基于功能設(shè)計(jì)法的電樞鐵芯卷制機(jī)設(shè)計(jì)*

□ 田國(guó)富 □ 張西棟 □ 王曉生 □ 孫玉東

1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院工業(yè)機(jī)器人研究所 沈陽(yáng) 110870

2.北方重工集團(tuán)有限公司 沈陽(yáng) 110141

在新產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，研發(fā)人員探索了各種設(shè)計(jì)方法，其中美國(guó)工程師麥爾斯（L.D.Miles）在進(jìn)行價(jià)值工程研究中得出一個(gè)結(jié)論：“顧客購(gòu)買的不是產(chǎn)品本身,而是產(chǎn)品所具有的功能”。 “功能”思想成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)學(xué)的最重要的概念［1］。功能設(shè)計(jì)就是按照產(chǎn)品定位或價(jià)值工程對(duì)象的主要功能要求，在對(duì)用戶需求及現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，對(duì)所定位產(chǎn)品應(yīng)具備的目標(biāo)功能系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)策劃和構(gòu)建的創(chuàng)造活動(dòng)［1-2］。將功能設(shè)計(jì)法應(yīng)用到鐵芯卷制機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以提高設(shè)計(jì)工作的效率，保證卷制機(jī)基本功能的實(shí)現(xiàn)。

功能設(shè)計(jì)法有兩種類型，一種是按產(chǎn)品的定位要求，設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品完整的目標(biāo)功能系統(tǒng)，稱為創(chuàng)新型；一種是對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品功能系統(tǒng)與用戶需要之間的差異進(jìn)行研究，找出不足功能、不必要功能及過(guò)剩功能，對(duì)原有功能系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，可稱為改進(jìn)型［3］。根據(jù)這兩種類型的特點(diǎn)，結(jié)合鐵芯卷制機(jī)的設(shè)計(jì)要求［4］，選定創(chuàng)新型的功能設(shè)計(jì)法來(lái)指導(dǎo)鐵芯卷制機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)功能描述

設(shè)計(jì)要求概述：設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電樞鐵芯自動(dòng)化生產(chǎn)的設(shè)備。鐵芯是由合金材料的薄鋼帶卷制而成，鐵芯外徑為40 mm，內(nèi)徑為25 mm，鋼帶寬為40 mm。按照加工過(guò)程自動(dòng)化的要求，結(jié)合原材料的特點(diǎn)和成品工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)分析系統(tǒng)的功能要求，用“黑箱法”［5］表示的系統(tǒng)功能如圖1所示，設(shè)備要實(shí)現(xiàn)的功能如下。

▲圖1 電樞鐵芯卷制機(jī)系統(tǒng)

（1）裝夾。要求設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)工件裝夾自動(dòng)化以及上下料自動(dòng)化。

（2）鋼帶的輸送。在完成一個(gè)鐵芯的加工或者更換新的原料鋼帶之后，需要將原料鋼帶與成型機(jī)構(gòu)的軸牽連起來(lái)，繼續(xù)進(jìn)行鐵芯的卷制，這需要系統(tǒng)具有鋼帶的牽引輸送功能。

（3）鐵芯的卷制成型。由輸送機(jī)構(gòu)輸送過(guò)來(lái)的鋼帶需要與成型機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸相連接，以實(shí)現(xiàn)固定，然后完成鐵芯的卷制工作。

（4）鋼帶的測(cè)量截?cái)?。因?yàn)槌善疯F芯的外徑有明確的尺寸要求，所以該系統(tǒng)還要具有檢測(cè)鋼帶長(zhǎng)度并自動(dòng)截?cái)嗟墓δ堋?/p>

（5）鋼帶的固定。鋼帶截?cái)嗪笕菀谆貜椇退缮?，所以該裝置還要能夠?qū)崿F(xiàn)成型機(jī)構(gòu)上的鋼帶和原料輥上鋼帶的固定功能。

（6）檢測(cè)。鐵芯的外形尺寸和鐵芯上鋼帶卷制的緊密性有精度要求，所以要安排檢測(cè)環(huán)節(jié)，該檢測(cè)系統(tǒng)還應(yīng)兼?zhèn)湓箱搸У娜绷项A(yù)警功能。

2 系統(tǒng)功能分解

功能樹(shù)和形態(tài)學(xué)矩陣是功能設(shè)計(jì)法常用的分析工具，功能樹(shù)的繪制和形態(tài)學(xué)矩陣的構(gòu)建是功能設(shè)計(jì)法的核心和關(guān)鍵，查閱相關(guān)資料［5］［6］,綜合考慮經(jīng)濟(jì)性原則和功能性原則，建立鐵芯卷制機(jī)功能樹(shù)如圖2所示，根據(jù)鐵芯卷制機(jī)功能樹(shù)所述，采用形態(tài)綜合法進(jìn)行鐵芯卷制機(jī)功能的求解，構(gòu)造如表1所示的形態(tài)學(xué)矩陣。

表 1 中的“連接”、“卷繞”、“拆卸”是一級(jí)功能“卷制成型”對(duì)應(yīng)的二級(jí)功能，“測(cè)量”、“截?cái)唷笔且患?jí)功能“測(cè)量截?cái)唷睂?duì)應(yīng)的二級(jí)功能，而“原件”和“方式”是一級(jí)功能“檢測(cè)”涉及到的兩個(gè)方面。

用N表示功能實(shí)現(xiàn)的總方案數(shù)，Nx表示相應(yīng)的功能元Gx的功能解的個(gè)數(shù)，則有：

▲圖2 鐵芯卷制機(jī)功能樹(shù)

表1 電樞鐵芯卷制機(jī)的形態(tài)學(xué)矩陣

即理論上有2 304種功能方案，剔除其中的 “虛解”，對(duì)“實(shí)解”按照經(jīng)濟(jì)性和功能性原則進(jìn)行分析，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化選擇，得出最佳的方案為：

3 功能元詳解

（1）原料的裝夾。當(dāng)檢測(cè)到無(wú)原料時(shí)，機(jī)械手抓取原料鋼卷，放置在原料輥上。然后裝在原料輥上的棘輪擋板機(jī)構(gòu)防止其從原料輥上脫落，同時(shí)保證不回卷。

（2）鋼帶的輸入。圖3是輸入裝置的示意圖，輸入的過(guò)程包括原料鋼帶向成型機(jī)構(gòu)的輸送過(guò)程,以及鋼帶的拉直和定位過(guò)程。鋼帶的輸送是由兩組夾板機(jī)構(gòu)完成的，其中每組夾板機(jī)構(gòu)都是由兩片夾板組成。工作過(guò)程：夾板機(jī)構(gòu)Ⅰ松開(kāi)，夾板機(jī)構(gòu)Ⅱ夾持著鋼帶向右移動(dòng)，靠近成型機(jī)構(gòu)，完成鋼帶的輸送功能；當(dāng)鋼帶與成型機(jī)構(gòu)對(duì)接成功后，夾板機(jī)構(gòu)Ⅰ閉合，與夾板機(jī)構(gòu)Ⅱ共同作用，完成鋼帶的拉直和定位，這保證了成型機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中兩組夾板機(jī)構(gòu)之間的鋼帶處于拉直狀態(tài)，有利于保證編碼電機(jī)對(duì)鋼帶長(zhǎng)度測(cè)量的準(zhǔn)確度，同時(shí)也防止鋼帶在截?cái)噙^(guò)程中向原料輥回卷。

（3）鐵芯的成型。鐵芯的成型過(guò)程包括鋼帶與驅(qū)動(dòng)軸的連接，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鋼帶纏繞，纏繞成型后的防松固定以及鐵芯的拆卸，該過(guò)程是系統(tǒng)功能核心部分。

國(guó)外生產(chǎn)的該型裝備其連接功能是利用銷軸與鋼帶上打通的小孔相鉤連來(lái)實(shí)現(xiàn)的。工作時(shí)，上刀具向下運(yùn)動(dòng)，與下刀具相互作用，在鋼帶上沖壓出一個(gè)小孔，如圖4（a）所示，成型機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸上開(kāi)一個(gè)深孔，如圖4（b）所示，依次安裝彈簧和銷軸，銷軸上開(kāi)有楔口，楔口鉤住鋼帶孔，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)成型機(jī)構(gòu)牽引著鋼帶一同轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)成型機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)過(guò)一周之后，繼續(xù)繞卷時(shí)，銷軸外端部就會(huì)被新的一層鋼帶壓回到驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)，以便纏繞完成后成形機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸能順利退出。

▲圖3 輸入裝置示意圖

▲圖4 鋼帶打孔與銷軸結(jié)構(gòu)示意圖

該方案的優(yōu)點(diǎn)是鋼帶與成型機(jī)構(gòu)的連接比較牢固，容易實(shí)現(xiàn)連接纏繞的自動(dòng)化；缺點(diǎn)是上刀具易磨損，國(guó)產(chǎn)刀具的加工制造精度不高、壽命短，而進(jìn)口該型刀具價(jià)格昂貴，而且?guī)诘妮S在長(zhǎng)時(shí)間使用之后會(huì)出現(xiàn)不易回弾的現(xiàn)象。針對(duì)該方案的缺點(diǎn)，結(jié)合其優(yōu)點(diǎn)，提出改進(jìn)方案如下。

▲圖5 成型與棘輪機(jī)構(gòu)示意圖

▲圖6 鐵芯拆卸示意圖

將成型機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)軸的端部制作成如圖5（a）所示的凹腔形狀，設(shè)計(jì)一對(duì)相互擠壓的滾壓輪，其中一根滾壓輪軸與外置的棘輪機(jī)構(gòu)相連接，棘輪機(jī)構(gòu)連接在成型機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸上，與驅(qū)動(dòng)軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)。圖5（b）是滾壓輪和棘輪機(jī)構(gòu)示意圖，工作時(shí)，夾板機(jī)構(gòu)牽引鋼帶穿過(guò)兩滾壓輪之間，插入驅(qū)動(dòng)軸的空腔中，然后驅(qū)動(dòng)軸與棘輪機(jī)構(gòu)一同轉(zhuǎn)動(dòng)，由于摩擦力和棘輪的相互作用，鋼帶不會(huì)退出，而被兩滾壓輪卡緊，隨成型機(jī)構(gòu)一同卷繞。該方案避免使用昂貴的打孔刀具，克服了銷軸不易回彈的缺點(diǎn)，棘輪鎖緊機(jī)構(gòu)能夠很好地保證鋼帶與成型機(jī)構(gòu)連接的可靠性。缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)軸端的凹腔不易加工，而且型腔的存在減弱了驅(qū)動(dòng)軸的強(qiáng)度和剛度。

鋼帶被切斷刀截?cái)嘀螅捎煤附拥姆绞綄摼砉潭ǎ乐蛊浠鼐?，而焊接方式中的激光焊加工成本高，所以采用?jīng)濟(jì)性更優(yōu)的電阻焊。焊接固定好之后，鐵芯夾板機(jī)構(gòu)將鐵芯夾持住，棘輪機(jī)構(gòu)沿軸向與驅(qū)動(dòng)軸分離，然后驅(qū)動(dòng)軸沿軸向反向退出。鐵芯的拆卸過(guò)程如圖6所示。

（4）檢測(cè)與截?cái)?。各開(kāi)關(guān)量的控制需要根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)的判斷來(lái)完成，為了減少設(shè)計(jì)成本，滿足自動(dòng)化要求，將各電氣元件所需控制信號(hào)的檢測(cè)和產(chǎn)品的檢測(cè)集成到一個(gè)系統(tǒng)中。為了降低不合格率，采用在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。在鋼帶的放置過(guò)程中，檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)光電傳感器檢測(cè)原料輥上鋼帶的狀態(tài)，將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳送給取料機(jī)械手和報(bào)警系統(tǒng)。

▲圖7 檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖7是檢測(cè)系統(tǒng)示意圖，在鋼帶輸送過(guò)程中，當(dāng)把原料放到原料輥上后，觸發(fā)碰撞開(kāi)關(guān)Ⅰ，驅(qū)動(dòng)夾板機(jī)構(gòu)Ⅱ動(dòng)作，將鋼板夾緊并向右牽引，直至觸發(fā)碰撞開(kāi)關(guān)Ⅱ，此時(shí)鋼帶與成型機(jī)構(gòu)完成結(jié)合，碰撞開(kāi)關(guān)Ⅱ的信號(hào)送給夾板機(jī)構(gòu)Ⅰ，使其夾緊鋼帶，完成鋼帶拉直和定位。

在鐵芯的成型過(guò)程中，鐵芯直徑的控制是通過(guò)編碼電機(jī)M2實(shí)現(xiàn)計(jì)算測(cè)量鋼帶的長(zhǎng)度來(lái)完成的。當(dāng)編碼電機(jī)測(cè)量到滿足鋼帶長(zhǎng)度的信號(hào)后，截?cái)鄼C(jī)構(gòu)就會(huì)被觸發(fā)，上下兩切斷刀相互作用，將鋼帶截?cái)啵?］。采用編碼電機(jī)方案的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，保證了鐵芯外徑的精度。另一種測(cè)量方案是在滾壓輪的軸上安裝一個(gè)碼盤，垂直于碼盤放置一個(gè)激光頭，照射激光于碼盤上進(jìn)行測(cè)量，該方案由于多了碼盤激光測(cè)量裝置，而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本升高，被排除。

由于鐵芯的精度要求高，所以采用高方向性、高單色性的激光束來(lái)對(duì)鐵芯的外形尺寸進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)探測(cè)到鐵芯外形尺寸與設(shè)定的尺寸參數(shù)不同或者鐵芯上的鋼卷有間隙時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)向成型機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)M3發(fā)出信號(hào)，控制其停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)激發(fā)原料輥電動(dòng)機(jī)M1反轉(zhuǎn)回收鋼帶，直至鐵芯的尺寸參數(shù)和鋼帶間的緊密度符合設(shè)定的參數(shù)值為止。

4 結(jié)論

通過(guò)功能設(shè)計(jì)法確定了電樞鐵芯卷制機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)方案。原料的裝夾采用簡(jiǎn)易機(jī)械手的方式完成；采用夾板機(jī)構(gòu)完成鋼帶的輸送作業(yè)；在卷制成型過(guò)程中，使用滾壓輪擠壓裝置實(shí)現(xiàn)鋼帶的連接，然后成型機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鋼帶的卷繞，鐵芯的拆卸由夾板機(jī)構(gòu)完成；編碼電機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量卷繞鋼帶的總長(zhǎng)度，達(dá)到鐵芯直徑要求后，激勵(lì)切斷刀完成鋼帶的截?cái)啵蝗缓蟛捎秒娮韬傅姆绞綄搸膊亢附永喂?；測(cè)量系統(tǒng)中刀具和鋼帶的位置信號(hào)是通過(guò)碰撞開(kāi)關(guān)發(fā)出，采用在線實(shí)時(shí)測(cè)量的方式及時(shí)消除鐵芯卷制過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，保證了鐵芯加工精度。

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