電機機座加工自動化生產線的設計

西門子電機（中國）有限公司 陳遠

本文介紹了一種電機機座加工自動化生產線的設計。通過對原生產線數控設備進行自動化改造，新增加工中心、關節臂機器人、工業相機等設備，優化夾具、刀具的設計，融合精益和信息化，形成高效率、中柔性、高開動率的自動化加工生產線。以合理的投資保持實現自動化獲得較大收益。

隨著中小型三相異步電動機新國標的實施，IE3 能效將成為中國最低的三項異步電動機能效限定值。IE3 能效相對于IE2 能效生產，成本增加20%左右[1]。電機機座的加工設備作為固定投資份額占比最大的部分，對電機機座的制造工藝優化、產線設計的自動化化提出了更高的要求，急迫的需要新設計高效率的自動化生產線以降低制造成本。根據上述要求對IE3-1TL0003-100/112 機座、IE3-1TL0003-132 電機機座手工線的制造工藝和數控設備進行了優化和自動化改造，設計完成了2 條高效率自動化生產線。

1 電機機座加工工藝分析

1.1 電機機座工藝內容

電機機座加工內容包括：2 端止口、鐵心檔、底腳面、底腳安裝孔、吊環螺紋孔以及出線口螺紋孔、吊環螺紋孔[2]。

1.2 電機機座加工工藝現狀

現有IE3 電機機座由外協進行粗加工，鐵心檔、止口留有合適加工余量。

生產線采用數控立車車削鐵心檔及止口，一次裝夾同時完成鐵心檔和2 端止口的加工。配置有2 臺數控立車，2 臺立車加工內容一致。立車配置手動夾具，鐵心檔余量1 次加工去除不進行精加工，止口采用粗精加工2次加工完成。由銑鉆專機加工底腳面和孔，人工操作臺鉆攻絲機配合鉆模對安裝螺紋孔進行加工。

人工負責物料搬運、工件夾緊及孔系的加工，質量控制也由人員進行抽檢，人員數量多，勞動強度高，粉塵污染嚴重。

1.3 自動化設計規劃及工藝難點

1.3.1 自動化線的設計規劃

行業現有自動化的方案包括使用機器人、桁架機械手、智能機床等[3]。結合現有1TL0003-100/112、1TL0003-132產線現狀，保持產出不降低，采用下面措施進行自動化產線改造設計：

（1）采用關節臂機器人配置工業2D 相機替代人工進行物料搬運和上下料；

（2）每條線采用2 臺加工中心替代人工鉆孔攻絲；

（3）配置液壓夾具替代原有的手動夾具；

（4）配置機內測量對機座直徑尺寸進行監控；

1.3.2 工藝難點

為了保持現有IE3 加工效率，提高自動線的開動率，具體設計過程中碰到了一些難點問題，決定了自動化生產線能否順利實施：

（1）尺寸穩定性不高、車削效率降低。IE3 機座鐵心檔車削1 次加工，此種效率高但刀具磨損過快，造成尺寸波動大，每班最多換刃3～4次，頻繁的換刀與測量報警會極大影響自動化的開動率；同時，1 次加工鐵心檔跳動受粗加工工件跳動影響大，對粗加工件質量要求較高。為解決該問題，需要增加鐵心檔精車，但是加工時間翻倍，嚴重影響產線的產能；

（2）車削夾具剛性不足，效率提升受限。立車夾具為手動，且壓緊位置在機座下端，機座上端懸伸超過250mm。整體剛性不足，易引起震紋、鐵心檔、止口變形，加工參數上限受到限制；

（3）車床增加機內測量影響節拍。原工藝采用人工對工件進行線外抽檢，使用機內自動測量后，對節拍時間產生較大影響；

（4）鉆孔銑底腳工序不平衡。配置了2 臺加工中心用于替代人工手動加工，由于機座加工內容主要集中在圓周方向，2 端面的端蓋安裝孔則與圓周方向垂直，造成2 臺加工中心的節拍時間會產生不平衡。造成設備利用率不足；

（5）機座螺孔鐵屑的清理困難。機座內外表面和螺孔內部鐵屑的人工清理會嚴重影響線體的開動率，由于IE3-1A/1B/1C 機座號機座較重，且為多層出料，人工清理的勞動強度極大，占用了操作者的操作時間，使其效率降低影響自動線的開動率；

（6）兼容產品多。1TL0003-100/112 產線需兼容IE2IE3 系列不同長度100 機座，同時補充加工IE3-112 機座號機座。1TL0003-132 產線需兼容不同長度IE3 機座加工。在設計過程中需實現快速換型，降低換型時間。

如何有效解決上述問題成為此2 條生產線的關鍵。

2 自動化生產線的布局

自動化生產線增加了立式加工中心和臥式加工中心用于替代臺鉆攻絲機和底腳銑鉆專機，新增設備占地比原有設備占地擴大。同時，增加了必要的輔助設備和工業相機三軸，設備數量多。以節約用地為原則，兼顧人員操作和維修空間，整體布局需要細致考慮。

此生產線采用了視覺輔助帶地軌關節臂機器人取放工件，配置輔助設備用于輔助定位、清潔機座、抽檢以及廢品出料。布局保持了原有進出料方式，同時占地增加較少，設備空間布置合理，兼顧了人員操作、設備維修和5S 管理。如圖1 所示。

圖1 自動化生產線實物圖Fig.1 Physical picture of automatic production line

3 自動化生產線的關鍵技術

3.1 關節臂機器人配合工業相機實現自動化上下料

在此條生產線內，根據公司物流的組織方式，采取了保持現狀多層進料，出料根據庫存要求可以更改，更加柔性。配合三軸工業相機，實現多層物料取放，同時為了降低相機的復雜性，將機座來料錯誤的識別功能轉移至精定位平臺，相機僅保留了直徑大小識別功能。如圖2 所示。

圖2 視覺拍照系統Fig.2 Visual photographing system

采用帶地軌的行走關節臂機器人，更好的適應現有設備布局，使得設備整體占地大幅度減小。

3.2 新刀具、夾具應用提升車削效率與尺寸穩定性

3.2.1 創新刀具設計，優化刀片選型

對鐵心檔粗車刀具進行了創新設計，同時根據鐵心檔粗糙度要求優化了精車刀片選型，使得粗車F 值、精車F 值提升1 倍左右。優化后鐵心檔2 次加工（粗精加工各1 次）比1 次加工節拍降低20%，尺寸穩定性大幅度提高，有效提高了自動線的開動率。目前，精車刀片1 個刃口壽命達到1.5 個班次。從另一個角度來看，加工節拍的縮短為機內測量預留了時間，使機內測量對產出的影響降到最低。

3.2.2 設計液壓自定心夾具

夾具采用特殊壓頭，使得機座變形減小。快速換型結構以適應1A 不同長度機座切換、1A 與1B 跨機座號快速切換；夾具使用動平衡儀調節動平衡量使切削轉速上限提高；夾具整體采用框架結構，改善壓緊點位置，由下端轉移至上端，提高了整體剛性，改善了機座高速旋轉狀態下機座震動及變形，降低震紋提高了切削參數上限。如圖3 所示。

圖3 創新刀具及夾具應用Fig.3 Innovative tool and fixture application

3.3 加工中心夾具設計實現工序平衡

設計了OP3 立式加工中心液壓夾具使得底腳孔、2端端面孔以及吊環孔可以在同一臺設備加工完成，OP2加工中心用于加工底腳面和出線口孔，實現平衡了2 臺加工中心的加工節拍，使得生產線整體效率得到提升。如圖4 所示。

圖4 OP3 立式加工中心Fig.4 OP3 vertical machining center

3.4 輔助設備及中心出氣主軸提升線體開動率

在這條自動線內增設了單獨的吹氣清理設備，主要用于清理機座內外表面的鐵屑。與可能存在的液體清洗設備對比，降低了設備成本和清洗劑消耗以及人工頻繁換液的成本。同時避免將清洗的重要工作分散由操作者單獨處理、監控造成的噴漆質量問題。針對螺紋孔內部鐵屑清理，嘗試了2 種方案，首先是外部設置氣嘴，機器人抓取機座模擬人工使用氣槍清潔吹氣；其次是加工中心配置主軸中心出氣功能，實際結果使用主軸中心出氣效果更好。主軸中心出氣使得在加工過程中即可使用高壓空氣將鐵屑排出，節省了機器人動作時間、外部設備配置成本，同時提高了絲錐的使用壽命。

同時進出料每層之間的木質隔板取放，在此生產線中也由機器人自動操作完成。如圖5 所示。

圖5 隔板自動抓取系統Fig.5 Automatic clamping system of diaphragm

4 生產線的信息化

機內測量的應用使得自動化得以成功實現，同時極大提高了自動線的開動率。通過對機內測量的數據進行收集、監控并進行圖形展示，使操作者對刀具的使用狀態充分了解，使其能及時進行刀具更換。尺寸檢測數據后上傳至服務器，方便質量部門對產品質量進行監控和分析。同時加工設備內部增加了刀具折斷監控功能，使得漏序得以及時被發現。

5 結語

通過對加工工藝進行優化，配置帶地軌關節臂機器人、工業相機及輔助裝備，應用機內測量使得高效率IE3機座自動化生產線得以完成建設，并投入使用，以實現下面目標：

（1）2 條生產線人員合計減少到每班次僅需要1人，人員數量下降75%；

（2）生產線節拍時間5min/臺，不含機內測量加工時間比原有IE3 降低20%，含機內測量節拍時間與原有相比未增加時間。

（3）節拍均衡，利用率平均，線體開動率較高；

（4）不同長度換型時間30min，100 切換112 換型時間4h；

（5）2 條線體布局合理，合計占地面積為13m×16m，面積僅擴大僅5%。

引用

[1] 鄧雅靜.電機新能效標準實施,助力多個行業實現“雙碳”目標[J].電器,2021(7):10-11.

[2] 龔垌.電機制造工藝學[M].北京:機械工業出版社,1983.

[3] 顧德軍,陳翔,馬莉.電機軸智能制造方案[J].電機與控制應用,2020,47(10):74-79+109.