一種微型步進電機摩擦齒輪組彈圈自動壓入設備設計

凌 斌，王永亮，廖新明

（日本電產三協電子（東莞）有限公司，廣東東莞 523325）

0 引言

隨著市場競爭的日趨激烈，企業生產勞動力成本的增加，國內各工業企業爭相開展設備革新，各行各業秉持機械換人[1]，從而降低企業成本，其中微型電機[2]摩擦齒輪組彈圈壓入工序，傳統工藝方式一般采用人工手動壓入或采用粗糙的簡單機械治具實行半自動生產，原人工手動壓入生產時，產生的齒輪內壁傷多，彈圈易脫落，摩擦轉矩不在規格范圍內多發，手動機臺模具不能通用，換模及調試頻繁，影響稼動率。簡單機械治具半自動生產時，往往存在沖壓精度不足，齒輪內壁刮傷或彈圈易變形，針對上述兩種工藝生產弊端，微型電機摩擦齒輪組彈圈壓入工序急需改進轉化。本文從減少企業人力成本、提升企業自動化程度的方向出發，針對彈圈產生時齒輪內壁傷多、彈圈易脫落、摩擦轉矩超規格等問題，設計研發摩擦齒輪組彈圈壓入自動化設備[3]。設備主要運用現階段工業自動化技術，采用氣動沖壓方式作為主作業工藝方法，自動沖壓氣缸結合獨特的彈圈柔性壓入治具，有效實現齒輪組彈圈的無傷壓入，提升了本工序摩擦齒輪組彈圈壓入的生產效率以及良品率，同時采用震動盤結合自主設計的專用導料軌，作為彈圈零部件的自動送料機構，為逐步實現智能制造[4]打下基礎。

1 摩擦齒輪組彈圈的自動壓入方案

摩擦齒輪組彈圈自動壓入始終以提升產品品質、提高生產效率和減少工人勞動強度為目標，采用震動盤自動化供料和精密氣缸精準送料為基本思路，分別設計摩擦齒輪[5]自動供料機構和彈圈自動供料機構，同時針對彈圈產生時齒輪內壁傷多、彈圈易脫落、摩擦轉矩超規格等問題，設計了柔性沖壓機構，再通過工業編程控制系統[6]將三大機構有機結合，同時考慮設備故障時怎么能快速維修調整為中心，最終在優化設計、通力協作、有序運行前提下，實現設備每天高效率生產，減少公司運營成本。

微型步進電機摩擦齒輪組完整部組件由3 個部件構成：小齒輪、大齒輪、彈圈依次按順序組裝，大、小齒輪組裝完畢成摩擦齒輪（已在前工序完成），彈圈自動壓入機將彈圈壓入摩擦齒輪中心的小齒輪內壁凹槽里，使小齒輪擴張卡緊在大齒輪內壁。組裝工藝流程如圖1所示。

圖1 摩擦齒輪組組裝工藝流程

1.1 設備整體

摩擦齒輪組彈圈自動壓入機主要由柔性沖壓機構[7]、齒輪組送料震動盤、彈圈供料震動盤、操控系統（觸摸屏、PLC、電磁閥）、機加工零件、光感元件、市購品標準件、氣動元件等部分組成。如圖2所示。

圖2 彈窗自動壓入機

1.2 彈圈自動壓入工藝困難點

（1）移送精度不足時，彈圈自動壓入就無法進行，所以設備移送精度為首要考慮要素。

（2）齒輪定位治具通孔及下沖壓治具的設計不到位，會造成齒輪壓傷、彈圈偏位、彈圈漏裝、摩擦轉矩不在規格范圍內等眾多問題。如圖3所示。

圖3 彈圈壓入不良類型

（3）上沖壓治具（沖壓頭）、齒輪定位治具以及下沖壓治具必須保持高精度的同心度，否則會齒輪壓傷、彈圈偏位、漏圈等問題。

（4）部件彈圈加工精度差異，容易造成摩擦齒輪組的摩擦轉矩[8]不在規格范圍內特性差異問題發生。

2 彈圈自動壓入機重要機構說明

2.1 柔性沖壓機構

柔性沖壓機構由沖壓動力氣缸、上沖壓治具、齒輪組及彈圈定位治具、下沖壓治具及落料機構組成。如圖4所示。

圖4 柔性沖壓機構

2.1.1 齒輪組及彈圈定位治具與下沖壓治具

彈圈自動壓入設備經過初期試做運行，發現齒輪定位治具的通孔外形及下沖壓治具的軸芯外型對彈圈壓入的品質有重要影響，會造成齒輪壓傷、彈圈偏位、彈圈漏裝、摩擦轉矩不在規格范圍內等問題，所以齒輪定位[9]治具的通孔外形及下沖壓治具的軸芯外形的相關寸法經過多次檢討及研究重新設計，最終滿足彈圈自動壓入設備使用，達到高品質、高產能需求。如圖5 所示。

圖5 彈圈定位治具與下沖壓治具

因摩擦齒輪的摩擦轉矩要求高，共有40 多個機種9種不同摩擦轉矩要求，摩擦轉矩在5.8～22 mN · m 間，摩擦轉矩的允許變化范圍是2.4～7.9 mN · m。如其中一機種要求齒輪摩擦轉矩在12.8 mN · m～16.2 mN · m 之間，摩擦轉矩的允許變化范圍是3.4 mN · m。治具的共通性或模具快速調整性就是設計的重中之重，在為了確保摩擦齒輪壓入彈圈的品質，減少不良品產出，同時延長沖壓治具的使用壽命，使用同設備相同沖壓力度以及相同材質的治具，通過圖6 中①②③種治具配套方案實驗研究后，第①種治具配套方案在沖壓過程中出現彈圈偏位較多，小齒輪也容易被壓傷；第②種治具配套方案在沖壓過程中，彈圈容易脫落，摩擦轉矩不在規格范圍內多發，第③種治具配套方案適合，彈圈壓入定位良好，摩擦轉矩適中，滿足微型步進電機需求。如圖6所示。

圖6 治具配套方案

2.1.2 齒輪組落料機構

摩擦齒輪組在彈圈自動壓入后會因彈圈嵌入使摩擦齒輪組中心孔收緊，從而緊配到沖壓頭的軸心上，當沖壓完成，摩擦齒輪組便與沖壓頭一并提起復位，再由落料機構將摩擦齒輪組從沖壓頭上撥下收集。

2.2 彈圈寸法對摩擦齒輪組的影響分析

微型步進電機對摩擦齒輪組的摩擦扭力大小是有要求的，摩擦扭力太小，則會影響步進電機正常扭力輸出[10]，摩擦扭力太大，則會增加步進電機的斷齒風險，而摩擦齒輪的摩擦扭力主要取決于彈圈的擴張力，故而彈圈寸法對于摩擦齒輪組十分重要，必須嚴格管控，因此彈圈的自動供料機構應該具有彈圈寸法防呆功能，以保障彈圈壓入后，摩擦扭力的正常。

2.3 齒輪組自動上料機構

齒輪組自動上料機構由震動盤、直震器及齒輪吸抓組成。齒輪組經震動盤和直震器自動送料到上料預備位置，再由齒輪吸抓吸取送上齒輪組固定治具上進行彈圈壓入，因齒輪組彈圈壓入后對彈圈缺口有位置要求，特根據齒輪組外形特征對齒輪吸抓進行設計，再配合齒輪吹氣調整使其達到正確吸取齒輪要求。可以避免因齒輪吸取不良而導致彈圈壓偏的現象產生，提升設備效率。吸抓外形如圖7所示。

圖7 齒輪吸抓

2.4 彈圈自動供料機構

彈圈自動供料機構由震動盤、彈圈推料氣缸及相關治具部件組成。彈圈經震動盤送料到供料治具凹槽上，由推料氣缸推到吸抓吸取位，再經吸抓送上沖壓治具軸芯處進行壓入。如圖8所示。

圖8 彈圈自動供料機構

3 控制系統

控制系統由三菱PLC FX3G[11]和威綸觸摸屏[12]組成。設備操作分手動模式和自動模式，在手動模式下運用威綸觸摸屏對設備各氣動執行元件進行單動的獨立控制，根據實際單動位移進行執行元器件的位置補正，以達到設備生產時的精度要求。執行元器件的位置補正調整OK鎖固后便可生產，后續不需要再作調整。手動模式是為治具更換或設備故障調機及設備初始調整使用。自動模式為設備的自動生產時所處的狀態。為了確保生產運行安全，設備的執行元器件單動功能在自動模式下不可操作。

4 設備測試及解決的關鍵技術

4.1 設備運行測試

彈圈自動壓入機的實際測試步驟：

（1）接通機器的氣電，并檢測震動盤系統；

（2）通過觸摸面板系統設置確認各氣動執行件狀態；

（3）通過觸摸面板將設備調到自動模式，啟動開始，各氣動執行件依程序運作；

（4）摩擦齒輪彈圈壓入完成，自動排出到成品盒里；

（5）壓入一定數量完成，關閉設備，記錄實驗結果，如表1所示。

表1 摩擦齒輪組彈圈自動機實測結果

4.2 解決的關鍵技術

本項目在實施過程中主要解決了以下關鍵點。

（1）精密氣缸的運用使精確性得到保障，通過精密氣缸及控制系統的結合，在整個運行過程中，不但可以確保設備的穩定運行，而且可以高效、準確、便捷地完成整個自動壓入工作。

（2）圖6 的第③種治具配套方案，使得彈圈在沖壓時得以平穩地收縮，同時下沖壓治具的錐形軸芯能更好地把彈圈推至小齒輪的內部卡位處，使得摩擦齒輪組的摩擦扭力得以確保，此項設計提升了彈圈自動壓入時的良品率，為相類似的沖壓案例提供了參考。

（3）針對性的精細齒輪吸抓外形設計更好地適合本案齒輪組的吸取，為正確的齒輪組供給提供了有力的保障，可以精確移送齒輪組到達指定位置，提高了作業銜接性和工作效率。

5 結束語

通過對微型步進電機摩擦齒輪組彈圈壓入工程研究分析，發現彈圈壓入好與壞直接影響到摩擦齒輪組的摩擦扭力大小，本文主要針對彈圈的沖壓治具進行了創新設計，解決了微型步進電機摩擦齒輪組中彈圈壓入生產效率瓶頸問題，實現了微型步進電機摩擦齒輪組彈圈壓入的自動化，為目前市場上眾多的沖壓工藝設備提供一創新參考，同時也為以后更專業的相關設備研究開發作出鋪墊。