基于汽車微電機轉子軸裝配技術的研究

王世旺，譚曼華，彭 斌

(博世汽車部件(長沙)有限公司，長沙 410100)

0 引 言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車正逐步走入千家萬戶，購車選車時，除了車輛的外觀、內飾、動力性能外，舒適性功能和配置也是消費者參考的重要因素之一。尤其是對于以家用為目的的消費者來說，智能、省力、舒適等方面的要求越來越高。如圖1所示，電動座椅、電動助力轉向、自動空調、擋風玻璃洗滌器、電動天窗、電子控制減震系統、雨刮、電動調節后視鏡、自動門、座椅按摩、ABS系統、舉窗系統等，這些配置相關功能的實現都離不開汽車微電機，現代汽車特別是轎車用微電機，作為某一系統電子電器中的組成部分，在其收到車載ECU發出的指令后，即刻控制其所管轄的部件進行合乎規范的動作，以實現駕駛者的目標功能意圖。而汽車微電機的制造工藝和技術水平會極大影響相關舒適性配置的成本和普及，而轉子作為微電機最重要的組成，更是技

圖1 汽車舒適性配置電動機

術更新的重中之重。本文將從轉子軸的裝配技術出發，對比分析幾種國內外典型的工藝技術，對微電機轉子制造行業的非標設備設計和開發具有十分重要的借鑒意義[1-4]。

1 微電機轉子制造裝配技術概況

普通的汽車微電機一般由轉子、定子以及驅動執行機構等子系統組成，如圖2所示。微電機轉子作為微電機的旋轉部件，是電機最重要的組成部分，對其關鍵工藝和設備的研究也是最多的。微電機行業是技術密集型、資金密集型和勞動密集型行業，現代車用微電機轉子的制造技術更是日新月異，更新換代的速度很快。圍繞各零部件的制造裝配順序，如圖3所示，核心工藝包括：硅鋼片壓裝，轉子軸和硅鋼片的壓裝，絕緣片裝配到硅鋼片，整流子壓裝，繞銅線，點焊整流子，整流子精車等[5]。

圖2 汽車微電機組成

隨著環境保護和工廠無塵防爆的要求越來越高，轉子粉末涂敷絕緣工藝逐漸被絕緣片替代[6]。目前，絕緣片裝配工藝成熟，但基本屬于手動或半自動裝配，尤其對于斜槽轉子，由于絕緣片形狀不規則以及和硅鋼片的緊裝配要求，大部分廠商都采用手工裝配，勞動強度十分大。整流子壓裝工藝對于普通直槽轉子來說，多年來沒有本質上的改變，一直都是成熟的找角度裝配工藝(對于斜槽轉子，有其他新的裝配工藝)。繞線工藝相對來說比較特殊，由于其節拍瓶頸，需要多臺設備同時進行工作來保證整線的節拍，市場空間大，且競爭充分，普通直槽繞線機種類非常多，技術也十分成熟，競爭的焦點在效率和穩定性上；對于特殊轉子的繞線工藝，一般都屬于各廠家的核心工藝技術而不對外公開。精車和點焊工藝由于受轉子類型變化的影響相對比較少，因此多年以來，設備和工藝沒有太大變化，更新換代主要集中在設備節拍和工藝穩定性上，主流技術的節拍水平都在5 s以內，競爭十分激烈。

軸和硅鋼片的裝配作為電機生產的起始步驟，其裝配工藝尤為重要，是提升微電機性能、降低振動噪聲最為關鍵的工藝步驟之一。隨著汽車微電機的普及和市場的逐漸成熟，電機轉子受價格和性能因素影響非常大，一方面是降成本的壓力，要求產品做得小而輕；另一方面是汽車廠商不斷追求的“大扭矩，小體積，低噪聲”等目標，這無形中要求各汽車微電機廠家需要及時更新硅鋼片和轉子軸的裝配工藝，以適應原材料(轉子軸和硅鋼片)不斷更新換代的需求。

2 微電機轉子軸裝配工藝介紹

如圖4所示，轉子軸裝配實際上就是通過特殊的工藝設備，在不損傷軸表面的情況下，將軸插入硅鋼片的內孔，并滿足一定的裝配尺寸約束要求；同時要求軸和硅鋼片的配合聯結能承受一定的扭矩作用而保持相對位置和形態不發生改變。

圖4 轉子裝配示意圖

根據硅鋼片的原材料的狀態不同，硅鋼片分為硅鋼體(已經鉚壓完的成品)和散片硅鋼片，總體來說，散片硅鋼片的轉子軸裝配難度要比硅鋼體大，自動化裝配的設備復雜程度要高一些。

根據產品種類不同，轉子軸在裝配前的預處理不同，根據是否做預處理，轉子軸分為光軸和沖筋軸兩種。光軸從字面上就可以理解，這種軸在裝配時沒有經過任何預處理，尚處于原材料的來料狀態，裝配時，通過壓機或氣缸驅動相關夾具，直接將軸壓入硅鋼片內孔，并滿足相關尺寸要求，同時會有相應的硅鋼片鉚壓設備，通過特殊的工裝對硅鋼片的上下表面施加一定的壓力，使得硅鋼片與轉子軸建立起牢靠的緊密連接，軸和硅鋼片的結合面可以承受一定的扭矩而不發生松脫。光軸一般適用于直徑較大、且長度有限的轉子，軸表面會做相應的硬化處理，防止軸表面在壓裝時被硅鋼片劃傷。光軸的裝配工藝總體上對設備的要求不高，一般通過機器人或人工送料到放料位，然后釋放光軸，軸自由落體運動到指定位置，然后壓機將軸壓入到硅鋼片內。整個過程一般沒有預導向或導向裝置，軸和硅鋼片的相對位置由壓機監控并保證(如果是氣缸，會有相應的死擋來保證位置尺寸)，對于光軸的裝配工藝，本文不再贅述。

沖筋軸一般為細長軸，軸的直徑范圍大約在3～8 mm，在裝配前，在轉子軸與硅鋼片的結合區域(即圖4的沖筋區域)，用特殊的設備在軸表面的軸向上，刀具沖壓，形成一道道微小的凸起特征(筋)，且這些筋的外圓面直徑需要滿足指定的公差要求，通常筋的外圓直徑要稍大于軸的直徑。在裝配時，通過導向裝置或預導向裝置，將軸引導到硅鋼片的上方，然后壓機動作，將軸壓入到硅鋼片的內孔。由于沖筋軸的細長特性(細長軸一般不做整體硬化處理，軸端和表面容易被硅鋼片劃傷)，在壓裝前，需要保證軸和硅鋼片的表面基本處于垂直狀態，且軸和硅鋼片的對中要求非常高，所以沖筋軸的自動化裝配工藝，一直都面臨各種問題的挑戰，設備處于不斷發展優化的過程中，本文將著重介紹幾種沖筋軸的裝配工藝和設備。

3 微電機轉子軸裝配工藝種類

由于沖筋軸在裝配過程中，容易損傷軸的端部和表面(預導向裝置和硅鋼片都有可能損傷轉子軸)，所以長期以來，大多數廠家都選擇手工裝配方案，導致自動化裝配設備的開發進展緩慢。根據目前設備在市場上的應用情況，沖筋軸的裝配工藝大致可以分為半自動裝配、全程導向裝配、和半程導向裝配三種。

3.1 半自動裝配工藝

半自動裝配工藝，一般應用于半自動手工流水線，主要由三道核心工序組成，如圖5所示。

圖5 半自動裝配示意圖

硅鋼片分片工序(硅鋼片的原材料是一筒一筒的，需要用特殊的工裝夾具，按照指定片數進行人工分片)，軸沖筋工序(軸沖筋的送料和取料，人工完成)，軸插入硅鋼片工序(將沖筋軸手工插入到硅鋼片內孔指定深度，為后續軸和硅鋼片鉚壓做準備)，這些工序基本由操作工人手工完成，尤其是軸插入硅鋼片工序，操作工的動作柔和且可以任意調整軸的姿態，可以保證沖筋軸和硅鋼片不產生“劇烈”的接觸或碰撞，在沒有精確導向裝置輔助定位導向的情況下，依然可以避免軸端和表面的損傷，這是任何簡單機械設備都無法達到的工藝要求，這種生產工藝非常適用于小批量產且需要頻繁換型的場合。

3.2 全程導向裝配工藝

全程導向裝配工藝是專門針對硅鋼片在散片狀態下進行沖筋軸裝配的全自動解決方案(在將軸裝配到硅鋼片內孔時，硅鋼片沒有被鉚壓成一體，硅鋼片尚處于散片狀態)。如圖6所示，沖筋軸通過機器人從上一輔助工位(沖筋工位)，單件抓取并喂料到送料夾抓閉合位置，送料夾抓閉合將軸握住，機器人夾抓釋放，返回沖筋工位并抓取下一件到等待位等待；傳感器檢測擋板位置，若擋板處于閉合狀態，且擋板上方沒有軸在等待排隊，PLC發出指令，送料夾抓打開，沖筋軸被釋放并自由落體運動掉入導向夾具，沿導向夾具向下掉落(導向夾具的內孔形狀和沖筋軸的筋特征外形吻合，可以保證軸在掉落的過程中不發生偏轉或左右搖晃)，被閉合的擋板擋停并等待下一步動作。

圖6 全程導向裝配示意圖

在上一工序分片完成的硅鋼片，被放入WPC的夾具中，WPC夾具上的導向片會閉合并插入硅鋼片的槽里面(硅鋼片下導向片和WPC夾具為一體，隨WPC一起在皮帶線上流轉)，以保證硅鋼片在周向定位的一致性。帶有硅鋼片的WPC 在皮帶線上流動到本工位的正下方，被擋停器擋停并被WPC 定位單元位置鎖定，硅鋼片上導向片閉合，與WPC上的硅鋼片下導向片一起，形成連續的直線導向通道。下方壓機驅動硅鋼片頂升內外心軸往上運動，頂升內心軸穿過硅鋼片的內孔，頂升外心軸向上運動接觸硅鋼片的底面，和內心軸一起將硅鋼片向上頂升。硅鋼片從WPC 的夾具里面脫離，沿硅鋼片下導向片運動到硅鋼片上導向片(由于上下導向片在硅鋼片向上運動過程中，一直都與硅鋼片的槽保持接觸，所以可以保證硅鋼片的周向定位保持不變)，在頂升軸的作用下，硅鋼片會向上運動到軸裝配的目標位置(硅鋼片頂升位置)。此時傳感器會檢測到硅鋼片已經被頂到位，內心軸處于正確的接料位置，PLC發出指令，擋板被抽出，沖筋軸自由落體往下掉落，軸下端會和頂升內心軸的上端接觸，沖筋軸被擋停，傳感器檢測到沖筋軸已經向下掉落到目標位置，上方的伺服壓機接到指令，驅動壓機鉚壓軸向下運動，穿過導向夾具，沿著沖筋軸掉落的路徑一直向下運動，直至接觸到沖筋軸的上軸端。此時頂升內心軸會按照指令和上面的壓機鉚壓軸以相同的速度，上下托著沖筋軸一起向下運動(這個過程中，頂升內心軸回退，頂升外心軸保持頂升位置不動，將硅鋼片穩定在裝配位)，引導沖筋軸穿過硅鋼片，然后按照既定的壓裝程序，將沖筋軸壓入硅鋼片；同時伺服壓機會監控壓入深度和壓入力，到達既定壓入深度，且壓入力在指定的公差范圍，壓裝完成。上下導向片同時打開，鉚壓軸向上退回等待下一循壞，裝有沖筋軸的硅鋼片隨頂升外心軸一體向下退回到托盤，所有壓機回歸原位，WPC 放行信號就位，WPC 被定位單元放行，流至下一工位對硅鋼片上下表面進行鉚壓定型。

在壓裝過程中，如果壓入深度和壓入力超出設定范圍，設備會中斷正常壓裝程序，然后將不合格品放入WPC，并發出報警信號，本次壓裝產品會被RFID自動記錄成不合格品，按照不合格品處理程序流至NOK 皮帶線進行報廢處理。全程導向裝配工藝適合大批量生產的場合，生產節拍快，設備全自動，無需人工干預，生產效率高。但是設備部件多，設計復雜，制造和調試難度大，尤其是對參與導向的所有夾具和作業裝置，需要專門的對中件進行對中調試，所有加工件的制造精度要求非常高，裝配質量需要有豐富經驗的人員全方位控制，因此設備的總體制造成本太高。同時對物料公差要求也很嚴格，生產物料的公差必須在要求的范圍內，否則軸和硅鋼片會發生卡滯而無法輸送到位，一旦軸堵塞在導向裝置中，需要花很多的時間來排除故障并修磨夾具，耗時耗力，因此需要加強生產和維護的管理和控制，以保證設備正常運轉。

3.3 半程導向裝配工藝

上文中提到，散片的硅鋼片和軸的裝配對設備要求太高，很多廠商沒有配備高技能的維護隊伍，后期的生產效率難以保證。隨著原材料供應商對硅鋼片壓裝質量和工藝的日益改善，硅鋼片壓裝成硅鋼體的成本逐步降低，硅鋼片和硅鋼體的成本差別已經不是那么明顯，但硅鋼體和軸的裝配對設備的要求低，運輸保管、生產現場物料的轉移和設備的上料，硅鋼體都更有優勢，因此使用硅鋼體作為原材料慢慢成為一種趨勢。

如圖7所示，半程導向裝配工藝主要針對硅鋼體和沖筋軸的裝配。硅鋼體被機器人或自動上料機構輸送到轉盤的起始工位，然后將硅鋼體放入轉盤運載夾具(轉盤有8個工位，每個工位有1個運載夾具)，硅鋼體高度檢測裝置開始工作，會自動判斷硅鋼體是否為正確的物料類型(若來料有混料，PLC會發出報警信號，設備停止工作)，各傳感器檢測信號正常，PLC發出指令，轉盤按照設定的方向旋轉45°(轉盤上的8個工位不一定全部都使用，有些工位是預留給設備升級的)，移載氣缸從旁邊的沖筋工位把已經完成沖筋工序的軸抓取并經過平移旋轉等動作，然后夾軸三爪抓著軸在轉盤上方的等待位等待轉盤就位信號。轉盤轉動時，相應的傳感器會檢測轉盤運載夾具里面是否有硅鋼體(夾具里面若為空，無動作響應，轉盤繼續旋轉)，當檢測到有物料時，硅鋼體扶正夾抓閉合，將硅鋼體固定于軸的正下方，和扶正夾抓一起動作的導向夾抓也會同步閉合，為沖筋軸形成預導向通道，等待下一步動作。

圖7 半程導向裝配示意圖

相關傳感器會檢測導向夾抓內是否已經放置了沖筋軸，若為空，夾軸三爪會向下移動至放料位，此時沖筋軸的下端會進入導向夾抓上面的接料口(導向夾抓上部設置有喇叭口形狀的倒角)，夾軸三爪釋放沖筋軸并回退進入下一循壞。在夾軸三爪釋放沖筋軸的同時，吹氣裝置開始工作，沖筋軸在導向夾抓中做自由落體運動，壓縮空氣會搖晃下墜的沖筋軸，使其掉落更加順暢。當軸自由落體到位后，沖筋區域的下部會和硅鋼片接觸而擋停沖筋軸，傳感器會檢測軸是否落到硅鋼體內的指定位置，如果到位，吹氣裝置停止工作，轉盤往下一工位旋轉至軸鉚壓工位，伺服壓機按照設定的程序將沖筋軸壓入硅鋼體內，同時監控壓入力和壓入深度是否在公差范圍，軸鉚壓完成后，轉盤轉動至下一工位，卸料裝置會把合格的轉子取走并放置到下一工序。否則，按照廢料報廢程序處理不合格品。

半程導向裝配工藝，設備結構簡單，調試和維護都比較容易，總體制造成本適中，生產效率高，適合大批量生產的場合，是目前市場上性價比較高的解決方案之一。但根據設備的調試經驗，半程導向裝配工藝的關鍵點：沖筋軸被釋放后，是否可以順利的通過導向夾抓，然后成功掉落到硅鋼體內，是這個方案的成敗關鍵。由于客戶的物料批次不同，硅鋼片的內孔孔徑公差變化很大(材料供應商用同一把刀具沖壓硅鋼片，孔徑公差會隨刀具使用次數的變化而變化)，加上硅鋼片內孔存在一些微小的毛刺，如果不對硅鋼片進行相應的預處理，通常沖筋軸掉落的失敗率在15%～20%左右(軸卡在硅鋼體上部，無法掉落到既定位置)。因此，在軸裝配工位的前一工位，設置一道去毛刺的工藝，如圖8所示。

圖8 半程導向裝配-去毛刺工藝示意圖

去毛刺工位利用轉盤上預留的升級工位，由升降氣缸、旋轉氣缸和夾具軸組成，夾具軸的下端部呈錐形，直徑比硅鋼片的最小內孔稍小，并裝配于旋轉氣缸下部，可以正反往復旋轉，當轉盤旋轉到當前工位時，傳感器檢測運載夾具中是否有硅鋼體，然后升降氣缸驅動旋轉氣缸下降到既定高度，夾具軸穿過硅鋼體，旋轉氣缸開始動作，升降氣缸上下做微動，300 mm延時結束，升降氣缸退回，旋轉氣缸停止轉動，去毛刺工藝結束。去毛刺工序可以大大提升軸掉入硅鋼體內的成功率，可以使設備更好的適應不同物料批次的變換，是保證設備正常運轉的關鍵補充工藝。

4 結 語

微電機轉子的軸裝配工藝，隨著材料技術和自動控制技術的發展，非標設備設計和制造技術會不斷推陳出新，設備會不斷朝智能化和信息化方向發展：

1) 伴隨人力成本的逐步上升，全自動解決方案正越來越獲得各制造廠商的青睞，全程導向或半程導向的軸裝配工藝將會得到推廣。

2) 全程導向工藝，設備制造和調試較復雜，后期需要有相關經驗的工程師進行維護和保養，但降低了對原材料的熱處理要求，可以節約原材料采購成本，在經濟型微電機領域具有較大的市場空間。

3) 半程導向工藝，充分考慮具體國情，以及后期維護保養的成本，同時也考慮到了國內原材料供應的特殊性，在設備制造和調試、原材料精度要求等方面尋找平衡，總體制造成本不高，后期使用維護方便，是當前比較理想的解決方案。

4) 手動和半自動方案，在某些特定的場合，例如小批量作坊式生產等，還具備一定的優勢和市場。

5) 隨著熱處理技術的提高，對轉子軸的表面硬化處理成本慢慢降低，未來對設備的精度和工藝要求會逐步降低，但為了提升生產效率，對設備節拍和穩定性的要求會逐步提高，主流的生產節拍將會朝3 s，甚至2 s邁進。

6) 隨著工業物聯網的發展，配套的工業信息化將全面導入，加強對原材料物流、AGV轉運、成品入庫的管理，形成全流程的價值流管理，將慢慢變成現實，可以實現對生產過程和成品流轉的全流程管理和追蹤。