9V單體鋅膏注入機改造

陳南發

（福建南平南孚電池有限公司機械工程部，福建南平353000）

9V單體鋅膏注入機改造

陳南發

（福建南平南孚電池有限公司機械工程部，福建南平353000）

總結了9V單體鋅膏注入機的改造設計過程和經驗，為在電池行業設備中以伺服運動技術代替氣動運動技術（氣缸）提供可借鑒的經驗。

9V單體鋅膏注入；伺服

0 引言

隨著國內9V電池需求的不斷提高，公司原有的一條60只/min的9V電池單體生產線已不能滿足需求，需要盡快增加一條9V單體生產線。由于目前國內的電池設備生產廠家制造的9V單體電池生產線制造調試周期長，生產速度慢（60只/min），自動化程度低，設備穩定性差，所以公司決定利用一些舊的閑置的LR03設備進行改造，并要求新的生產線生產速度達到120只/min，設備穩定性和自動化程度要比原有的60只/min生產線更高。為此，筆者承擔了9V鋅膏注入機的改造設計工作。

1 改造方案的確定

原有LR03鋅膏注入機（100只/min）采用4個海霸泵同時注入鋅膏，設備是間歇式運動，鋅膏注入的一個周期包括以下幾步：電池進入定位→海霸泵安裝臺快速下插到位→海霸泵注入鋅膏→注入泵抬起（海霸泵注入鋅膏的同時泵體同步抬起）→海霸泵注入結束后泵體快速上升到初始位，電池排出（同時下一步進入）。設備主要問題：1）電池輸送定位的方式不可靠。電池輸送進入，前端的電池注入工位的定位靠氣缸動作擋塊來定位前端載體（一個電池裝在一個載體內）位置，后面的電池注入工位，依靠載體一個一個的排列緊密來保證，最后的電池注入工位累計誤差大。2）海霸泵上下運動的動作利用汽缸帶動安裝臺來實現，安裝臺運動的速度靠節流閥控制，鋅膏注入狀態不穩定。

針對以上情況決定采用5個海霸泵同時注入鋅膏，電池的輸送定位采用伺服電機帶動螺旋桿來實現，海霸泵的上下運動采用伺服運動系統來實現。伺服運動系統由伺服驅動器、伺服電機和傳動機構（滾珠絲桿、滾珠絲桿或傳動齒輪）組成。數字脈沖的個數控制伺服電機的旋轉角度，產生傳動機構的直線位移，由此帶動負載的升降或水平移動，從而驅動物體運動。

2 螺旋桿機構的設計

因為螺旋桿主要起到分開載體，使載體各位置依靠載體精度保證改為螺旋桿加工精度來保證的作用，所以要求螺旋桿的運行平穩。因此螺旋桿整段采用等速即等螺距的設計。螺距設計為23 mm（載體為22 mm），如圖1。

圖1

伺服電機通過同步帶傳動帶動螺旋桿運動。

3 海霸泵提升機構伺服運動系統的設計

要達到120只/min的生產速度，一個周期要在2.5 s內完成。扣除載體電池進入定位的時間，海霸泵上下運動的時間約為1.3 s，運動的最快速度為200 mm/s。海霸泵上下移動的距離h=50 mm（9V單體高約40 mm），伺服電機其額定轉速n=3 000 r/min，海霸泵和提升連接板的重量50 kg。絲杠的安裝方式為固定—支撐。如圖2。

圖2

根據以上條件和供貨時間選用轉造級的滾珠絲桿，定位精度為0.05 mm的絲杠。螺母選用FSI型。

絲桿導程P的確定：導程要大于等于伺服運動系統的最快速度除伺服電機的最高轉速，即導程P=200×60/3 000= 4mm，為了安全性和成本交貨期，考慮選用導程為p=5mm。

絲杠公稱直徑和螺母的確定：注入過程的平均轉速為Nm=1 000 r/min，由于是上下運動，絲桿所受的軸向載荷主要為海霸泵和提升連接板的重量F=50kg，絲杠的使用壽命為h=15 000 h。根據這些條件可計算出絲桿所能承受的最大軸向動載荷約為676 kgf，絲杠的額定動載荷要大于676kgf，從FSI型螺母表中可選出R20-5T3型，絲杠公稱直徑為20 mm，導程5 mm，額定動載荷為733 kgf。

絲桿螺紋長度的確定：螺母的長度為44 mm，導程為5 mm的余程Le=20 mm，絲桿螺紋的長度要大于50+44+ 2×20=132 mm。螺紋長度選150 mm。

電機的確定：由電機的驅動扭矩公式T=F×P/2πη，驅動絲杠的有效扭矩約為450 N·mm，為了安全選擇了電機HC-KFS43（BG），額定扭矩為13 000 N·mm，額定轉速為3 000 r/min。滾動螺旋傳動逆轉率高，不能自鎖。為了使螺旋桿受力后不逆轉，要選用有制動的伺服電機。

4 伺服運動系統的技術特點

1）全數字控制，伺服電機為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，控制性能更為可靠，調整更為方便。

2）整個伺服運動系統結構簡單，重量輕，不需要氣管，安裝方便，不會泄漏，不須過濾。

3）伺服系統的加速性能較好，一般從靜止加速到其額定轉速僅需幾毫秒，螺旋桿是由鋼珠滾動接觸，只須很小的啟動扭力即可克服摩擦力，可用于要求快速啟停的控制場合。

4）穩定性高，動作的重復精度高。由于各項動作均由伺服馬達來驅動，伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速(一般為2 000 r/min或3 000 r/min）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出，其動作速度平穩、精度高，再加上不受氣壓波動的影響，所以在生產過程中具有高穩定性。

5）節省能源，降低生產成本。由于伺服電機根據各執行機構所需力的要求直接進行驅動，不但提高了效率，而且提高了能量利用，滾珠螺旋桿及螺母均是點接觸的滾動運動，其能量的利用率可達到90%以上。

5 結 論

1）采用該方案設計制造出的9V鋅膏機，從實際的使用效果來看，結構簡單，調試方便，重復性高，鋅膏注入的狀態穩定，節約能源，噪音低。為公司9V電池的產能加大做出了貢獻，取得了預期效果。

2）基于伺服運動技術這些獨特的技術優勢，必將在電池設備上得到廣泛的應用。

（編輯啟 迪）

TM 911.1

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1002－2333（2014）05－0235－02

陳南發（1975—），男，工程師，從事設備設計制造及開發工作。

2014-02-24