一種渦旋壓縮機高頻加熱裝配機構設計

林秋宇，鄭卓韜※，王雙喜

（1.汕頭輕工裝備研究院，廣東 汕頭 515063；2.汕頭大學工學院，廣東 汕頭 515063）

0 引言

隨著國際能源的枯竭以及全球氣候變暖，可持續發展的觀念越來越深入人心，新能源汽車正在逐步替代傳統燃油汽車。渦旋式壓縮機做為新能源汽車制冷系統重要部件之一，因其具有振動小、噪聲低、使用壽命長、重量輕、轉速高、效率高、外形尺寸小等諸多優點而被廣泛應用。隨著渦旋式壓縮機的需求量不斷增加和對其產品質量要求也不斷提高［1］。壓縮機殼體熱套作為壓縮機裝配的一項關鍵工藝、具有生產工藝要求精度高等特點［2-3］，而殼體熱套插入不良、殼體熱套定子下移不良、殼體熱套角度不良，也一直是殼體熱套產生不良率的主要問題［4］。

在國內，傳統熱套裝配工藝都是采用人工半自動直接熱套裝配，該方式不僅效率低，人工成本高，精度低［5-6］。而且殼體加熱溫度無法實現閉環控制，殼體與定子間隙配合無法嚴格控制［7-8］。當加熱溫度過低會產生過盈值不足的情況，該情況會使電機外殼套入定子繞組時定子繞組劃傷外殼內壁，使定子鐵心變形影響壓縮機的壽命和性能［9］；加熱溫度過高殼體受熱膨脹嚴重后圓心發生嚴重偏移，這種情況會使殼體鑄件的細小孔洞過分膨脹導致殼體氣體泄漏［10］。為了提高生產效率，提高產品質量，研制了一種渦旋壓縮機高頻加熱裝配機構。該機構將通過整體設計解決以上問題。

本裝配機構通過視覺檢測系統對壓縮機殼體、定子繞組進行計算分析［11-15］。通過過盈量閉環糾偏控制系統自動調節和監控每個殼體的加熱溫度，并通過殼體圓心偏移量算法，讓六軸機械手自動糾偏熱套位置，本裝配機構解決了上述殼體熱套的主要問題，并在實際應用中取得良好的效果，殼體熱套能保證穩定高效。

1 整體結構設計

1.1 整機工作流程

渦旋壓縮機高頻加熱裝配機構由輸送線、工裝底板、六軸取料機械手、視覺檢測機構、高頻加熱機、旋轉盤、旋轉聯動機構、升降機構組成，如圖1 所示。

圖1 設備整體結構

整體工作流程如圖2所示。

圖2 過程流程

（1）將工裝底板放置所需裝配工件且置于倍速鏈上輸送。（2）輸送到位后定位機構把工裝底板固定，視覺檢測分別測量定子繞組、殼體圓心與直徑。（3）六軸機械手自動取料，將殼體放置到旋轉聯動機構。（4）旋轉聯動機構通過升降機構將待加熱外殼送至工位一進行預加熱，并將工位二的殼體加熱到特定溫度。該特定溫度根據定子繞組直徑和設置的過盈值來做實時調節。（5）機械手準備就緒后將加熱完的殼體送至工位三待取區。（6）六軸機械手在工位三取料完成后，通過溫度檢測進行熱膨脹圓心糾偏。（7）六軸機械手通過殼體糾偏套入軸承和定子線圈。

1.2 旋轉聯動機構模塊

傳統熱套工藝采用取料加熱后直接熱套，需要等待加熱時間，效率極低。為了提高效率，旋轉聯動機構采用三工位轉盤，工位1 負責殼體預加熱，工位2 負責殼體加熱到特定溫度并進行控溫，工位3 負責機械手取放料。此機構配合機械手取放料，極大縮短了加熱時間，既能精確控制溫度，又能提高效率。

如圖3 所示，旋轉聯動機構包括了氣缸、齒條、齒輪、棘輪、棘爪，齒條固定設置于氣缸的活塞桿，棘輪固定設置于齒輪上部，且通過轉軸與旋轉盤固定連接，齒輪與齒條嚙合，棘爪轉動設置于支撐架內的支撐板上，其末端與棘輪配合，支撐板上的銷軸上設置有扭簧，用于作用于棘爪，使得棘爪可限制棘輪的單向轉動，氣缸通過聯動齒條、齒輪，使得旋轉盤上的孔位所運載的第一工件切換工位，并在升降機構的控制下，向下運動，孔位套入高頻加熱線圈，以對第一工件進行加熱，多個工位的設置，可以緩存多個第一工件。

圖3 旋轉聯動機構結構

1.3 夾爪取料模塊

機械手選用多關節、多自由度的六軸機械手，動作多，變化靈活。其結構緊湊、速度快、精度高、密封性好，具有更多的行動自由度，可以拿起任意朝向的部件，以特殊的角度放入產品，而且提供了更高的生產運動靈活性。

視覺檢測OK 并確定各零件準確位置后，機械手在工裝底板取料，如圖4所示。熱套過程中需要4個自由度，X、Y、Z 軸的平移運動和C 軸的殼體旋轉運動。抓取時需要位置精確，通過夾爪夾住殼體定位加工孔，殼體采用定位加工孔為基準一次澆筑、加工，夾爪夾住定位孔可以保證精度。避免了熱套過程中定子繞組劃傷外殼內壁等情況，保證了產品成品率。

圖4 工裝底板

2 控制系統設計

2.1 總體架構

根據高頻加熱自動裝配機構的實現功能，設計控制系統架構如圖5所示。主機PLC 分別與視覺檢測系統、上位機PLC、人機交互界面、六軸機械手、溫度監控模塊實時通信。通過CC-Link 與六軸機械手通信、Modbus與溫度監控模塊通信、TCP 與上位機PLC和人機交互界面通信，簡化布線以及提高通信實時性和同步性，互不干擾。執行機構有六軸機械手、氣缸、步進驅動器帶動步進電機等。

圖5 控制系統總體架構

2.2 軟件控制系統設計

系統由視覺檢測系統、PLC 控制程序和機械手控制程序組成；人機交互界面HMI實現設置參數的輸入以及相關參數的實時顯示；溫度監控模塊實時監控殼體是否達到相關參數；PLC 通過視覺檢測系統和溫度監控模塊收集到的數據計算后對機械手相關位置進行糾偏，人機交互界面HMI系統結構如圖6 所示。

圖6 人機界面HMI效果

2.2.1 視覺檢測系統

視覺檢測系統采用C＃進行界面設計，結合HALCON算法庫進行圖像處理。本系統通過兩個獨立的線程分別實時處理從外殼和定子繞組獲得的圖像數據，實現同時檢測與識別，通過邊緣提取，調整最小邊緣幅度、ROI、平滑度找出定子線圈的輪廓，再通過面積計算求出對應的直徑。檢測結果通過工控機輸出NG信號及NG代碼至PLC，PLC控制機器停止生產并進行報警，檢測效果圖如圖7 所示。

圖7 檢測效果

軟件設置有產品學習功能，進行產品檢測之前需要先進行產品學習，得到產品檢測的模板，記錄相應區域閾值，判斷檢測區域面積、相機的曝光時間、產品名稱和檢測類型等，設置完成后數據自動保存在數據庫中。

2.2.2 PLC控制程序和機械手控制程序

PLC控制程序分為7 個部分組成：初始化程序及整機復位程序；回原點程序（控制各軸回到設定位置）；自動控制程序；手動控制程序；機械手自動、手動交互動作程序；過盈值控制溫度程序；熱膨脹糾偏機械手熱套位置程序。

機械手控制程序分為5 個部分組成：初始化程序及整機復位程序；回原點程序（控制各軸回到設定位置）；整機復位夾爪有料與無料處理程序；自動控制程序；手動控制程序。

控制系統中通過人機交互界面HMI設置殼體型號和需要的過盈值算出殼體需要達到溫度值。PLC 采集溫度監控模塊實時溫度，達到溫度后由機械手取料熱套軸承和定子繞組，期間根據殼體溫度進行實時熱膨脹糾偏，保證殼體與軸承、定子繞組同心。

2.3 通信系統

在PLC主程序中編寫通信監測程序模塊，用來監測PLC與其他設備之間是否通信正常，為了防止PLC 出現死機或者信號丟失，導致設備的誤動作。

2.3.1 RS-485 總線

PLC與溫度監控模塊間通信采用RS-485 接口，采用兩線制接線方式，采用Modbus 通信協議，RS-485 通信傳輸是一種串行的主從方式，PLC 為終端設備，溫度監控模塊為從機，根據主機PLC 發出查詢做出相應的報文反饋。采用485 通信可避免模擬量容易被干擾的情況，保證實時溫度的準確性。

2.3.2 CC-Link 通信

PLC與六軸機器人間通信采用CC-Link 通信，CCLink是一種能夠高速、大量傳送ON／OFF 信息等位數據和數值信息等字數據的FA 用高性能現場網絡。機械手采用DSQC 378B 模塊與PLC 進行通信，從709 - 1 DevicenetMaster／Slave 選項進行設置，進入Devicenet Command后對CC-Link相關地址、參數進行設置。

2.3.3 TCP通信

從站PLC 與主站PLC 采用TCP 進行CPU 間通信，在指定時間與指定元件進行數據收發的功能。以1∶1 的方式設置通信對象（傳送源）和通信對象（傳送目標），在指定的通信對象之間進行數據收發。

3 過盈值及熱膨脹糾偏

3.1 過盈值

熱套工藝采用電機殼體加熱后熱脹冷縮的原理，為了保證熱套工藝的穩定性，必須保證膨脹后有足夠的過盈值。各種規格的殼體形狀、尺寸、所需間隙不同，其各種因素都會影響其膨脹后的過盈值，所以需自動調節其加熱溫度。殼體需要加熱的溫度t 按照式（1）進行計算：

式中：δ為配合的最大過盈量；α為熱套時最小間隙，取0.003d；a為線膨脹系數，鋁取23.2 ×10-6／℃；d 為配合面的公稱直徑，mm。

根據式（1），通過高頻加熱機對殼體進行加熱，計算加熱溫度來控制殼體膨脹過盈值并通過溫度監控模塊對殼體加熱溫度進行實時監控，從而控制殼體膨脹過盈值，確保熱套工藝的穩定性。

3.2 熱膨脹糾偏

物體由于溫度改變而有脹縮現象。在現場環境不變的情況下，單位溫度變化會導致殼體體積量值變化。由于殼體體積變化，殼體的圓心會隨著體積的變化而變化，會導致殼體與定子繞組不同心，會有定子繞組劃傷外殼內壁、外殼底部軸承不水平等情況影響產品質量。故需根據實時溫度計算出圓心各個方向的偏移量并進行實時糾偏，按照式（2）進行計算：

式中：L為物體原始長度；dl 為物體在溫升變化時相對伸長和體積的變化量；dt 為物體溫升變化量；a 為線膨脹系數，鋁取23.2 × 10-6／℃。

根據式（2），計算出殼體熱膨脹后圓心的X、Y、Z方向的偏移量dl，自動調節六軸機械手的熱套位置。確保熱套中心位置與定子繞組保持一致。

4 過盈值及熱膨脹糾偏驗證

運用ANSYS workbench 仿真軟件對殼體進行熱膨脹仿真，分別得出殼體在特定溫度下X、Y、Z 軸的膨脹，驗證熱膨脹糾偏的準確性和穩定性。通過導入殼體模型，定義模型材料為鋁，設置各表面升溫溫差。分別添加查看X、Y、Z軸的變形量。

試驗結果如圖8 所示，通過ANSYS 仿真得鋁質殼體溫升200 ℃時，X、Y、Z 軸熱膨脹值分別1.392 mm、1.392 mm、0.458 mm。通過算法得出相同條件下X、Y、Z軸熱膨脹值分別為1.404 mm、1.404 mm、0.463 mm。故與熱膨脹糾偏算法求出的值相近，校驗熱膨脹糾偏算法的準確性。

圖8 ANSYS熱膨脹仿真圖

5 結束語

本文針對現階段半自動熱套工藝存在的主要問題及難點，設計了一種渦旋壓縮機高頻加熱裝配機構，并對其重要部件及控制算法進行討論和分析。其機械結構包含3 大功能模塊，旋轉聯動機構模塊、夾爪取料模塊、高頻加熱模塊。控制系統由PLC和工控機各種硬件設備組成，運用自行研發的視覺檢測和多傳感器融合的過盈量和熱膨脹控制算法進行糾偏的技術。該設計的軟件硬件已經在實際應用場合中并平穩運行，如圖9 所示，實現了電機定子繞組的無傷熱套，通過自動裝配大大提高生產效率，降低了勞動力資源成本，提高渦旋壓縮機裝配的智能化水平，滿足日益增長的市場需求。本研究在實際應用中取得良好的效果，并已申請國家專利。

圖9 渦旋壓縮機高頻加熱裝配機構