基于恒張力系統的汽車起動機轉子專用加工設備的研制

舒大松

(湖南廣播電視大學，湖南長沙410004)

隨著我國汽車制造業的迅猛發展及整個汽車產業的國際化，對汽車零部件品質的要求也在逐步與國際接軌，汽車起動電機作為汽車動力系統的關鍵部件，其核心零件轉子的制造精度及一致性要求不斷提高，工序能力Cpk值也提高至1.33～1.67[1]。汽車起動機轉子的制造要達到如此高的產品合格率和生產效率，對轉子各部分表面的車削加工設備和加工的工藝方法也提出了更高的要求。轉子各表面的傳統加工工藝是在普通數控車床上加工，用軟爪夾持轉子軸一端的軸承位，另一端的軸承位由中心架支撐，刀具采用硬質合金刀片。由于軟爪和中心架極易磨損，以及主軸回轉中心與轉子中心的不同軸度的影響，很難保證大批量穩定地車削轉子表面。因此若采用過去的工藝設備加工轉子表面，其產品質量嚴重依靠技術工人操作水平，不合格率高，已無法滿足目前市場對汽車零部件質量和產能的要求[2]。所以一種能夠減少工藝流程、通過閉環控制系統來消除機床的系統誤差，提高產品質量可靠性及生產效率的汽車啟動電機轉子的生產工藝及設備的研發成為迫切的需要[3]。

基于上述背景，在廣泛調研的基礎上，對國內現有的轉子表面加工設備進行了詳細的分析、比較，并結合國內市場需求，研制出了一種起動機轉子數字化控制專用車削設備。該設備采用恒張力系統及自動定位系統工藝，實現換向器片間跳動小于0.03 mm，通過選用數控系統及系統內部PLC程序設計，實現柔性自動化控制，使汽車起動機轉子外圓表面的車削加工工藝更合理、更有效，產品質量達到國際先進水平。

1 起動機轉子數控專用設備的構成和特點

1.1 起動機轉子數控專用設備的總體結構

所研制的起動機轉子數控專用設備用于加工轉子的兩個外圓面，如圖1所示。圖1是起動機某轉子產品結構圖，從圖中所注尺寸可知，加工的兩個外圓面對轉子軸線都有跳動要求，同時左端換向器部分還有圓度要求，且直徑為50.9 mm處的尺寸公差只有0.05 mm。為了保證加工出來的產品既滿足尺寸和形位公差精度方面的要求，又達到提高企業生產效率的要求，該設備采用閉環控制的數控加工系統來消除機床的系統誤差;采用恒張力系統進行驅動夾緊，實現換向器片間跳動小于0.03 mm;采用基準處的軸頸進行定位的自動定位裝置。其整體結構如圖2所示。

圖1 起動機轉子結構圖

圖2 起動機轉子數控專用設備總體結構示意圖

該設備由下機座、上框架、工件裝夾定位裝置、X向走刀裝置、Z向走刀裝置、升降傳動裝置、數控顯示屏、數控系統、吸屑裝置、電氣控制部分、氣動部分構成。裝夾定位裝置實現工件的自動裝夾、定位;升降傳動裝置實現工件的摩擦驅動、恒張力壓緊;X向和Z向走刀裝置實現工件的外圓表面和端面的切削加工。

1.2 起動機轉子數控專用設備的工作原理

當設備運行準備完成后，人工把轉子放入裝夾定位裝置的V型架上，關小防護門;在程序段內把對應的加工程序調出來，按下運行雙動按扭，設備開始運行;頂出氣缸頂出，頂住轉子，定位氣缸頂出，壓緊氣缸頂出，鎖緊定位氣缸，頂出氣缸退回原點，升降氣缸下壓至轉子表面，電機啟動帶動皮帶旋轉從而帶動轉子旋轉，刀架伺服電機啟動，加工開始;當機械加工完成后，電機停止旋轉，升降氣缸上升到原點位置，刀架伺服電機停止運行，刀架退回原點，壓緊氣缸退回原點，定位氣缸退回原點;操作者開小防護門取出工件，一次加工循環自動循環結束。

2 機械關鍵結構的研制

2.1 定位裝置的研制

工件的裝夾定位裝置由3個座子、2個氣缸連接板、工件左、右支撐架、支撐架座塊、定位頂桿、推桿、導向塊、頂出氣缸、定位氣缸、鎖緊氣缸組成，其作用是對工件進行裝夾和定位，其結構如圖3所示。裝夾時，人工將工件放至定位裝置的V形架上，頂出氣缸頂出，定位氣缸頂出，頂住轉子左端面，消除轉子右端面與推桿之間的間隙，壓緊氣缸頂出鎖緊定位氣缸，這樣工件的位置就確定了。工件長度方向的定位面是換向器端軸的端面，徑向定位是由轉子最左和最右兩處軸頸，且工件的左右V形支撐架與工件接觸處鑲有材料為人造金剛石的耐磨塊，結構如圖4所示，這樣在實現設計基準與定位基準統一的同時亦保證自基準無磨損;該裝置裝有油霧噴件，加工時噴出的油霧對工件和V形架進行冷卻和潤滑;轉子換型時，若徑向定位后中心高不變化，轉子長度的變化又是在定位氣缸的允許行程范圍內，該定位裝置都適應，若由于轉子換型，兩支承處的軸徑發生變化，導致裝夾后工件的中心高發生變化，只需更換V形塊就可以。所以該定位裝置能根據不同規格轉子，通過分析不同轉子工藝要求的共性，實現快速換型，自動定位，自動潤滑及高耐磨，能滿足換向器及鐵芯表面跳動要求。

圖3 工件定位裝置結構示意圖

圖4 工件右支撐架結構示意圖

2.2 摩擦驅動恒張力系統的研制

工件定位完成后，接下來的夾緊與驅動通過摩擦驅動恒張力系統來實現[4]，其結構如圖5所示。由升降氣缸帶動相應裝置使膠帶下壓至轉子表面，張緊氣缸及活動張緊輪組將膠帶張緊，從而將工件壓緊;電機啟動通過傳動輪組、調節輪組及膠帶與工件表面之間的摩擦，帶動皮帶旋轉，從而帶動轉子旋轉。加工過程中有兩個因素會使膠帶與轉子表面間的摩擦驅動力大小不穩定，導致轉子表面加工時發生振顫，從而影響工件表面加工質量。一個因素是由于轉子加工過程中表面溫度升高，皮帶的熱脹冷縮導致皮帶的張緊力減小;另一個因素是由于工件的加工表面的不連續，溝槽處和鐵芯處皮帶的張緊程度不同。該裝置由于張緊氣缸的張緊力是一定的，通過張緊氣缸及活動張緊輪，使膠帶總是處于張緊狀態，這樣將膠帶與轉子表面間的摩擦驅動力大小不穩定，使轉子表面加工時發生振顫的影響降到最低，實現換向器片間跳動小于0.03 mm。

圖5 摩擦驅動恒張力系統結構示意圖

3 氣動系統的研制

起動機轉子數控專用車床的定位夾緊部分采用全氣動控制，由升降缸、壓緊氣缸、頂出氣缸、定位氣缸、空氣過濾組合、電磁閥、單向節流閥、消聲器等組成，其結構如圖8所示。各氣缸的動作是:機床在原位按下運行按鈕→YA01得電→頂出氣缸頂出→YA03得電→定位氣缸頂出→YA05得電→壓緊氣缸頂出鎖緊定位氣缸→YA02失電→頂出氣缸退回原點→YA07得電→升降氣缸推動電機下降，當皮帶接觸到轉子表面時，電機啟動旋轉，并帶動轉子旋轉，加工開始，加工完成后，電機停止旋轉→YA08失電→升降氣缸上升，刀架伺服電機停止→YA06失電→壓緊氣缸退回→YA04失電→定位氣缸退回到原點。

圖6 起動機轉子數控專用設備氣動原理圖

4 控制系統設計

數控系統采用廣數GSK-980TD系統，電氣控制系統原理框圖見圖7。該系統可以實現X－Z軸聯動，主軸變頻調速;電磁閥控制氣缸動作;采用感應開關作為定位信號，對氣缸及刀具行程進行機械定位檢測。

圖7 數控專用設備電氣控制原理框圖

控制軟件采用數控插補控制程序及系統內部PLC程序設計，實現柔性自動化控制。數控系統配置的軟件可實現PLC 梯形圖程序編輯、CNC系統參數、刀具偏置、螺距補償等參數的設置和零件加工程序的編輯功能，使軟件界面簡潔，易于使用。

5 結論

該設備采取了極為有效的安全防護措施，實現了對操作人員的安全保護;能根據不同規格轉子，實現快速換型，自動定位，自動潤滑及高耐磨，滿足換向器及鐵芯表面跳動要求，在實現基準統一的同時亦保證自基準無磨損;通過摩擦驅動系統，消除轉子換向器表面加工后的微小振顫，實現換向器片間跳動小于0.03 mm;通過選用數控系統的選用，設定用戶的M指令，系統內部PLC程序設計，實現柔性自動化控制[5];設備的結構及進給系統設計達到可靠、低維護，運用人機工程學原理[6]，使設計的機器和環境系統適合人的生理、心理特點，達到了在生產中提高效率、安全、健康和舒適的效果，實現了完美的人機合一。

【1】張怡，王卓甫.基于工序能力指數的工程質量評估研究[J].人民黃河，2010(11):49.

【2】胡亞平，賀煒.微型電機轉子車削新工藝及其設備[J].機械工藝師，2000(3):11－13.

【3】楊林波.數控車床加工穩定性影響因素分析[J].價值工程，2010(34):28－30.

【4】王永紅.摩擦驅動自動化輸送系統在汽車行業的應用[J].機械管理開發，2010(2):67－69.

【5】謝英.基于觸摸屏和PLC的發射機控制系統[J].信息化研究，2009(11):9－12.

【6】劉景良，楊立全，朱紅.安全人機工程[M].北京:化學工業出版社，2009:1－7.