鐵殼電機自動化裝配線設計研究

劉學東

【摘要】在電機行業中，鐵殼電機的應用十分廣泛。由于人工裝配存在很多不足之處，諸如裝配質量缺乏穩定性、裝配效率不高、勞動強度非常大等，所以企業應該強化對鐵殼電機傳統裝配工藝的改進。在本文的研究中，主要結合當下企業的具體需求，對鐵殼電機自動化裝配關鍵技術問題展開了深入剖析和研究，設計了一條鐵殼電機自動裝配線。在研究中，對鐵殼電機自動化裝配線設計展開了分析，闡述了鐵殼電機自動化裝配線節拍設計以及布局設計。同時，設計了鐵殼電機自動裝配線關鍵站，對定子自動化裝配工作站展開了結構設計，針對壓裝期間出現歪斜現象這一難題，設計了一種基座壓裝定子的結構方案，很大程度上促進了壓裝過程可靠性的提高。然后在對自動化裝配線設計節拍以及企業需求充分考量的基礎上，科學地對后端蓋自動化裝配工作站進行結構設計。此外，在轉子自動裝配工作站方面也進行了結構設計，在確保軸承組件移動量以及轉子能夠充分滿足的基礎上，對其移料機械手滾珠絲杠的參數以及選型進行了合理設計，最終建立了鐵殼電機自動化裝配線三維模型。本文所采用的設計方式為上下式基本布局上，能夠在符合鐵殼電機自動化裝配的前提下，有效對系統的總體成本進行降低，具有較高的參考價值。

【關鍵詞】鐵殼電機;自動化裝配線;設計

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

20.

緒論

電機屬于第二次工業革命中的關鍵產物，在電力工業以及交通等領域中發揮著非常大的作用和價值。現階段，我國電機的品種比較多樣，數量繁多。尤其是在生產力科技發展進程深入推進的新時期下，電機新材料以及技術也得到了全面創新，電子微電機等高性能的電機漸漸出現在了市場中，有效促進了國民經濟建設的有序開展。電機生產主要是由零件加工以及零件裝配共同組合而成。但是目前，我國很多中小電機生產工廠在發展期間，大多對人工裝配工藝進行利用，成本相對較高，廢品率頗高，產品質量相對較低，不能夠滿足現階段復雜工藝以及多種類的電機制造需求。所以，在這種背景下，一定要加強對現代化先進技術的應用，能夠通過智能化以及數字化等的支持，強化提高制造領域智能化水平，有效對生產成本進行降低，以便生產效率和產品質量可以高效提升。

一、自動裝配技術

自動化生產線是在裝配線的基礎上逐步發展起來的，不僅要求生產線上的各類加工設備能自動完成計劃的工序和工序，使產品成為合格產品，而且還要自動完成工件的裝卸、定位、均勻包裝，通過自動支撐等輔助裝置按工藝順序連接各類機械加工裝置，并通過液壓系統、氣動系統、電氣控制系統連接各部件的動作，我們稱這種自動工作機構為自動生產線。國外自20世紀50年代到今天，自動裝配技術的發展經歷了數控裝配機、裝配機器人等多個方面的發展。近年來，柔性裝配系統（FAS）已成為自動化裝配領域的研究熱點，發展迅速。柔性裝配系統由可編程、可擴展的接口系統、物料輸送系統、基地建設系統、安裝機器人系統、控制系統和管理系統組成，隨著基地定位等自動化裝配部件的規范化和標準化，在柔性裝配領域，采用了自動裝配系統，日本Fanako公司作為世界上最大的數控系統公司，通過使用小型通用機器人（LR mate 100I）和基于圖像傳感器的智能機器人精確定位零件，完成了復雜裝配工作的自動化，保德電氣公司自動化系統在定子上進行墨束標記，實時準確地跟蹤定位定子，并將其引入管道控制服務器網絡，實現物理對象與信息數據的連接。國內許多智能裝備公司都開發了發動機自動裝配線，如杭州厚達自動化系統有限公司、廣東恒信智能裝備有限公司等，解決了轉子自動裝配的問題，定子導葉等工藝問題得到解決，國內大型發動機生產企業，包括濟寧電機廠、北京電機股份有限公司等，也開始探索開發自動化程度更高的發動機試驗線。

二、鐵殼電機自動化裝配線設計要求及結構分析

1.鐵殼電機自動化裝配線設計要求

現階段，我國裝配技術存在較強的滯后性，一些中小企業在發展過程中，對手工裝配工藝的應用較為廣泛，致使我國制造業的整體水平得不到提高。而在電機制造期間，裝配占整個制造的絕大部分比例，大約在40%～60%。但是，很多中小企業采用人工裝配流水線作業，屬于勞動密集型產業，自動化程度相對較低，裝配工具無法及時地進行更新，生產效率不高，還存在較高的廢品率，不利于電機制造行業的良好發展[1]。所以，應該強化對鐵殼電氣自動化裝配線的設計，明確鐵殼電機自動化裝備線設計需求，具體如表1所示。

2.鐵殼電機結構分析

所謂的鐵殼電機，具體組成部分相對較多，諸如定子鐵芯、基座以及軸承等，具體如圖1所示為鐵殼電機關鍵部件結構分解圖。從圖中可以看出，鐵殼電機總體呈分布式的結構，其中，1代表后端蓋，2代表定子鐵芯，3代表基座，4代表轉子，5代表軸承，6代表前端蓋。

三、鐵殼電機自動化裝配線具體設計

1.鐵殼電機自動化裝配線節拍設計

（1）鐵殼電機自動化裝配線節拍分析

要實現鐵殼電機的自動裝配，首先要明確裝配工藝。裝配工藝的合理性，在很大程度上影響著鐵殼電機自動裝配設備的運動形式、結構與體積大小、裝配效率、裝配質量以及裝配過程的可靠性。針對鐵殼電機自動化裝配線節拍而言，整條裝配線的工序具體如下：

定子辨向→定子上料→心軸上料→基座上料→定子壓裝→機械手抽線→心軸下料→后端蓋上料→后端蓋壓裝→后端蓋鎖螺絲→翻轉機械手翻轉180°→轉子組件上料→前端蓋上料→前端蓋壓裝→前端蓋鎖螺絲→成品下料

通過對某機電制造企業鐵殼電機自動化裝配工序的分配流程可以明確，在對自動化裝配線進行分配劃分方面，具體的分配如表2所示。

通過列表1的分析可以看出，工位10所消耗的時間最長，同時也是最大的工位時間.而工位10與工位3平均工位時間的相差相對較大，最終導致生產出現了堆積的情況，對裝配線整體生產效率和質量的提高造成了很大阻礙。并且，在具體工作期間，員工工作時間存在很大的差距，致使出現了負面的情緒，導致為了能夠快速完成工作，而忽視了工作的質量[2]。

根據工作時間來對各個工位進行平均分配，能夠很大程度上對各工位不平衡的情況進行解決[3]。所以，在確保不對產品率以及作業順序等進行影響的前提下，可以重新分配各個工位的工作量，以保證各工位的工作量能夠具有較強的均衡性。在此期間，可以將評價裝配線負荷的評價函數η引入其中，具體公式如下：

η=產品裝配總作業時間/裝配線工作中心數×生產節拍

通過公式可以明確，裝配線的系數如果相對較大，那么流水線的整體生產效率也會大幅度提升[4]。一般情況下，最為合適的裝配線復負荷系數應該盡可能在80%以上。

生產節拍具體是指裝配線瓶頸工位的工位時間，具體由表1可以看出，生產節拍C=39.0秒，由上述的公式可以得出：裝配線負荷系數η

=241.5/39.0×14=44.23%

依照最終的結果得出，44.23%要比80%小很多，因此工位的分配不合理，在后續的設計中還需要進一步優化。

（2）鐵殼電機自動化裝配線節拍優化

將表1所獲得的數據作為基礎，對鐵殼電機自動化裝配線節拍進行優化，工位以及工作時間優化后具體情況如表2所示。

通過對表2的進一步分析可知，生產節拍C=20.8秒，負荷系數為：

η=234.5/20.8×14=80.53%

依照最終的結果，80.53%大于80%，所以這種優化方式具有較強的合理性以及有效性。

2.定子自動化裝配工作站設計

在對定子自動化裝配工作站進行設計的過程中，針對功能設計，需要將定子自動化裝配工作站的實際需求作為依據，科學地對總功能模型圖進行構建。

在模型圖構建完畢之后，要將具體情況作為依據，科學的對模型圖進行劃分，合理劃分成多個子功能，然后科學地融入相應輔助功能。

在具體的定子自動化裝配工作站結構設計過程中，應該從多個層面加以考量，合理進行設計。在對物料輸送結構進行設計期間，為了能夠最大程度地將以往物料輸送方式滯后的問題加以解決，可以對倍速鏈輸送機進行有效的應用，保證能夠讓整體的工作效率和質量得到提高。

在進行基座壓定子結構設計環節，應該確保壓入過程中的壓入深度能夠滿足既定要求和標準，將定子鐵芯與基座同軸度，讓基座不能與定子鐵芯出現傾斜的情況，定子鐵芯位置接線不會被壓壞。在設計過程中，可以將壓裝底座安裝固定在工作臺上，將心軸插入到定子鐵芯內孔中。因為心軸的外表面有鐵磁，所以可以在一定程度上將定子鐵芯吸引住。之后，心軸連帶定子一同放到壓裝底座上來進行連接，并用緊定螺釘對心軸進行頂緊，將定子的定位固定工作完成之后。最后將基座對準定子，從上向下放入，在壓力機的影響下，基座壓裝到定子上。針對這一方式，基座在具體的壓裝階段，定子鐵芯與基座同軸度。

3.后端蓋自動化裝配工作站設計

在具體的設計工作開展過程中，需要將后端蓋自動化裝配工作站的具體功能需求作為主要的研究依據，合理地對功能模型進行構建。

將構建好的總功能模型圖進行合理的細分，然后融入相應的功能，讓其獲得子功能結構圖。

在進行后端蓋上料機構設計的過程中，因為后端蓋的上料所應用的是彈匣式上料模式，借助自動化機械手臂能夠實現抓取上料，整體的效果相對良好。所以，依照這一特點，所設計出來的儲料以及推料機構如圖7所示。

在對后端蓋壓裝機構進行設計的過程中，可以借助氣缸活塞桿的伸縮運動，對后端蓋壓頭上下運動，有效的帶動，保證能夠起到較為良好的緩沖效果。結合這一特征根，得出的設計為如圖8所示。

4.轉子自動化裝配工作站設計

依照其功能需求，在實際的設計過程中，需要先對總功能模型進行設計。

在對總功的模型圖設計完畢之后，需要對模型進行科學的劃分，讓其能夠形成多個子功能。

在開展設計工作過程中，轉子的上料可以對料盤式上料模式加以利用，相關人員可以將轉子放在斜道式料倉槽內，確保其能夠滑動到料倉的底部，然后讓凹型轉子滾動到板處停留下來，通過轉子上料機械手來進行上料，最終到達轉子軸承壓裝支架上。依照轉子料盤式上料的具體原理，設計出來的轉子上料結構。

結論：

在本文的研究中，主要針對傳統電機裝配效率低以及質量差等問題展開了深入探析，設計了一套鐵殼電機的自動化裝配設備，力求可以促進企業核心競爭力的提高，讓企業能夠在市場中占有一定份額。在實際設計過程中，主要從自動裝配需求層面考量，將以往的裝配工藝作為依據，合理地制定了鐵殼電機自動化裝配工藝路線，并對裝配工序進行了科學的工位劃分，有針對性地對裝配線進行設計，最后從裝配線成本等角度出發，依照上下式流水線布局的模式，明確了鐵殼電氣自動化裝配線的總體布局。同時，借助故障模式影響以及危害度分析方式，對鐵殼電機裝配線進行了可靠性分析，并設計了轉子自動裝配工作站以及電子自動裝配工作站，很大程度上促進了裝配精度的提高。

參考文獻：

[1]程攀.鐵殼電機自動裝配線設計研究[D].浙江工業大學，2019.

[2]董鵬、吳仲禮、褚磊、陳玉杰.水泵交流電機定子生產線設計及自動化研究[J].黃河科技學院學報，2020，v.22;No.123（11）：37-43.

[3]李志梅，周圣林，趙振魯.YL-335B自動線裝配單元創新設計與實現[J].沙洲職業工學院學報，2019，022（002）：9-15.

[4]王衛東.風扇馬達裝配檢測線自動化設計研究[J].自動化應用，2020（01）：17-18.