鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配線設(shè)計(jì)研究

劉學(xué)東

【摘要】在電機(jī)行業(yè)中，鐵殼電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。由于人工裝配存在很多不足之處，諸如裝配質(zhì)量缺乏穩(wěn)定性、裝配效率不高、勞動(dòng)強(qiáng)度非常大等，所以企業(yè)應(yīng)該強(qiáng)化對(duì)鐵殼電機(jī)傳統(tǒng)裝配工藝的改進(jìn)。在本文的研究中，主要結(jié)合當(dāng)下企業(yè)的具體需求，對(duì)鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題展開了深入剖析和研究，設(shè)計(jì)了一條鐵殼電機(jī)自動(dòng)裝配線。在研究中，對(duì)鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配線設(shè)計(jì)展開了分析，闡述了鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配線節(jié)拍設(shè)計(jì)以及布局設(shè)計(jì)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了鐵殼電機(jī)自動(dòng)裝配線關(guān)鍵站，對(duì)定子自動(dòng)化裝配工作站展開了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)壓裝期間出現(xiàn)歪斜現(xiàn)象這一難題，設(shè)計(jì)了一種基座壓裝定子的結(jié)構(gòu)方案，很大程度上促進(jìn)了壓裝過(guò)程可靠性的提高。然后在對(duì)自動(dòng)化裝配線設(shè)計(jì)節(jié)拍以及企業(yè)需求充分考量的基礎(chǔ)上，科學(xué)地對(duì)后端蓋自動(dòng)化裝配工作站進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，在轉(zhuǎn)子自動(dòng)裝配工作站方面也進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在確保軸承組件移動(dòng)量以及轉(zhuǎn)子能夠充分滿足的基礎(chǔ)上，對(duì)其移料機(jī)械手滾珠絲杠的參數(shù)以及選型進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，最終建立了鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配線三維模型。本文所采用的設(shè)計(jì)方式為上下式基本布局上，能夠在符合鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配的前提下，有效對(duì)系統(tǒng)的總體成本進(jìn)行降低，具有較高的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】鐵殼電機(jī);自動(dòng)化裝配線;設(shè)計(jì)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

20.

緒論

電機(jī)屬于第二次工業(yè)革命中的關(guān)鍵產(chǎn)物，在電力工業(yè)以及交通等領(lǐng)域中發(fā)揮著非常大的作用和價(jià)值。現(xiàn)階段，我國(guó)電機(jī)的品種比較多樣，數(shù)量繁多。尤其是在生產(chǎn)力科技發(fā)展進(jìn)程深入推進(jìn)的新時(shí)期下，電機(jī)新材料以及技術(shù)也得到了全面創(chuàng)新，電子微電機(jī)等高性能的電機(jī)漸漸出現(xiàn)在了市場(chǎng)中，有效促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的有序開展。電機(jī)生產(chǎn)主要是由零件加工以及零件裝配共同組合而成。但是目前，我國(guó)很多中小電機(jī)生產(chǎn)工廠在發(fā)展期間，大多對(duì)人工裝配工藝進(jìn)行利用，成本相對(duì)較高，廢品率頗高，產(chǎn)品質(zhì)量相對(duì)較低，不能夠滿足現(xiàn)階段復(fù)雜工藝以及多種類的電機(jī)制造需求。所以，在這種背景下，一定要加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，能夠通過(guò)智能化以及數(shù)字化等的支持，強(qiáng)化提高制造領(lǐng)域智能化水平，有效對(duì)生產(chǎn)成本進(jìn)行降低，以便生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量可以高效提升。

一、自動(dòng)裝配技術(shù)

自動(dòng)化生產(chǎn)線是在裝配線的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來(lái)的，不僅要求生產(chǎn)線上的各類加工設(shè)備能自動(dòng)完成計(jì)劃的工序和工序，使產(chǎn)品成為合格產(chǎn)品，而且還要自動(dòng)完成工件的裝卸、定位、均勻包裝，通過(guò)自動(dòng)支撐等輔助裝置按工藝順序連接各類機(jī)械加工裝置，并通過(guò)液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)連接各部件的動(dòng)作，我們稱這種自動(dòng)工作機(jī)構(gòu)為自動(dòng)生產(chǎn)線。國(guó)外自20世紀(jì)50年代到今天，自動(dòng)裝配技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了數(shù)控裝配機(jī)、裝配機(jī)器人等多個(gè)方面的發(fā)展。近年來(lái)，柔性裝配系統(tǒng)（FAS）已成為自動(dòng)化裝配領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，發(fā)展迅速。柔性裝配系統(tǒng)由可編程、可擴(kuò)展的接口系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、基地建設(shè)系統(tǒng)、安裝機(jī)器人系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成，隨著基地定位等自動(dòng)化裝配部件的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，在柔性裝配領(lǐng)域，采用了自動(dòng)裝配系統(tǒng)，日本Fanako公司作為世界上最大的數(shù)控系統(tǒng)公司，通過(guò)使用小型通用機(jī)器人（LR mate 100I）和基于圖像傳感器的智能機(jī)器人精確定位零件，完成了復(fù)雜裝配工作的自動(dòng)化，保德電氣公司自動(dòng)化系統(tǒng)在定子上進(jìn)行墨束標(biāo)記，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤定位定子，并將其引入管道控制服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象與信息數(shù)據(jù)的連接。國(guó)內(nèi)許多智能裝備公司都開發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)裝配線，如杭州厚達(dá)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司、廣東恒信智能裝備有限公司等，解決了轉(zhuǎn)子自動(dòng)裝配的問(wèn)題，定子導(dǎo)葉等工藝問(wèn)題得到解決，國(guó)內(nèi)大型發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，包括濟(jì)寧電機(jī)廠、北京電機(jī)股份有限公司等，也開始探索開發(fā)自動(dòng)化程度更高的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)線。

二、鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配線設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)分析

1.鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配線設(shè)計(jì)要求

現(xiàn)階段，我國(guó)裝配技術(shù)存在較強(qiáng)的滯后性，一些中小企業(yè)在發(fā)展過(guò)程中，對(duì)手工裝配工藝的應(yīng)用較為廣泛，致使我國(guó)制造業(yè)的整體水平得不到提高。而在電機(jī)制造期間，裝配占整個(gè)制造的絕大部分比例，大約在40%～60%。但是，很多中小企業(yè)采用人工裝配流水線作業(yè)，屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，自動(dòng)化程度相對(duì)較低，裝配工具無(wú)法及時(shí)地進(jìn)行更新，生產(chǎn)效率不高，還存在較高的廢品率，不利于電機(jī)制造行業(yè)的良好發(fā)展[1]。所以，應(yīng)該強(qiáng)化對(duì)鐵殼電氣自動(dòng)化裝配線的設(shè)計(jì)，明確鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝備線設(shè)計(jì)需求，具體如表1所示。

2.鐵殼電機(jī)結(jié)構(gòu)分析

所謂的鐵殼電機(jī)，具體組成部分相對(duì)較多，諸如定子鐵芯、基座以及軸承等，具體如圖1所示為鐵殼電機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)分解圖。從圖中可以看出，鐵殼電機(jī)總體呈分布式的結(jié)構(gòu)，其中，1代表后端蓋，2代表定子鐵芯，3代表基座，4代表轉(zhuǎn)子，5代表軸承，6代表前端蓋。

三、鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配線具體設(shè)計(jì)

1.鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配線節(jié)拍設(shè)計(jì)

（1）鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配線節(jié)拍分析

要實(shí)現(xiàn)鐵殼電機(jī)的自動(dòng)裝配，首先要明確裝配工藝。裝配工藝的合理性，在很大程度上影響著鐵殼電機(jī)自動(dòng)裝配設(shè)備的運(yùn)動(dòng)形式、結(jié)構(gòu)與體積大小、裝配效率、裝配質(zhì)量以及裝配過(guò)程的可靠性。針對(duì)鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配線節(jié)拍而言，整條裝配線的工序具體如下：

定子辨向→定子上料→心軸上料→基座上料→定子壓裝→機(jī)械手抽線→心軸下料→后端蓋上料→后端蓋壓裝→后端蓋鎖螺絲→翻轉(zhuǎn)機(jī)械手翻轉(zhuǎn)180°→轉(zhuǎn)子組件上料→前端蓋上料→前端蓋壓裝→前端蓋鎖螺絲→成品下料

通過(guò)對(duì)某機(jī)電制造企業(yè)鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配工序的分配流程可以明確，在對(duì)自動(dòng)化裝配線進(jìn)行分配劃分方面，具體的分配如表2所示。

通過(guò)列表1的分析可以看出，工位10所消耗的時(shí)間最長(zhǎng)，同時(shí)也是最大的工位時(shí)間.而工位10與工位3平均工位時(shí)間的相差相對(duì)較大，最終導(dǎo)致生產(chǎn)出現(xiàn)了堆積的情況，對(duì)裝配線整體生產(chǎn)效率和質(zhì)量的提高造成了很大阻礙。并且，在具體工作期間，員工工作時(shí)間存在很大的差距，致使出現(xiàn)了負(fù)面的情緒，導(dǎo)致為了能夠快速完成工作，而忽視了工作的質(zhì)量[2]。

根據(jù)工作時(shí)間來(lái)對(duì)各個(gè)工位進(jìn)行平均分配，能夠很大程度上對(duì)各工位不平衡的情況進(jìn)行解決[3]。所以，在確保不對(duì)產(chǎn)品率以及作業(yè)順序等進(jìn)行影響的前提下，可以重新分配各個(gè)工位的工作量，以保證各工位的工作量能夠具有較強(qiáng)的均衡性。在此期間，可以將評(píng)價(jià)裝配線負(fù)荷的評(píng)價(jià)函數(shù)η引入其中，具體公式如下：

η=產(chǎn)品裝配總作業(yè)時(shí)間/裝配線工作中心數(shù)×生產(chǎn)節(jié)拍

通過(guò)公式可以明確，裝配線的系數(shù)如果相對(duì)較大，那么流水線的整體生產(chǎn)效率也會(huì)大幅度提升[4]。一般情況下，最為合適的裝配線復(fù)負(fù)荷系數(shù)應(yīng)該盡可能在80%以上。

生產(chǎn)節(jié)拍具體是指裝配線瓶頸工位的工位時(shí)間，具體由表1可以看出，生產(chǎn)節(jié)拍C=39.0秒，由上述的公式可以得出：裝配線負(fù)荷系數(shù)η

=241.5/39.0×14=44.23%

依照最終的結(jié)果得出，44.23%要比80%小很多，因此工位的分配不合理，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

（2）鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配線節(jié)拍優(yōu)化

將表1所獲得的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，對(duì)鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配線節(jié)拍進(jìn)行優(yōu)化，工位以及工作時(shí)間優(yōu)化后具體情況如表2所示。

通過(guò)對(duì)表2的進(jìn)一步分析可知，生產(chǎn)節(jié)拍C=20.8秒，負(fù)荷系數(shù)為：

η=234.5/20.8×14=80.53%

依照最終的結(jié)果，80.53%大于80%，所以這種優(yōu)化方式具有較強(qiáng)的合理性以及有效性。

2.定子自動(dòng)化裝配工作站設(shè)計(jì)

在對(duì)定子自動(dòng)化裝配工作站進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，針對(duì)功能設(shè)計(jì)，需要將定子自動(dòng)化裝配工作站的實(shí)際需求作為依據(jù)，科學(xué)地對(duì)總功能模型圖進(jìn)行構(gòu)建。

在模型圖構(gòu)建完畢之后，要將具體情況作為依據(jù)，科學(xué)的對(duì)模型圖進(jìn)行劃分，合理劃分成多個(gè)子功能，然后科學(xué)地融入相應(yīng)輔助功能。

在具體的定子自動(dòng)化裝配工作站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該從多個(gè)層面加以考量，合理進(jìn)行設(shè)計(jì)。在對(duì)物料輸送結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)期間，為了能夠最大程度地將以往物料輸送方式滯后的問(wèn)題加以解決，可以對(duì)倍速鏈輸送機(jī)進(jìn)行有效的應(yīng)用，保證能夠讓整體的工作效率和質(zhì)量得到提高。

在進(jìn)行基座壓定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)該確保壓入過(guò)程中的壓入深度能夠滿足既定要求和標(biāo)準(zhǔn)，將定子鐵芯與基座同軸度，讓基座不能與定子鐵芯出現(xiàn)傾斜的情況，定子鐵芯位置接線不會(huì)被壓壞。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以將壓裝底座安裝固定在工作臺(tái)上，將心軸插入到定子鐵芯內(nèi)孔中。因?yàn)樾妮S的外表面有鐵磁，所以可以在一定程度上將定子鐵芯吸引住。之后，心軸連帶定子一同放到壓裝底座上來(lái)進(jìn)行連接，并用緊定螺釘對(duì)心軸進(jìn)行頂緊，將定子的定位固定工作完成之后。最后將基座對(duì)準(zhǔn)定子，從上向下放入，在壓力機(jī)的影響下，基座壓裝到定子上。針對(duì)這一方式，基座在具體的壓裝階段，定子鐵芯與基座同軸度。

3.后端蓋自動(dòng)化裝配工作站設(shè)計(jì)

在具體的設(shè)計(jì)工作開展過(guò)程中，需要將后端蓋自動(dòng)化裝配工作站的具體功能需求作為主要的研究依據(jù)，合理地對(duì)功能模型進(jìn)行構(gòu)建。

將構(gòu)建好的總功能模型圖進(jìn)行合理的細(xì)分，然后融入相應(yīng)的功能，讓其獲得子功能結(jié)構(gòu)圖。

在進(jìn)行后端蓋上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，因?yàn)楹蠖松w的上料所應(yīng)用的是彈匣式上料模式，借助自動(dòng)化機(jī)械手臂能夠?qū)崿F(xiàn)抓取上料，整體的效果相對(duì)良好。所以，依照這一特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)出來(lái)的儲(chǔ)料以及推料機(jī)構(gòu)如圖7所示。

在對(duì)后端蓋壓裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以借助氣缸活塞桿的伸縮運(yùn)動(dòng)，對(duì)后端蓋壓頭上下運(yùn)動(dòng)，有效的帶動(dòng)，保證能夠起到較為良好的緩沖效果。結(jié)合這一特征根，得出的設(shè)計(jì)為如圖8所示。

4.轉(zhuǎn)子自動(dòng)化裝配工作站設(shè)計(jì)

依照其功能需求，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要先對(duì)總功能模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在對(duì)總功的模型圖設(shè)計(jì)完畢之后，需要對(duì)模型進(jìn)行科學(xué)的劃分，讓其能夠形成多個(gè)子功能。

在開展設(shè)計(jì)工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)子的上料可以對(duì)料盤式上料模式加以利用，相關(guān)人員可以將轉(zhuǎn)子放在斜道式料倉(cāng)槽內(nèi)，確保其能夠滑動(dòng)到料倉(cāng)的底部，然后讓凹型轉(zhuǎn)子滾動(dòng)到板處停留下來(lái)，通過(guò)轉(zhuǎn)子上料機(jī)械手來(lái)進(jìn)行上料，最終到達(dá)轉(zhuǎn)子軸承壓裝支架上。依照轉(zhuǎn)子料盤式上料的具體原理，設(shè)計(jì)出來(lái)的轉(zhuǎn)子上料結(jié)構(gòu)。

結(jié)論：

在本文的研究中，主要針對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)裝配效率低以及質(zhì)量差等問(wèn)題展開了深入探析，設(shè)計(jì)了一套鐵殼電機(jī)的自動(dòng)化裝配設(shè)備，力求可以促進(jìn)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的提高，讓企業(yè)能夠在市場(chǎng)中占有一定份額。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要從自動(dòng)裝配需求層面考量，將以往的裝配工藝作為依據(jù)，合理地制定了鐵殼電機(jī)自動(dòng)化裝配工藝路線，并對(duì)裝配工序進(jìn)行了科學(xué)的工位劃分，有針對(duì)性地對(duì)裝配線進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后從裝配線成本等角度出發(fā)，依照上下式流水線布局的模式，明確了鐵殼電氣自動(dòng)化裝配線的總體布局。同時(shí)，借助故障模式影響以及危害度分析方式，對(duì)鐵殼電機(jī)裝配線進(jìn)行了可靠性分析，并設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子自動(dòng)裝配工作站以及電子自動(dòng)裝配工作站，很大程度上促進(jìn)了裝配精度的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]程攀.鐵殼電機(jī)自動(dòng)裝配線設(shè)計(jì)研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2019.

[2]董鵬、吳仲禮、褚磊、陳玉杰.水泵交流電機(jī)定子生產(chǎn)線設(shè)計(jì)及自動(dòng)化研究[J].黃河科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，v.22;No.123（11）：37-43.

[3]李志梅，周圣林，趙振魯.YL-335B自動(dòng)線裝配單元?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].沙洲職業(yè)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，022（002）：9-15.

[4]王衛(wèi)東.風(fēng)扇馬達(dá)裝配檢測(cè)線自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2020（01）：17-18.