硅鋼片柔性磁力分張方法研究

陸 犇，張澤民，朱曉軍

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

電機(jī)制造過程中需要將硅鋼片進(jìn)行裁剪，或直接沖制成圓形、環(huán)形或扇形等形狀，并進(jìn)行去毛涂漆等加工工序。工序間硅鋼片半成品需要按生產(chǎn)要求碼垛整齊，以便于下一道工序的運(yùn)輸和使用。隨著硅鋼片制造的智能化水平不斷提高,越來越多的沖剪和涂漆設(shè)備都采用機(jī)械手對(duì)硅鋼片進(jìn)行自動(dòng)上料[1]。為了防止因硅鋼片平整而造成片間真空吸附，從而產(chǎn)生多片硅鋼片同時(shí)被送入設(shè)備，造成設(shè)備報(bào)警、故障和停機(jī)的情況，一般需采用磁性分張裝置，利用磁鐵在各層硅鋼片中形成磁路，達(dá)到表面幾張硅鋼片之間同性相斥,分離出首張的硅鋼片的作用[2]。

傳統(tǒng)的磁性分張裝置多采用機(jī)械硬連接方式，對(duì)于產(chǎn)品種類較多的情況，切換調(diào)整較為復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。同時(shí)，因硅鋼片與磁性分張裝置之間存在間隙，在復(fù)雜的工作環(huán)境中，由于前一片硅鋼片上料時(shí)產(chǎn)生的摩擦、輕微撞擊等原因，易造成后一片甚至多片硅鋼片位置走動(dòng)的問題。對(duì)于精度要求較高的自動(dòng)化沖剪和涂漆設(shè)備來說，微小的位移都會(huì)造成設(shè)備不穩(wěn)定，頻繁報(bào)警和故障，甚至發(fā)生設(shè)備安全質(zhì)量事故。因此亟需研究一種具有高柔性、自適應(yīng)的磁性分張裝置，以適應(yīng)產(chǎn)品種類切換頻繁生產(chǎn)線。

1 磁力分張?jiān)?/h2>

當(dāng)磁性材料靠近磁鐵時(shí)會(huì)被磁化，被磁化的材料具有相同的、且與靠近磁極相反的磁性，磁力分張就是利用了這種原理。將磁鐵的N極或S極靠近一疊碼垛整體的硅鋼片，硅鋼片被磁化且具有相同磁性，相互排斥。當(dāng)排斥力大小足以克服硅鋼片重量、相鄰硅鋼片之間的真空吸附力和磁鐵對(duì)硅鋼片產(chǎn)生的反作用力時(shí)，就會(huì)在片與片之間產(chǎn)生一定間隙，從而避免機(jī)械手抓片時(shí)誤取兩張的現(xiàn)象發(fā)生。

磁力分張后，因磁鐵對(duì)硅鋼片具有一定的吸附力，且磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，吸附阻力越大。因此，需要選擇合適的磁鐵，在滿足分張的前提下，還可以保證硅鋼片能夠順利地被機(jī)械手抓起。對(duì)首張硅鋼片進(jìn)行受力分析如圖1所示，假設(shè)抓取過程中，首張硅鋼片只受機(jī)械手的提升力F，沖片重力mg和磁鐵對(duì)硅鋼片產(chǎn)生的摩擦阻力f作用，所以，機(jī)械手可以將首張硅鋼片抓起的條件為：

F≥f+mg

根據(jù)Gieras等人的研究[3]，可以知道：

式中：kf為硅鋼片相對(duì)于磁鐵表面的摩擦系數(shù)；μ0為真空環(huán)境下的磁導(dǎo)率；Hy和Hz分別為豎直和水平方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度；s為表面接觸面積。

圖1 硅鋼片受力分析示意

根據(jù)使用磁鐵為圓形或正方形，可以假設(shè)Hy=Hz=H，所以：

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試安裝時(shí)，可以根據(jù)此公式估算磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而選用合適的磁鐵。

2 柔性磁力分張方案設(shè)計(jì)

柔性磁力分張裝置主要包含三個(gè)部分：支撐裝置、柔性連接裝置和磁力分張器，其中柔性連接裝置可以自適應(yīng)不同形狀和大小的硅鋼片，便于根據(jù)產(chǎn)品切換進(jìn)行快速調(diào)整。

支撐裝置由上導(dǎo)軌、第一下導(dǎo)軌、第二下導(dǎo)軌、高低調(diào)節(jié)桿共同組成，可以實(shí)現(xiàn)全向調(diào)節(jié)，如圖2所示。定義硅鋼片兩個(gè)相對(duì)的面分別為第一定位面和第二定位面，分別沿著兩個(gè)定位面對(duì)稱布置兩塊N極、兩塊S極，共四塊磁鐵，用于片間分張和輔助定位。上導(dǎo)軌和第一下導(dǎo)軌之間，上導(dǎo)軌與第二下導(dǎo)軌之間均通過高低調(diào)節(jié)桿樞軸連接。上導(dǎo)軌與高低調(diào)節(jié)桿之間，第一下導(dǎo)軌與高低調(diào)節(jié)桿之間，第二下導(dǎo)軌與高低調(diào)節(jié)桿之間，均采用螺絲接頭固定，方便快速松開和緊固，而且不需要使用專用工具。為了防止磁路在硅鋼片以外的地方形成，減少磁性分張損耗，全向調(diào)節(jié)支架都采用抗磁材料，如不銹鋼和鋁合金。

磁力分張器采有四塊特殊磁鐵組成，其中兩塊磁鐵的N極和兩塊磁鐵的S極用于磁化硅鋼片。

柔性連接裝置主體為不銹鋼編織管。采用四段等長(zhǎng)的不銹鋼編織管分別將全向調(diào)節(jié)支架和N極、S極磁鐵連接起來，這種柔性連接方式可以保證N極、S極磁鐵在X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向上進(jìn)行較大范圍的移動(dòng)，同時(shí)圓形的高低調(diào)節(jié)桿可以圍繞Z軸自轉(zhuǎn)，以適應(yīng)不同形狀的硅鋼片，如長(zhǎng)方形、菱形和梯形等。這樣的定位方式，起到自動(dòng)適應(yīng)硅鋼片的形狀和調(diào)節(jié)N極磁鐵和S極磁鐵位置的作用。不同于傳統(tǒng)的機(jī)械硬連接方式和定位方式，采用不銹鋼編織管柔性連接全向調(diào)節(jié)支架和N極、S極磁鐵，有助于消除N極、S極磁鐵和硅鋼片之間的接觸間隙，加大的N極、S極磁鐵可以進(jìn)一步提升定位效果，極大地提高自動(dòng)化設(shè)備上料的位置精度，并大大改善硅鋼片內(nèi)磁路的均布質(zhì)量，從而提高分張效果和穩(wěn)定性，保證設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 柔性磁力分張裝置圖

3 試驗(yàn)及分析

磁鐵與支撐裝置之間采用柔性不銹鋼編織管連接，以便于根據(jù)不同尺寸的產(chǎn)品做相應(yīng)調(diào)整。N極磁鐵和S極磁鐵一般選用硬磁材料，長(zhǎng)度a為70 mm，寬度b為70 mm，高度c為20 mm，但是磁力稍小，目的是讓磁場(chǎng)更均勻地分布在硅鋼片堆疊中，防止局部強(qiáng)磁產(chǎn)生的吸附效應(yīng)，各硅鋼片之間斥力更大，分開的距離更遠(yuǎn)，因此分張效果更好，現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試圖

另外，N極磁鐵和S極磁鐵的尺寸，尤其是高度c加大，大于硅鋼片的厚度h后，N極磁鐵和S極磁鐵對(duì)向上或向下伸出硅鋼片的部分，具有一定的定位和導(dǎo)向作用，保證在上料前硅鋼片位置沒有走動(dòng)，而且N極磁鐵和S極磁鐵能在磁力作用下，自動(dòng)隨著硅鋼片不斷上料而向下移動(dòng)，可持續(xù)分片，進(jìn)一步提高硅鋼片的上料位置度。

第一下導(dǎo)軌與N極磁鐵之間、第二下導(dǎo)軌與S極磁鐵之間均通過不銹鋼編織管柔性連接，多次試驗(yàn)結(jié)果顯示不銹鋼編織管的長(zhǎng)度在30 cm較為合適。試驗(yàn)過程中，采用不銹鋼波紋管進(jìn)行了相同試驗(yàn)，但由于硅鋼片磁性分張裝置依靠磁性自適應(yīng)吸合，因此工作中可能會(huì)發(fā)生誤操作導(dǎo)致不銹鋼波紋管受力斷裂。相比之下，不銹鋼編織管的抗拉和抗扭能力更高，壽命較長(zhǎng)。

磁鐵的布置方法做了兩種方案，方案一：N極、S極磁鐵交叉布置，如圖4a所示；方案2：N極、S極磁鐵同側(cè)布置，如圖4b所示。經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)方案2布置方法結(jié)果較好。

圖4 N極、S極磁鐵布置方法

4 結(jié)語

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用，該柔性磁力分張裝置能很好地適應(yīng)產(chǎn)品種類多、大小形狀的頻繁變化，配合輔助的激光對(duì)中裝置，有效地彌補(bǔ)了剛性硬連接磁力分張裝置的不足。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，使用柔性磁分張裝置后的生產(chǎn)線效率提升了20%以上，設(shè)備報(bào)警停機(jī)時(shí)長(zhǎng)降低了60%以上。

受限于柔性不銹鋼編織管的定長(zhǎng)度，同一長(zhǎng)度的不銹鋼編織管只能適應(yīng)一定長(zhǎng)度范圍的產(chǎn)品。為了更好地?cái)U(kuò)大其使用范圍，后期將根據(jù)產(chǎn)品形狀和大小范圍，配置不同長(zhǎng)度的柔性不銹鋼編織管，每種編織管可以保證分張裝置在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)柔性調(diào)整，以更好地適應(yīng)公司產(chǎn)品種類較多的現(xiàn)狀。