基于功能設計法的電樞鐵芯卷制機設計*

□ 田國富 □ 張西棟 □ 王曉生 □ 孫玉東

1.沈陽工業大學 機械工程學院工業機器人研究所 沈陽 110870

2.北方重工集團有限公司 沈陽 110141

在新產品的研發過程中，研發人員探索了各種設計方法，其中美國工程師麥爾斯（L.D.Miles）在進行價值工程研究中得出一個結論：“顧客購買的不是產品本身,而是產品所具有的功能”。 “功能”思想成為產品設計學的最重要的概念［1］。功能設計就是按照產品定位或價值工程對象的主要功能要求，在對用戶需求及現有產品進行功能分析的基礎上，對所定位產品應具備的目標功能系統進行系統策劃和構建的創造活動［1-2］。將功能設計法應用到鐵芯卷制機的設計過程中，可以提高設計工作的效率，保證卷制機基本功能的實現。

功能設計法有兩種類型，一種是按產品的定位要求，設計出新產品完整的目標功能系統，稱為創新型；一種是對現有產品功能系統與用戶需要之間的差異進行研究，找出不足功能、不必要功能及過剩功能，對原有功能系統進行改進，可稱為改進型［3］。根據這兩種類型的特點，結合鐵芯卷制機的設計要求［4］，選定創新型的功能設計法來指導鐵芯卷制機的設計。

1 系統功能描述

設計要求概述：設計一種能夠實現對電樞鐵芯自動化生產的設備。鐵芯是由合金材料的薄鋼帶卷制而成，鐵芯外徑為40 mm，內徑為25 mm，鋼帶寬為40 mm。按照加工過程自動化的要求，結合原材料的特點和成品工件的結構特點來分析系統的功能要求，用“黑箱法”［5］表示的系統功能如圖1所示，設備要實現的功能如下。

▲圖1 電樞鐵芯卷制機系統

（1）裝夾。要求設備能夠實現工件裝夾自動化以及上下料自動化。

（2）鋼帶的輸送。在完成一個鐵芯的加工或者更換新的原料鋼帶之后，需要將原料鋼帶與成型機構的軸牽連起來，繼續進行鐵芯的卷制，這需要系統具有鋼帶的牽引輸送功能。

（3）鐵芯的卷制成型。由輸送機構輸送過來的鋼帶需要與成型機構的驅動軸相連接，以實現固定，然后完成鐵芯的卷制工作。

（4）鋼帶的測量截斷。因為成品鐵芯的外徑有明確的尺寸要求，所以該系統還要具有檢測鋼帶長度并自動截斷的功能。

（5）鋼帶的固定。鋼帶截斷后容易回彈和松散，所以該裝置還要能夠實現成型機構上的鋼帶和原料輥上鋼帶的固定功能。

（6）檢測。鐵芯的外形尺寸和鐵芯上鋼帶卷制的緊密性有精度要求，所以要安排檢測環節，該檢測系統還應兼備原料鋼帶的缺料預警功能。

2 系統功能分解

功能樹和形態學矩陣是功能設計法常用的分析工具，功能樹的繪制和形態學矩陣的構建是功能設計法的核心和關鍵，查閱相關資料［5］［6］,綜合考慮經濟性原則和功能性原則，建立鐵芯卷制機功能樹如圖2所示，根據鐵芯卷制機功能樹所述，采用形態綜合法進行鐵芯卷制機功能的求解，構造如表1所示的形態學矩陣。

表 1 中的“連接”、“卷繞”、“拆卸”是一級功能“卷制成型”對應的二級功能，“測量”、“截斷”是一級功能“測量截斷”對應的二級功能，而“原件”和“方式”是一級功能“檢測”涉及到的兩個方面。

用N表示功能實現的總方案數，Nx表示相應的功能元Gx的功能解的個數，則有：

▲圖2 鐵芯卷制機功能樹

表1 電樞鐵芯卷制機的形態學矩陣

即理論上有2 304種功能方案，剔除其中的 “虛解”，對“實解”按照經濟性和功能性原則進行分析，對方案進行優化選擇，得出最佳的方案為：

3 功能元詳解

（1）原料的裝夾。當檢測到無原料時，機械手抓取原料鋼卷，放置在原料輥上。然后裝在原料輥上的棘輪擋板機構防止其從原料輥上脫落，同時保證不回卷。

（2）鋼帶的輸入。圖3是輸入裝置的示意圖，輸入的過程包括原料鋼帶向成型機構的輸送過程,以及鋼帶的拉直和定位過程。鋼帶的輸送是由兩組夾板機構完成的，其中每組夾板機構都是由兩片夾板組成。工作過程：夾板機構Ⅰ松開，夾板機構Ⅱ夾持著鋼帶向右移動，靠近成型機構，完成鋼帶的輸送功能；當鋼帶與成型機構對接成功后，夾板機構Ⅰ閉合，與夾板機構Ⅱ共同作用，完成鋼帶的拉直和定位，這保證了成型機構轉動過程中兩組夾板機構之間的鋼帶處于拉直狀態，有利于保證編碼電機對鋼帶長度測量的準確度，同時也防止鋼帶在截斷過程中向原料輥回卷。

（3）鐵芯的成型。鐵芯的成型過程包括鋼帶與驅動軸的連接，驅動軸轉動帶動鋼帶纏繞，纏繞成型后的防松固定以及鐵芯的拆卸，該過程是系統功能核心部分。

國外生產的該型裝備其連接功能是利用銷軸與鋼帶上打通的小孔相鉤連來實現的。工作時，上刀具向下運動，與下刀具相互作用，在鋼帶上沖壓出一個小孔，如圖4（a）所示，成型機構的驅動軸上開一個深孔，如圖4（b）所示，依次安裝彈簧和銷軸，銷軸上開有楔口，楔口鉤住鋼帶孔，電動機驅動成型機構牽引著鋼帶一同轉動。當成型機構轉過一周之后，繼續繞卷時，銷軸外端部就會被新的一層鋼帶壓回到驅動軸內，以便纏繞完成后成形機構的驅動軸能順利退出。

▲圖3 輸入裝置示意圖

▲圖4 鋼帶打孔與銷軸結構示意圖

該方案的優點是鋼帶與成型機構的連接比較牢固，容易實現連接纏繞的自動化；缺點是上刀具易磨損，國產刀具的加工制造精度不高、壽命短，而進口該型刀具價格昂貴，而且帶楔口的軸在長時間使用之后會出現不易回弾的現象。針對該方案的缺點，結合其優點，提出改進方案如下。

▲圖5 成型與棘輪機構示意圖

▲圖6 鐵芯拆卸示意圖

將成型機構驅動軸的端部制作成如圖5（a）所示的凹腔形狀，設計一對相互擠壓的滾壓輪，其中一根滾壓輪軸與外置的棘輪機構相連接，棘輪機構連接在成型機構的驅動軸上，與驅動軸一同轉動。圖5（b）是滾壓輪和棘輪機構示意圖，工作時，夾板機構牽引鋼帶穿過兩滾壓輪之間，插入驅動軸的空腔中，然后驅動軸與棘輪機構一同轉動，由于摩擦力和棘輪的相互作用，鋼帶不會退出，而被兩滾壓輪卡緊，隨成型機構一同卷繞。該方案避免使用昂貴的打孔刀具，克服了銷軸不易回彈的缺點，棘輪鎖緊機構能夠很好地保證鋼帶與成型機構連接的可靠性。缺點是驅動軸端的凹腔不易加工，而且型腔的存在減弱了驅動軸的強度和剛度。

鋼帶被切斷刀截斷之后，采用焊接的方式將鋼卷固定，防止其回卷，而焊接方式中的激光焊加工成本高，所以采用經濟性更優的電阻焊。焊接固定好之后，鐵芯夾板機構將鐵芯夾持住，棘輪機構沿軸向與驅動軸分離，然后驅動軸沿軸向反向退出。鐵芯的拆卸過程如圖6所示。

（4）檢測與截斷。各開關量的控制需要根據檢測系統對實時檢測到的信號的判斷來完成，為了減少設計成本，滿足自動化要求，將各電氣元件所需控制信號的檢測和產品的檢測集成到一個系統中。為了降低不合格率，采用在線實時檢測系統。在鋼帶的放置過程中，檢測系統通過光電傳感器檢測原料輥上鋼帶的狀態，將檢測結果實時傳送給取料機械手和報警系統。

▲圖7 檢測系統示意圖

圖7是檢測系統示意圖，在鋼帶輸送過程中，當把原料放到原料輥上后，觸發碰撞開關Ⅰ，驅動夾板機構Ⅱ動作，將鋼板夾緊并向右牽引，直至觸發碰撞開關Ⅱ，此時鋼帶與成型機構完成結合，碰撞開關Ⅱ的信號送給夾板機構Ⅰ，使其夾緊鋼帶，完成鋼帶拉直和定位。

在鐵芯的成型過程中，鐵芯直徑的控制是通過編碼電機M2實現計算測量鋼帶的長度來完成的。當編碼電機測量到滿足鋼帶長度的信號后，截斷機構就會被觸發，上下兩切斷刀相互作用，將鋼帶截斷［7］。采用編碼電機方案的優點是測量精度高，保證了鐵芯外徑的精度。另一種測量方案是在滾壓輪的軸上安裝一個碼盤，垂直于碼盤放置一個激光頭，照射激光于碼盤上進行測量，該方案由于多了碼盤激光測量裝置，而使結構復雜，成本升高，被排除。

由于鐵芯的精度要求高，所以采用高方向性、高單色性的激光束來對鐵芯的外形尺寸進行檢測。當探測到鐵芯外形尺寸與設定的尺寸參數不同或者鐵芯上的鋼卷有間隙時，檢測系統向成型機構的電動機M3發出信號，控制其停止轉動，同時激發原料輥電動機M1反轉回收鋼帶，直至鐵芯的尺寸參數和鋼帶間的緊密度符合設定的參數值為止。

4 結論

通過功能設計法確定了電樞鐵芯卷制機的功能實現方案。原料的裝夾采用簡易機械手的方式完成；采用夾板機構完成鋼帶的輸送作業；在卷制成型過程中，使用滾壓輪擠壓裝置實現鋼帶的連接，然后成型機構驅動軸轉動實現鋼帶的卷繞，鐵芯的拆卸由夾板機構完成；編碼電機和單片機系統實時測量卷繞鋼帶的總長度，達到鐵芯直徑要求后，激勵切斷刀完成鋼帶的截斷；然后采用電阻焊的方式將鋼帶尾部焊接牢固；測量系統中刀具和鋼帶的位置信號是通過碰撞開關發出，采用在線實時測量的方式及時消除鐵芯卷制過程中產生的誤差，保證了鐵芯加工精度。

［1］ 黃靖遠.機械設計學 （第二版）［M］.北京： 機械工業出版社，2008.

［2］ 楊永發,朱德濱.基于功能設計法的木材削片機［J］.森林工程，2007，23（4）：21-23.

［3］ 陳沂.功能設計-價值工程創新的生長點 ［J］.價值工程，1998（2）：18-20.

［4］ Kepalas Vytautas,Ramonas Ceslovas， Marcinkevicius Stanislovas，et al.Research of Tight Band Coiling Dynamics［C］.1st International Conference on Mechatronic Systems and Materials,Vilnius,Lithuania,2006.

［5］ 李茹.卷料沖片自動生產線機械系統“黑箱法”設計［J］.機械設計，2005,22（10）：17-18.

［6］ 陸勁挺.概念設計中功能樹可拓相似推理方法研究［D］.合肥：合肥工業大學,2009.

［7］ 劉書浩,陳兵,楊競.帶鋼剪切斷面層次分布對剪切工藝影響探究［J］.機械設計與制造，2012（10）：109-110.