永磁起動機輔助磁極自動焊接設(shè)備的研制

金思磊，管功湖，吳飛遠(yuǎn)，袁懷鈺，蔡遠(yuǎn)濤

(臺州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，臨海 317000)

0 引 言

直流起動機主要分為串勵式起動機和永磁起動機兩類，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車起動機的需求量越來越大，國內(nèi)生產(chǎn)的起動機主要供應(yīng)國內(nèi)市場以及國外的汽車維修市場。永磁起動機是用永磁材料作為磁極，取消了串勵式起動機的勵磁繞組和磁極鐵心，具有結(jié)構(gòu)簡單、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[1]。進(jìn)一步的研究表明，利用增加輔助磁極的方法，可以加大永磁起動機的起動力矩，改善永磁起動機的起動特性[2-4]。帶輔助磁極的永磁起動機，被廣泛應(yīng)用于汽車起動機中。文獻(xiàn)[5-8]給出了各種類型的帶輔助磁極的永磁起動機實用新型專利。

永磁起動機定子由機殼和多對磁極構(gòu)成，其中每個磁極又由主磁極和輔助磁極組成。在實際生產(chǎn)時，需把輔助磁極按規(guī)定角度均勻焊接在機殼內(nèi)，然后通過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，這會引起下一道工序安裝主磁極時裝配困難，同時生產(chǎn)效率降低。根據(jù)永磁起動機定子結(jié)構(gòu)和輔助磁極的焊接工藝要求，本文研制永磁起動機輔助磁極自動焊接設(shè)備，同時充分利用可編程邏輯控制器(以下簡稱PLC)強大的控制功能，采用觸摸屏作為人機界面，其交互良好，用戶使用簡單方便，以伺服系統(tǒng)作為分度控制，采用中頻焊接電源。實現(xiàn)輔助磁極自動焊接、手動焊接、補焊及故障自動報警等功能。與手工焊接相比，自動焊接分度精度高，焊接偏差小，焊接質(zhì)量高，同時可進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

1 自動焊接設(shè)備組成與工作原理

1.1 永磁起動機定子組成

永磁起動機定子，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號鋼。磁極在機殼內(nèi)均勻分布，相對于電樞旋轉(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 永磁起動機定子組成

以大缺口中心線為基準(zhǔn)，逆時針7.5°為第1條輔助磁極的位置，此位置可作為原點，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焊接設(shè)備，如圖2所示，主要由送殼和分度機構(gòu)、送輔條機構(gòu)、加壓機構(gòu)、抬殼機構(gòu)、中頻焊接機構(gòu)和控制柜等組成。采用氣缸作為各部分機構(gòu)的執(zhí)行元件。

圖2 輔助磁極自動焊接設(shè)備

輔助磁極自動焊接設(shè)備工作原理：開機時，通過原點找準(zhǔn)接近開關(guān)來實現(xiàn)設(shè)備自動回原點，確定首條輔助磁極的位置；放上機殼，按下起動按鈕，送機殼氣缸工作，由送殼機構(gòu)完成送機殼過程；同時送輔條氣缸工作，由送輔條機構(gòu)完成送輔條過程；接著加壓氣缸和抬殼氣缸配合工作，完成機殼的下壓和中頻焊接機構(gòu)的加壓過程，確保機殼和輔條緊密接觸；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)上述的工作過程，直到4條輔助磁極焊接完成，退機殼，自動回原點，準(zhǔn)備下一個機殼的焊接。也可手動分步實現(xiàn)上述的工作過程，同時通過設(shè)置氣缸行程限位開關(guān)，可實現(xiàn)故障時自動報警功能。如有輔助磁極在自動焊接過程中沒有焊牢的情況，可實現(xiàn)補條功能。

2 PLC控制電路設(shè)計

2.1 PLC控制電路組成

根據(jù)輔助磁極自動焊接設(shè)備的工作原理，設(shè)計的PLC控制電路如圖3所示。控制電路以PLC為控制核心，采用觸摸屏作為人機界面，以伺服系統(tǒng)作為分度控制，同時采用中頻焊接電源。因采用中頻逆變電阻點焊技術(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。

2.2 伺服分度參數(shù)計算與設(shè)置

伺服驅(qū)動器選擇位置控制方式，伺服分度采用減速比為10∶1的行星減速機進(jìn)行減速。設(shè)電機軸與負(fù)載軸的機械減速比為m/n，即伺服電機旋轉(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，負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)1圈的指令量為360÷0.01=36 000。電子齒輪比計算：

B/A=(2 500×4)/(360÷0.01)×10=25/9

根據(jù)伺服驅(qū)動器的使用說明書，設(shè)置運行模式： 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+脈沖列輸入(DIR+PUL信號)”。

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

通過以上參數(shù)設(shè)置后，對伺服系統(tǒng)進(jìn)行初步調(diào)試，包括開環(huán)試運行、點動試運行、電流檢測偏移量自動調(diào)整等。然后將電機與機械結(jié)合調(diào)試，最后結(jié)合PLC的控制程序進(jìn)行動作調(diào)試。

3 PLC控制軟件設(shè)計

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

3.1 人機界面設(shè)計

采用觸摸屏作為人機界面，操作簡單，方便用戶使用。觸摸屏控制界面包括手動畫面和設(shè)置畫面。

手動畫面如圖4所示，由功能按鈕、指示燈、報警及焊接數(shù)量顯示等組成。通過該界面可實現(xiàn)手動操作，完成手動焊接過程。通過“補條1”到“補條4”按鈕可對沒有焊牢的輔助磁極進(jìn)行補焊。同時設(shè)置焊接指示燈、報警指示燈、焊接數(shù)量顯示及已焊接數(shù)量顯示等。

圖4 手動畫面

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

3.2 梯形圖設(shè)計

梯形圖設(shè)計采取順序控制設(shè)計和經(jīng)驗設(shè)計相結(jié)合的方法。梯形圖設(shè)計主要采用流程控制，不僅可以較好地實現(xiàn)順序控制，同時可以解決PLC同一脈沖輸出端口不能用多條脈沖輸出指令的問題。PLC控制程序的流程圖如圖5所示。流程主要包括回原點流程S0、手動流程S1、補條流程S2、自動流程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

開機上電時，首先進(jìn)行初始化，接著執(zhí)行回原點流程S0，控制伺服電機自動回原點，然后觸摸屏顯示“手動畫面”。當(dāng)按下右下角的“下一頁”按鈕，進(jìn)入“設(shè)置畫面”，可對加壓時間、抬殼時間、焊接時間、微調(diào)角度、輔條數(shù)量、旋轉(zhuǎn)速度及回原點速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在“手動畫面”直接按下“起動”按鈕時，進(jìn)入自動流程S3，即自動完成4根輔條的焊接。當(dāng)“手動畫面”中有手動按鈕按下時，進(jìn)入手動流程S1，按“送機殼→送輔條→加壓→焊接→抬殼→旋轉(zhuǎn)”順序手動完成輔條的焊接。如需補焊輔助磁極時，可按下“補條1”至“補條4”按鈕，進(jìn)入補條流程S2。同時在運行過程中設(shè)置了故障自動報警，如回原點故障、送殼故障、送輔條故障等。

4 實 驗

研制的輔助磁極自動焊接設(shè)備經(jīng)過反復(fù)測試和調(diào)試后，焊接輔條后的定子實物如圖6所示。經(jīng)過檢測，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際生產(chǎn)要求，同時焊接強度好，可靠性高。

圖6 焊接輔條的定子

輔助磁極原點和分度數(shù)據(jù)如表1所示。隨機抽取5個焊接好的定子，利用七海Eagle-MD 3020半自動影像測量儀進(jìn)行測量。

表1 輔條原點和分度測量數(shù)據(jù) 單位：(°)

從表1中可知，原點位置角度偏大，可利用“設(shè)置畫面”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，沖壓過程使得外殼缺口處圓弧和輔助磁極邊緣變形，從而造成測量時的誤差，同時七海Eagle-MD 3020半自動影像測量儀需要手工參與，也會造成人為因素引起的一些誤差。

5 結(jié) 語

研制的永磁起動機輔助磁極自動焊接設(shè)備實現(xiàn)了自動回原點、自動焊接、手動焊接、補條及故障自動報警的功能。經(jīng)過實際使用，該設(shè)備運行穩(wěn)定可靠。

采用觸摸屏控制界面，具有良好的人機交互；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方式，可進(jìn)一步實現(xiàn)振動式的自動上料。