微型電機自動齒輪組裝工藝的研究與設計

夏 煒，廖新明，揭新平

（日本電產三協電子（東莞）有限公司，廣東東莞 523325）

0 引言

電機的制造工藝根據電機本身的用途、功率、結構、設計原理不同而差異很大。其齒輪的結構和制造方法也不同，決定了其制造和組裝工藝也多種多樣。在家電微型電機制造領域，很多電機生產廠家的電機制造和組裝工藝還在使用20世紀的生產工藝和技術設備，齒輪組裝還停留在手動組裝，即完全使用人工逐個組裝齒輪，效率不僅低下，人工成本還很高。近些年，一些非標自動化公司陸續開發了很多電機齒輪自動組裝設備，自動化程度也較高，但是通用性比較窄，在擁有較復雜制造工藝的微型電機生產制造方面的實用性有所欠缺。因此，本文設計一種新型組裝工藝—齒輪自動組裝工藝，通過對家電系列微型步進電機齒輪組裝生產工藝進行改進和自動組裝方法設計，擴大齒輪自動組裝工藝的通用性和提高生產效率。

1 設備工作原理

1.1 概述

齒輪自動組裝機構主要由大齒輪上料機構、大齒輪注油機構、小齒輪上料機構、齒輪組下壓機構、齒輪排出機構、分度盤、PLC以及移動、氣動和感應部件組成[1-2]。設備開始工作時，大齒輪通過上料機構的震動盤和直震控制器將大齒輪送到直震控制器先端的凹槽內，此時光纖感應器感應到有料，將信號輸入到PLC，PLC的CPU將讀取到的輸入信號輸入映像寄存器，將編寫的程序進行從上到下、從左到右逐行掃描執行，并將處理結果存儲到輸出映像寄存器，將輸出映像寄存器的輸出信號送至輸出端子上，使電磁閥得電并進行交換氣，從而驅動大齒輪上料機構的氣缸進行齒輪的吸取和放置。放置完后復位，等待分度盤轉動后進行下一次動作，大齒輪放置完后，PLC再控制分度盤轉動到大齒輪注油機構，分度盤轉動到位后，檢測分度盤動作的感應器會有個信號給到PLC，PLC收到信號后，同上原理將輸出信號送到輸出端子上，電池閥得電并進行交換氣，從而驅動大齒輪注油機構上的氣缸上行，上行到位后，驅動注油機進行注油操作。

注油完成后復位，等待進行下一步操作。當注油完成后，PLC控制分度盤轉動到小齒輪上料機構，小齒輪上料機構同樣是通過震動盤和直震控制器將小齒輪送到直震控制器先端的凹槽內。凹槽內有料時，感應器感應到有料會有個信號給到PLC，并且分度盤轉動到位后，同樣會給PLC一個信號。接收到信號后，PLC將信號送到輸出端子上，控制小齒輪吸料機構的電池閥得電，驅動小齒輪上料機構的氣缸進行小齒輪的吸取和初次組裝。組裝時，小齒輪上料機構的定位夾具會下壓在分度盤上的大齒輪放置受臺上并閉合，小齒輪組裝時會沿著夾具的導向槽向下組裝，這樣就會很好地避免小齒輪碰到大齒輪邊緣造成齒輪傷。完成組裝后機構復位，等待進行下一步動作，小齒輪組裝到位后，PLC控制分度盤轉到齒輪組下壓機構，分度盤轉動到位后，檢測分度盤動作的感應器給信號到PLC。PLC接收到信號后，電池閥得電驅動齒輪組下壓機構的氣缸進行再次壓入，確保大小齒輪完全組裝到位。下壓動作完成后機構復位，等待進行下一步操作，下壓完成后，PLC驅動分度盤轉動到齒輪排出機構。分度盤轉動到位后，信號給到PLC，此時齒輪排出機構電池閥得電驅動齒輪排出機構氣缸進行完成品的排出，排出完成后復位，等待下一步動作。該齒輪自動組裝設備的各個機構之間是聯動關系，這樣就能使設備進行循環往復動作，源源不斷地產出產品。

1.2 設備流程

設備流程如圖1所示。

圖1 設備流程

1.3 設備所需重要電氣元件

設備所需重要電氣元件如表1所示。

表1 重要電氣元件

2 設備機構

2.1 概述

針對人工組裝齒輪的缺點，設計了一種新型的齒輪組裝工藝，以提高組裝效率，減少人工成本，提高品質為目的；以自動組裝為出發點，通過設備的自動組裝，最終實現高效生產，降低人工成本。齒輪自動組裝機構全部動作通過PLC程序來控制震動盤自動上料大小齒輪，光纖感應器感應齒輪位置[3-4]利用氣缸驅動吸料組件進行吸料（吸料組件包括真空發生器），利用分度盤進行轉動到達下一步動作的位置。大小齒輪初步組立后，氣缸驅動下壓組件進行最終組裝，組裝完成后通過最終吸料組件進行完成品排出。

自動組裝設備[5-6]主要由設備本體、震動盤、直震控制器、大齒輪上料機構、大齒輪注油機構、小齒輪上料機構、齒輪組下壓機構、齒輪排出機構、分度盤、三菱可編程控制器、觸摸屏及6個齒輪放置受臺等組成。大齒輪上料機構位于設備本體左下方位置；大齒輪注油機構位于大齒輪吸料機構左上方位置；小齒輪上料機構位于設備本體正上方位置；齒輪組下壓機構與齒輪排出機構位于設備本體右邊。所有機構圍繞分度盤呈圓形分布，如圖2所示。

2.2 大齒輪上料機構

圖2 設備機構

大齒輪上料機構由震動盤、直震控制器、氣缸、吸料頭、光纖感應器等組成。震動盤通過震動將大齒輪送到直震最先端的凹槽內，當感應器感應到有料，將信號給到PLC，PLC將輸出映像寄存器的輸出信號送到輸出端子上，電池閥得電后進行交換氣來驅動大齒輪上料機構的氣缸進行吸料動作。吸料頭吸取大齒輪后，隨氣缸動作將大齒輪放置到分度盤固定的齒輪放置受臺上，齒輪放置完后氣缸復位。如圖3所示。

圖3 大齒輪上料機構

2.3 大齒輪注油機構

大齒輪注油機構由下壓氣缸組件、注油機、注油頂針等組成。當分度盤轉動到注油位置后，PLC驅動下壓氣缸組件將大齒輪進行定位，定位完成后注油頂針上行進行注油，注油完成后復位。如圖4所示。

圖4 大齒輪注油機構

2.4 小齒輪上料機構

小齒輪上料機構由震動盤、直震控制器、光纖感應器、氣缸、吸料頭、定位夾具等組成，當分度盤轉動到小齒輪組裝位置后，感應器感應到有料，PLC接收到信號，電池閥得電驅動氣缸帶動定位夾具下壓將大齒輪定位，氣缸帶動吸料頭將小齒輪吸取并沿著定位夾具導向孔下壓，將小齒輪初步組裝到大齒輪孔內，料放完后各組件回歸原位，便于進行下一次組裝。如圖5所示。

圖5 小齒輪上料機構

2.5 齒輪下壓機構

齒輪組下壓機構由下壓組件和氣缸組成。當分度盤轉動到齒輪下壓機構位置時，PLC接收到信號，電池閥得電驅動氣缸帶動下壓組件將初步組裝的大小齒輪再次進行壓合，確保組裝到位，下壓動作完成后復位。如圖6所示。

圖6 齒輪下壓機構

2.6 齒輪排出機構

齒輪排出機構由氣缸和吸料組件組成。當分度盤轉動到齒輪排出位置后，PLC接收到信號，電池閥得電驅動氣缸帶動吸料組件將已經組裝好的齒輪組吸取后放置到準備好的盒子里，動作完成后復位。如圖7所示。

圖7 齒輪排除機構

圖8 液晶觸摸屏

2.7 液晶觸摸屏

液晶觸摸屏[7-8]（人機界面）如圖8所示。

3 設備測試與分析

齒輪自動組裝設備經實際應用，設備性能正常，設備生產能力完全能夠滿足公司的要求，解決了瓶頸工程，提高了工作效率，降低了工人勞動量以及人工成本，每年可為公司節約資金50萬元。

采用自動組裝工藝完全代替了人工組裝，這是工藝的進步。人工組裝產量9 000 PCS/天，自動組裝產量12 000 PCS/天，提高了效率，有效降低了工人長時間作業產生的疲勞度。采用自動組裝后，人員減少了7人，降低了人工成本。對不同機種的齒輪進行組裝時，只需切換程序即可生產。

4 結束語

本文以對微型步進電機的齒輪組裝工藝改進及自動設備制造方案的設計，通過一系列新穎的設計使齒輪自動組裝工藝較手動組裝的生產效率有較大的提高，該方案已實現了產業化應用。設備完全滿足對產品定位精度高、生產速度快、品質好的設計要求。齒輪組裝是家電系列微型步進電機生產中的一個重要環節，其他關聯工程彈簧墊壓入、保護蓋端子壓入、外殼組軸壓入、中地板壓入等加工工藝，都具有自動化生產開發條件。在該設計方案的基礎上進一步研究關聯的加工工藝，可實現電機制造工程集成化設計、空間更優化、人工成本更節省、效益最大化。