.3 傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

疊片機(jī)傳動路線圖如圖6所示。根據(jù)疊片機(jī)工作過程，可以確定3條傳動路線:

(1)疊加胎轉(zhuǎn)動體的傳動路線，2→4，傳動比

(2)硅鋼片臺的傳動路線，1→3，傳動比

(3)備料機(jī)構(gòu)的傳動路線，2→5→6→7，傳動比

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

其中:P1、P2分別為硅鋼片臺和備料機(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，即可實現(xiàn)硅鋼片臺、疊加胎轉(zhuǎn)動體和備料托盤的同時動作。

2.4 疊片機(jī)三維實體建模

疊片機(jī)工作過程中，要實現(xiàn)氣缸帶動橡膠吸盤的直線運(yùn)動和擺動、疊片臺的上下移動、疊加胎轉(zhuǎn)動體的旋轉(zhuǎn)和備料托盤的上下移動等動作，同時由于其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，平面圖難以檢查其結(jié)構(gòu)、運(yùn)動的干涉和運(yùn)動過程的正確性。本文使用Solidworks軟件強(qiáng)大的三維實體建模、裝配和運(yùn)動仿真模塊對疊片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，建立三維實體如圖7所示。

建模后對疊片機(jī)工作過程進(jìn)行運(yùn)動仿真，不存在干涉情況。

3 電動機(jī)定子自動疊片機(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)，建立了電動機(jī)和氣缸動作的匹配關(guān)系，通過伺服驅(qū)動器和伺服電動機(jī)形成閉環(huán)系統(tǒng)來控制電動機(jī)的精確動作。整個控制系統(tǒng)的主要組成部分有:上位計算機(jī)(PC)、PLC模塊、執(zhí)行元件(伺服驅(qū)動器、伺服電動機(jī)和氣缸)、被控對象(硅鋼片臺、疊加胎轉(zhuǎn)動體、3個備料機(jī)構(gòu)和橡膠吸盤)以及用于它們之間傳輸數(shù)據(jù)的線纜［2］。

根據(jù)疊片機(jī)的工作過程，在加工過程中只需要硅鋼片臺、疊加胎轉(zhuǎn)動體、備料托盤和橡膠吸盤同時動作，通過其動作的嚴(yán)格匹配來實現(xiàn)硅鋼片的精確疊加。各部分的動作順序如表1所示，疊片機(jī)開始工作時，氣缸帶動橡膠吸盤吸取硅鋼片，然后疊片機(jī)不斷重復(fù)過程一與過程二，直至疊片結(jié)束。

表1 疊片機(jī)各部件動作順序表

疊片機(jī)工作時，首先由上位PC機(jī)發(fā)送控制指令到PLC，通過伺服驅(qū)動器來控制伺服電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過氣缸來控制橡膠吸盤的動作，并將電動機(jī)和氣缸的狀態(tài)實時反饋回PLC，進(jìn)而顯示在操作界面上，最終實現(xiàn)理想的聯(lián)動控制。PLC控制系統(tǒng)流程框圖如圖8所示。

4 電動機(jī)定子自動疊片機(jī)工作實例

下面列舉工作實例說明疊片機(jī)的效果。

電動機(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。

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

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

5 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)電動機(jī)定子生產(chǎn)現(xiàn)狀，結(jié)合硅鋼片疊加過程及特點(diǎn)，提出了電動機(jī)定子自動疊片機(jī)設(shè)計方案。通過硅鋼片臺、疊加胎轉(zhuǎn)動體、3個備料機(jī)構(gòu)和氣缸之間的相互動作配合完成自動疊片過程。其中氣缸采用FESTO公司生產(chǎn)的擺動/直線型氣缸，可以準(zhǔn)確并且快速地完成直線及擺動動作，從而帶動橡膠吸盤完成吸取和放置硅鋼片的過程，大大提高了疊片的效率和精確度。同時，通過對控制系統(tǒng)的研究，應(yīng)用PLC實現(xiàn)了各個部件工作過程的同步控制，使得系統(tǒng)反饋及時，并提高了系統(tǒng)的可操作性。對電動機(jī)定子自動疊片機(jī)的開發(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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