智能制造背景下電機裝配線軸承壓裝工作站改進設(shè)計*

蔣立正，尤光輝，祝洲杰

（浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，杭州 310053）

0 引言

電動機是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備，大到飛機坦克，小到微型機器人，電機是這些設(shè)備的核心驅(qū)動力量。作為現(xiàn)代機械的“心臟”，電機行業(yè)屬于典型的離散制造模式，各零部件的加工裝配過程彼此獨立。當(dāng)前中國的中小型電動機制造業(yè)開始向規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化和自動化方向發(fā)展，但是很多小型生產(chǎn)電動機企業(yè)的制造工藝及組裝還嚴(yán)重依賴有經(jīng)驗的工藝師和技術(shù)工人，在推行智能制造的當(dāng)下，高效化和智能化是電機產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然方向。近年來，國內(nèi)很多企業(yè)陸續(xù)開發(fā)了電機裝配線[1-2]，自動化程度也較高，但是在裝配線的可靠性、無人化、效率和數(shù)據(jù)可追溯性等方面還有待提高和完善。軸承壓裝是電機組裝中的重要工序，其過盈連接質(zhì)量、壓裝精度將直接影響電機軸承最后運行的性能和效果。電機軸承的安裝方法有敲入法、冷裝法和熱套法3種[3-4]。

隨著工信部在電機行業(yè)開展智能制造方面的新模式應(yīng)用項目推廣，受浙江某風(fēng)機電機制造企業(yè)委托，立足智能制造，以精益生產(chǎn)為理念，承接過一條電機智能裝配生產(chǎn)線的研制[5-6]。過去，企業(yè)在軸承壓裝工作站上一直使用電機臥式軸承壓裝機進行操作，如圖1所示，通過轉(zhuǎn)子軸與軸承過盈壓裝，一次操作同時將兩端軸承安裝到位。該壓裝方法存在壓裝力及位移控制精度差、占用空間大、噪聲嘈雜以及管路漏油等問題[7]，另外，壓裝過程的接口交互及數(shù)據(jù)處理能力差，無法實時采集壓裝位移-壓力曲線數(shù)據(jù)、壓裝結(jié)束后捕獲的關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，不利于質(zhì)量監(jiān)控與追溯分析。本文針對上述現(xiàn)狀，在分析軸承過盈壓裝技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，改進了一種風(fēng)機電機轉(zhuǎn)子軸與軸承壓裝工作站，與總裝線無縫銜接，以降低安裝成本，提升壓裝效率和壓裝質(zhì)量，滿足多品種、小批量的智能化生產(chǎn)需要。

圖1 使用專用臥式油壓機裝配轉(zhuǎn)子軸承

1 過盈壓裝技術(shù)要求及參數(shù)

1.1 過盈壓裝對象—轉(zhuǎn)子軸組件

圖2所示為YSF-90風(fēng)機電機的電機軸承交叉定位結(jié)構(gòu)布置，該結(jié)構(gòu)在小型電機中普遍使用。

圖2 電機軸承交叉定位結(jié)構(gòu)布置

轉(zhuǎn)子軸和雙深溝球軸承的內(nèi)圈均為過盈配合，轉(zhuǎn)子軸與軸承之間的過盈聯(lián)接基本尺寸為25 mm，過盈量范圍是21～36μm。轉(zhuǎn)子軸組件如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子軸組件（軸承入軸后）實物

1.2 軸承壓裝工作站技術(shù)要求

（1）壓裝要求：軸承壓入后，L尺寸公差范圍為±0.1 mm；工裝保證軸承安裝質(zhì)量，要求工裝的壓力均勻壓向軸承內(nèi)圈；工裝和軸承內(nèi)圈接觸的平面和轉(zhuǎn)子軸中心線垂直，保證軸承垂直進入。

（2）自動化功能要求：轉(zhuǎn)子軸及軸承均采用自動上料，壓裝后的轉(zhuǎn)子軸組件自動下料。

（3）自動化性能要求：生產(chǎn)節(jié)拍小于或等于45 s；廢品率低于0.3%；工作站與總裝配線無縫銜接。

2 工作站總體結(jié)構(gòu)改進

2.1 改進后工作站總體結(jié)構(gòu)

改進后工作站的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，由轉(zhuǎn)子軸及軸承自動上料裝置、轉(zhuǎn)子軸定位裝置、壓裝固定側(cè)、壓裝移動側(cè)、壓裝驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)子軸組件下料機械手（限于篇幅未示出）等組成。

圖4 改進后工作站的總體結(jié)構(gòu)（3D視圖）

經(jīng)品質(zhì)檢測合格后，由人工將轉(zhuǎn)子軸及軸承存儲在斜滾道及軸承料倉中，利用重力、借助推料機構(gòu)等方式依次將轉(zhuǎn)子軸、軸承推入相應(yīng)夾具；為保證壓裝過程的導(dǎo)向精度，設(shè)置了定位、支撐與導(dǎo)向機構(gòu)，使壓裝固定側(cè)、壓裝移動側(cè)和壓裝驅(qū)動裝置三者間的準(zhǔn)確對合，保證壓裝過程中的高導(dǎo)向精度；氣液增壓缸安裝于壓裝驅(qū)動裝置的安裝座上，驅(qū)動推桿端部安裝稱重式傳感器和過渡壓頭，位移傳感器與壓頭平行安裝，同步運動，如圖5所示。

圖5 改進后工作站的總體結(jié)構(gòu)（局部剖）

2.2 工作站工作原理

工作站工作原理如下。軸承、轉(zhuǎn)子軸自動上料機構(gòu)動作，壓裝移動側(cè)定位軸承、轉(zhuǎn)子軸至壓裝正確位置；氣液增壓缸推動壓裝移動側(cè)，在壓裝固定側(cè)、移動側(cè)模具動作壓內(nèi)圈軸承；壓裝過程自動記錄壓裝力-位移曲線；壓裝完成，各執(zhí)行機構(gòu)返回原位，準(zhǔn)備下一循環(huán)。

3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

關(guān)鍵部件指由壓裝驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)子軸自動上料裝置、壓裝固定側(cè)、壓裝移動側(cè)等，如圖4所示。

3.1 壓裝驅(qū)動裝置改進設(shè)計

根據(jù)理論壓裝力計算公式[8-10]，結(jié)合工況梳理得到如表1所示的參數(shù)值，可計算壓裝力F。

將表1數(shù)據(jù)代入式（1）后，可得到：

且Fend最大理論壓裝力為F的3～3.5倍：

表1 理論壓裝力計算所需的設(shè)計數(shù)據(jù)

實際應(yīng)用中，精度是和企業(yè)成本直接掛鉤的，沒有單純靠提高精度來滿足裝配要求。在壓裝驅(qū)動源的選擇中，選用價廉的氣液增壓缸而非昂貴的伺服電動缸。氣液增壓缸的選型計算需要根據(jù)具體的使用條件選定匹配的型號，因位移控制精度要求在0.2 mm以內(nèi)，選擇玖容水平安裝型氣液增壓缸JR-AA-63-150-40L-3T-A，在氣壓為0.6 MPa時，出力3 t，可利用軟到位功能且滿足行程公差控制要求。

圖6所示為壓裝驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)簡圖，連接環(huán)、連接板1、2等構(gòu)成過渡壓頭，處于上下浮動狀態(tài)，使液壓增壓缸產(chǎn)生的壓裝力可以完全施加到稱重式傳感器上，保證壓裝力測量的可行性；當(dāng)轉(zhuǎn)子軸移動到達壓裝固定側(cè)，當(dāng)壓裝移動側(cè)上的定位釘與安裝在轉(zhuǎn)子軸定位滑座下方的位移傳感器接觸，便可方便測得壓裝位移值的大小；另外，可一次操作同時將兩端軸承安裝到轉(zhuǎn)子軸正確位置。

圖6 壓裝驅(qū)動裝置的改進結(jié)構(gòu)

3.2 壓裝固定側(cè)及壓裝移動側(cè)的結(jié)構(gòu)改進

待轉(zhuǎn)子軸進入V型定位塊，且兩端軸承在推料氣缸、夾緊氣缸的作用下均處于軸承腔室，壓裝驅(qū)動裝置通過過渡壓頭壓住軸承內(nèi)圈帶動V型定位塊及整個壓裝移動側(cè)往壓裝固定側(cè)移動，待軸承入轉(zhuǎn)子軸正確位置，完成整個壓裝過程，如圖7所示。

3.3 轉(zhuǎn)子軸自動上料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖7 改進后壓裝固定側(cè)及壓裝移動側(cè)的結(jié)構(gòu)

利用人工將階梯狀轉(zhuǎn)子軸置于斜滾道，滾道底部設(shè)置限位擋，轉(zhuǎn)子軸在重力作用下自下而上排列；需要上料時，由頂升氣缸、直線軸和直線軸承組成的升降機構(gòu)將轉(zhuǎn)子軸從斜滾道中分離，轉(zhuǎn)子軸沿滑槽進入圖7所示的V型定位塊，如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)子軸自動上料裝置的結(jié)構(gòu)

4 工作站控制系統(tǒng)改進設(shè)計

借鑒其他軸承裝配線的控制系統(tǒng)設(shè)計[11]，結(jié)合本裝配線的過程信息自動檢測、數(shù)據(jù)存儲及產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析與追溯等需求，升級原有控制系統(tǒng)。電機裝配線由多個工作站組成，各工作站均設(shè)置有獨立的電控系統(tǒng)，各工作站由工控系統(tǒng)、PLC、觸摸屏、壓力傳感器、位移傳感器、電磁閥、氣缸等組成，實現(xiàn)單工作站的自動控制；各工作站之間通過PROFINET互聯(lián)，便于裝配線內(nèi)部集中管控。

裝配線的各PLC和上位系統(tǒng)之間均采用以太網(wǎng)通訊，設(shè)備層基于PROFINET/OPC通信，實現(xiàn)對設(shè)備的集中管理與分散控制；支持RFID設(shè)備、打印機等RS232C/422/485通信，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換可以接入交換機，實現(xiàn)與其他零部件的組網(wǎng)；圖9所示為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可降低電氣接線難度，簡化電氣控制系統(tǒng)；對總裝線上裝載電機的托盤進行信息化標(biāo)定（安裝RFID標(biāo)簽），并對關(guān)鍵工藝位置安裝數(shù)據(jù)讀寫設(shè)備（安裝RFID讀寫頭），讓每一步工藝數(shù)據(jù)有據(jù)可查，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程透明化、信息可視化。

圖9 工作站控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及硬件組成

控制系統(tǒng)采用先進的氣動液壓混合式壓裝，壓裝壓力與位置檢測裝置配合PLC控制，上位機記錄并存儲、反饋壓裝質(zhì)量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)壓裝數(shù)據(jù)的本地保存與歷史查詢、追溯等功能，改善轉(zhuǎn)子軸與軸承組裝依靠人工測量和經(jīng)驗判斷產(chǎn)品質(zhì)量的現(xiàn)狀。

重要的是，軸承壓裝合格判據(jù)的確定對控制壓裝轉(zhuǎn)子軸組件的質(zhì)量起到了關(guān)鍵的作用[12]。因此，壓裝過程中控制系統(tǒng)還實時采集了壓裝力信號和位移信號，并根據(jù)曲線動態(tài)監(jiān)控壓裝過程。

5 結(jié)束語

本文通過分析轉(zhuǎn)子軸與軸承過盈壓裝的技術(shù)要求，改進了工作站的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，完善了壓裝單元各部件構(gòu)成，提升了壓裝性能，如位置控制精度和壓力控制精度得以提升，未發(fā)生壓力過沖現(xiàn)象，減少了廢品的產(chǎn)生，壓裝質(zhì)量有明顯改善。同時，一次連續(xù)操作可完成兩側(cè)軸承的壓裝過程，減少了工裝投入，生產(chǎn)節(jié)拍小于35 s，工作效率有了提升，可為同類型壓裝設(shè)備開發(fā)提供借鑒。

控制系統(tǒng)改進方案基于現(xiàn)場總線技術(shù)，具有一定先進性，可以滿足壓裝過程的信息自動檢測、數(shù)據(jù)存儲及質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析與追溯等需求。