自動壓合油封機(jī)設(shè)計與應(yīng)用

李 輝 ，郭曉軍 ，孔慶旺 ，孫 斌

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222，2.數(shù)字化制造研究所，天津300222）

伺服電機(jī)裝配中油封裝配[1]是一項(xiàng)比較關(guān)鍵的工序，滲漏、進(jìn)塵是影響電機(jī)使用壽命、使用安全的常見故障現(xiàn)象之一，滲漏、進(jìn)塵的主要影響因素除了油封質(zhì)量、相關(guān)被密封件[2]的密封面的加工質(zhì)量及回轉(zhuǎn)精度等方面外，油封的裝配也尤為重要。滲漏和進(jìn)塵可能引起定子、轉(zhuǎn)子腐蝕、生銹、線圈短路、改變轉(zhuǎn)子動平衡，造成重要零件的過早磨損，直至電機(jī)報廢[3]。以前，油封的壓裝及排氣一直用人工或簡單機(jī)械設(shè)備完成，裝配油封與排氣分開為兩個不同的工序，且裝配油封時直接將油封從伺服電機(jī)工件的輸出軸一端壓入，從而導(dǎo)致壓裝效率低，對油封的傷害大，裝配質(zhì)量差，不能適應(yīng)伺服電機(jī)自動裝配線的使用要求[4]。對于以上諸多問題，設(shè)計一臺自動油封機(jī)[5]可顯著提高效率，改善裝配問題。本文提出了一種針對電機(jī)轉(zhuǎn)軸為60 mm和80 mm的自動壓合油封機(jī)，該油封機(jī)可實(shí)現(xiàn)油封圈的自動安裝，大大提高了伺服電機(jī)和油封圈的安裝效率和安裝精度。

1 油封機(jī)工作原理

該油封機(jī)主要針對國內(nèi)某知名公司生產(chǎn)的伺服電機(jī)所使用設(shè)計。伺服電機(jī)因?yàn)榈撞糠ㄌm盤尺寸不同，裝夾壓合時需特定夾具夾持。目前該油封機(jī)支持匯川MS1系列伺服電機(jī)的法蘭盤為60 mm和80 mm的所有類型電機(jī)。

油封機(jī)采用匯川AM600為控制核心，配合觸摸屏使控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動。設(shè)備集合了60 mm和80 mm各自對應(yīng)的雙工位結(jié)構(gòu)，供料、搬送、點(diǎn)膠、掃碼、壓合機(jī)構(gòu)獨(dú)立設(shè)計不共用，各軸運(yùn)動分別由伺服電機(jī)驅(qū)動，伺服驅(qū)動器獨(dú)立控制。采用油封彈夾式批量供料，每個基座不少于100個，且有油封缺料檢測和油封圈正反面檢測。電機(jī)本體人工上料，軸向下放置，端蓋止口定位，前端蓋受力固定，設(shè)備可檢測產(chǎn)品有無。壓合過程中油封由外圈定位，由電機(jī)軸導(dǎo)正，油封與前端蓋油封室保證水平、同心壓合。壓合操作臺安裝對射光柵，壓合需雙按鈕啟動，大大保證人員操作安全，作業(yè)人員只負(fù)責(zé)取放電機(jī)，其余作業(yè)由設(shè)備自動實(shí)現(xiàn)，在搬送、定位、壓裝過程中發(fā)生異常時會及時報警停止，顯示異常信息，方便人員快速檢修。

該油封機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，基本成對稱設(shè)計，保證最大程度的空間利用。設(shè)備整體長1 550 mm，寬1 200 mm，高1 850 mm，外部框架主要由60 mm*60 mm鋁型材以及噴砂亮銀的鋁板加工裝配而成。內(nèi)部主要由旋轉(zhuǎn)上料機(jī)構(gòu)、頂升裝置、抓手1、CCD相機(jī)、涂油裝置、抓手2、移栽、壓合裝置等組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油封機(jī)總體機(jī)構(gòu)圖

2 油封機(jī)工藝流程及機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 工藝流程

油封機(jī)進(jìn)程按步依次進(jìn)行，整體工藝流程圖如圖2所示。人工上料后，上料轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，傳感器感應(yīng)到基座有料時停止轉(zhuǎn)動（若轉(zhuǎn)盤6個基座都感應(yīng)無料時，三色蜂鳴器報警，人工補(bǔ)料后，按下“上料完成”物理按鍵，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行），頂升裝置上升，傳感器感應(yīng)到位時，上升停止，抓手1從待機(jī)位到達(dá)取料位，抓手1氣缸下降，夾爪閉合抓取油封圈，上升后移動到基恩士CCD照相比對油封正反面，若抓反則放入廢棄通道，抓取正確送入涂油夾爪，涂油夾爪閉合后，抓手1回歸原點(diǎn)，涂油氣缸下伸進(jìn)行涂油，油脂在油封內(nèi)圈涂抹均勻無斷點(diǎn)，完成后涂油氣缸回位，涂油夾爪張開，抓手2到位抓取，伺服搬送到移栽接料位，放入移栽后，移動到電機(jī)壓合位，作業(yè)人員在操作臺正確放入電機(jī)后，按雙手啟動按鈕，壓合裝置下降壓住電機(jī)法蘭盤，移栽上升嵌入油封圈，完成后各機(jī)構(gòu)依次循環(huán)進(jìn)行。

圖2 工藝流程圖

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

兩種規(guī)格油封的抓手1、抓手2機(jī)構(gòu)分別共用一根導(dǎo)軌，導(dǎo)軌兩側(cè)對稱分部各機(jī)械結(jié)構(gòu)。左側(cè)為60規(guī)格油封機(jī)構(gòu)，右側(cè)為80規(guī)格油封機(jī)構(gòu)。

2.2.1 旋轉(zhuǎn)上料機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)上料機(jī)構(gòu)如圖3所示，上料轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動和頂升裝置分別由伺服電機(jī)驅(qū)動，行程控制精確，轉(zhuǎn)盤上下分別安裝對射傳感器，有油封圈遮擋時，信號產(chǎn)生大幅度變化，感應(yīng)靈敏。轉(zhuǎn)盤上有6個基座，每個基座由三根鋁條組成，形成油封圈上料路徑。

圖3 旋轉(zhuǎn)上料機(jī)構(gòu)

2.2.2 抓手1和涂油機(jī)構(gòu)

抓手1和涂油機(jī)構(gòu)如圖4所示，抓手1直線導(dǎo)軌運(yùn)動和涂油夾爪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動分別由伺服電機(jī)驅(qū)動，導(dǎo)軌內(nèi)部由絲杠作為傳動元件，由于絲杠具有高精度，無間隙，高剛度的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給或高速進(jìn)給，保證了抓手1伺服跑點(diǎn)的精確和高效；伺服電機(jī)與涂油夾爪通過帶傳動連接，可緩和沖擊和振動載荷，運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲。抓手1伸縮運(yùn)動和夾爪張開閉合以及涂油槍的伸縮運(yùn)動由氣缸驅(qū)動，電磁閥控制，氣缸上安裝行程開關(guān)，控制行程上下限，確保各個位置運(yùn)動準(zhǔn)確。

圖4 抓手1和涂油機(jī)構(gòu)

2.2.3 抓手2、移栽、壓合機(jī)構(gòu)

抓手2、移栽機(jī)構(gòu)以及壓合機(jī)構(gòu)如圖5所示，抓手2直線導(dǎo)軌運(yùn)動和移栽直線導(dǎo)軌運(yùn)動由伺服電機(jī)驅(qū)動，抓手2伸縮運(yùn)動和夾爪張開閉合以及移栽上端面上下運(yùn)動由氣缸驅(qū)動，移栽上端面與下方兩個固定端面通過四根長銷連接，保證其運(yùn)動平穩(wěn)，減小誤差，達(dá)到使用運(yùn)動精度要求。

圖5 抓手2、移栽機(jī)構(gòu)

壓合機(jī)構(gòu)如圖6所示，壓板通過四根長銷定位，保證運(yùn)動精度。

圖6 壓合機(jī)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)

油封機(jī)硬件主要包括電氣主回路、控制回路以及氣動控制回路、人機(jī)界面等。其中，電氣主回路包括控制系統(tǒng)的配電以及急停保護(hù)電路部分，為濾波器、PLC、伺服驅(qū)動器以及相關(guān)輔助部件提供電源。

油封機(jī)控制回路采用匯川AM600系列可編程邏輯控制器，如圖7所示，CPU左側(cè)接入AC220V電源模塊，右側(cè)接入兩個輸入輸出擴(kuò)展模塊，10個匯川伺服驅(qū)動器用EtherCAT線纜依次連接，并配合安裝10個空氣開關(guān)，可獨(dú)立控制任一伺服驅(qū)動器，最大程度保護(hù)電氣元件以及人員使用安全。

圖7 電氣控制柜

4 人機(jī)交互設(shè)計

油封機(jī)采用匯川IT6100E人機(jī)界面（HMI，以下簡稱HMI），與匯川AM600系列可編程邏輯控制器通過EtherCAT協(xié)議以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)油封機(jī)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制功能。

4.1 HMI自動運(yùn)行介紹

實(shí)物圖如圖8所示，包括：油封機(jī)觸摸屏1、啟動按鈕2、停止按鈕3、上料完成4、急停5、電源旋鈕6、小油封調(diào)壓閥7、小油封壓力表8、、大油封調(diào)壓閥9、大油封壓力表10。

如圖8所示，該油封系統(tǒng)由一塊觸摸屏控制，上電后打開電源旋鈕，系統(tǒng)啟動，開機(jī)界面如圖9所示。因?yàn)閿嚯姇r各軸位置的不確定性，開機(jī)需按“回原點(diǎn)”，各軸運(yùn)動回歸原點(diǎn)，HMI系統(tǒng)狀態(tài)顯示：設(shè)備待機(jī)；在“配方選擇”一欄中選擇機(jī)種以及所需配方，點(diǎn)擊“自動”后，油封機(jī)開始自動運(yùn)行。

圖8 現(xiàn)在實(shí)物圖

4.2 HMI伺服手動操作

油封機(jī)HMI功能包括基本信息和伺服手動操作，具體功能如圖9所示，功能詳細(xì)介紹如下。

圖9 觸摸屏界面

用戶登錄：設(shè)置兩檔操作權(quán)限，能夠保護(hù)信息以及防止非專業(yè)人員誤操作行為。

各軸的雙向控制：伺服手動操作可獨(dú)立精確控制各軸的雙向移動。

伺服跑點(diǎn)：各軸系統(tǒng)存入有各自點(diǎn)位，如待機(jī)位、開始位、結(jié)束位等，可使各軸運(yùn)動到相應(yīng)位置。

伺服位置參數(shù)調(diào)節(jié)：各軸伺服點(diǎn)位可手動調(diào)節(jié)校準(zhǔn)，保證各運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)行精確平穩(wěn)。

油桶下限：手動設(shè)置油桶質(zhì)量下限，達(dá)到該下限值，視為缺油，會有報警提醒。

I/O點(diǎn)位監(jiān)視：顯示所有傳感器感應(yīng)情況，感應(yīng)后會有高亮顯示。

配方存入和導(dǎo)出：系統(tǒng)設(shè)置有100個配方可供存入和導(dǎo)出，可較大程度滿足用戶需求。

報警信息：運(yùn)行出現(xiàn)異常時，三色蜂鳴器紅燈閃爍報警，HMI顯示報警信息，方便人員快速檢修。

圖10 伺服手動操作

5 運(yùn)行測試

油封機(jī)的完整運(yùn)行需要每個環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)到位，而每個位置都由傳感器觸發(fā)到位信號，PLC接收到位信號后才發(fā)出下一步指令，因此傳感器位置的準(zhǔn)確是機(jī)構(gòu)能否運(yùn)行的關(guān)鍵。如圖11所示，傳感器需手動調(diào)節(jié)位置，人為判斷位置的可行性，直到夾爪能準(zhǔn)確抓取、放下油封圈。

圖11 油封機(jī)實(shí)物圖

如圖12所示，每個傳感器的調(diào)節(jié)配合I/O監(jiān)視，可以直觀的看出傳感器是否觸發(fā)。目前油封機(jī)所有點(diǎn)位均已調(diào)試完成，啟動后可自動準(zhǔn)確運(yùn)行，完成油封圈的壓合。

圖12 I/O監(jiān)視圖

6 結(jié)束語

針對目前油封安裝效率、安裝精度等問題，設(shè)計的一臺自動壓合油封機(jī)，機(jī)械機(jī)構(gòu)采用雙工位對稱設(shè)計；關(guān)鍵行程運(yùn)動使用伺服電機(jī)驅(qū)動；傳感器多使用對射式，提高感應(yīng)靈敏度；直線導(dǎo)軌采用絲杠作為傳動元件；匯川AM600系列PLC搭配匯川IT6100E人機(jī)界面，可自動高效安裝壓合油封。目前已在中國某知名公司投入使用，經(jīng)實(shí)踐證明，大大提高了安裝效率，提升了安裝精度，降低了現(xiàn)場用工數(shù)量及人員勞動強(qiáng)度。