無刷電機全自動行星架組裝設備的開發設計

王 輝 王佩君 蔡 坤

（1.浙江恒成硬質合金有限公司 金華 322100；2.浙江中天恒筑鋼構有限公司 杭州 311300；3.品茗科技股份有限公司 杭州 310000）

前言

2019年智能割草機行業市場規模已達5 500 億元，同比增長25 %。由于國內及國外供需情況短期難以達到平衡，智能割草機行業市場需求旺盛。“互聯網+”應用在智能割草機領域，為割草機行業帶來新的發展空間。在此基礎上，傳統企業和互聯網平臺競爭激烈，企業通過提高產品效率，降低噪聲、降低振動頻率等方式提高市場競爭率，這給割草機電機提出了更高的產能要求和品質要求。

本項目產品作為割草機行業無刷電機生產使用的行星架全自動組裝設備，在產量提升、生產大數據控制上存在較大突破。目前，大多數電機生產企業在行星架壓裝工序上仍然使用人工上料，半自動壓裝的方式，采用增壓氣缸獲得較大壓力，對壓裝過程力缺乏控制；同時，因壓裝所需的行星架、輪軸、太陽輪尺寸較小，人工上料需花費較多時間，效率無法提升。本產品將行星架壓裝工序進行細分，通過8 工位的設計，完成三種不同物料的自動上料、檢測、壓裝、下料工序，開辟了無刷電機行星架壓裝的新方式，具有全自動上料、壓力控制、壓裝位置精度控制、行星架板角度自動修正等明顯的技術競爭優勢。

1 設計方案

如圖1 所示，為全自動行星架組裝設備主視圖。設備八工位設計，涵蓋三種配件的自動供料、搬運、檢測、剔除、壓裝工序。通過機構間的配合，行程一個完成的整體。

1.1 輪軸一出三自動上料機構

行星架整體需要三根輪軸、一個行星架、一個太陽輪，為保證壓裝位置的精確，需要將所有物料放置在固定模具中進行壓裝。本機構完成將三根輪軸同時自動供料的功能，垂直落入中轉模具中。

1.2 輪軸自動搬運機構

此機構負責將三根輪軸從中轉模具精準搬運至伺服轉盤內，通過伺服轉盤的流轉，進入下一工位。

1.3 輪軸檢測+剔除機構

為防止輪軸上料和搬運過程中出現輪軸缺失情況，本機構完成對三根輪軸是否到位的檢測，同時通過電磁鐵的吸取剔除掉缺失的情況。

1.4 行星架自動上料機構

此機構完成行星架的自動上料，將行星架輸送至限位塊中，通過上方的行星架角度糾正機構進行搬運。

1.5 行星架角度修正機構

此機構中應用了自轉角度修正技術。通過角度修正，完成輪軸和行星架的位置對接，確保行星架與輪軸的相對位置準確。

1.6 太陽輪上料機構

此機構完成對太陽輪的自動上料和精準搬運。

1.7 行星架壓裝機構

此機構通過伺服電缸提供壓力，根據前期測算，需要3 T 的力，實現行星架整體的壓裝。壓頭部分配備壓力傳感器，記錄壓裝過程的壓裝力。

1.8 自動出料機構

此機構完成對壓裝完成的行星架的出料。

8 個工位通過伺服電機帶動的圓盤進行連接，通過設計的優化，將三個配件料倉設計在設備內部，減少人工長時間不斷加料的情況，控制系統采用PLC+組態軟件的創新設計，集PLC 技術、觸摸屏技術、通信技術于一體。應用PLC 編程軟件實現智能供料，以及8 個工位間的配合。

2 設備主要技術難題及創新點

2.1 主要技術難題

1）輪軸為細長狀，在工裝模具上需垂直落料，所以供料的時候需保證輪軸從水平狀態變為垂直狀態，且需要一個振動盤一次性出三根輪軸。

2）輪軸的搬運機構需要包含吸取和頂出機構，通過負壓吸取，吸住輪軸進行搬運，在模具上方后通過頂出機構將輪軸頂出到模具中。且中轉模具的高度與最終模具的高度存在一定高度差，搬運機構需設計上下絲桿。

3）行星架上設計有6 個孔，分為兩組，兩組的直徑不同。輪軸組裝時用到其中一組孔（3 個）。行星架通過振動盤供料，孔的朝向不同，需要對行星架的角度進行修正，確保行星架預壓時可以插入三根輪軸內。

4）為保證壓裝的質量，需要通過工裝模具對銷軸、行星架、太陽輪進行壓裝限位，同時，為方便進料，工裝模具上需具備伸縮導向機構。

2.2 解決方案及創新點

2.2.1 供料導向機構

圖3 供料導向機構實物圖

2.2.2 輪軸搬運機構

由步進電機控制，配合絲桿實現輪軸的搬運。末端治具具備吸取、頂出功能。通過負壓吸取，將輪軸從中轉定位模具中吸出，通過電機和絲桿運動至模具上方，上下頂桿氣缸運動，將頂桿頂出，頂桿在吸管內部，吸管與零件之間通過卡簧和彈簧實現位置回復。如圖4、5所示。

圖4 輪軸搬運機構方案圖

圖5 輪軸搬運機構實物圖

2.2.3 行星架角度修正機構

如圖6 所示，為行星架角度修正機構設計圖。行星架6 個孔位里僅有三個孔為使用孔，兩組孔半徑不同。角度修正機構，即通過伺服電機扭力反饋機制，當夾爪帶動行星架在三根輪軸上方時，因模具的導向作用，行星架孔位與輪軸已在同一半徑內，此時，伺服電機轉動，因上方上下氣缸的存在，所以行星架上存在一定預壓力，當行星架轉動至合適位置時，行星架預壓入輪軸內，此時，伺服電機還在轉動，但下方行星架因輪軸的作用而無法轉動，電機扭力變大，當扭力達到設定值后，即判斷為行星架已成功預壓入輪軸內，夾爪氣缸打開。因為夾爪氣缸上連接有感應開關和氣管，為防止自轉時對氣管和線路的損壞，在兩者之間設計有旋轉接頭，保證上下的電路氣路在旋轉過程中不受影響。

圖6 行星架角度修正機構設計圖

圖7 行星架角度修正實物圖

2.2.4 行星架模具工裝

行星架三種物料需放置到模具工裝內，再進行壓裝，如圖8、9 所示，為行星架模具工裝設計圖與實物圖。為保證壓裝后輪軸和行星架的相對位置，需對導向板的高度公差進行平面磨。經驗證，需保證公差在0 到正3 絲。

圖8 行星架模具工裝設計圖

圖9 行星架模具工裝實物圖

2.2.6 一鍵式啟動，實現自動化操作

交互交際策略中的要求對方重復策略在調查中使用頻率較以上策略相對較低，因為在沒有聽清或者理解對方時，大部分受訪者選擇使用猜測策略，只有兩名受訪者使用了要求對方重復的策略，在使用該策略時，受訪者表示外教語速過快，沒有聽清，所有當他們要求外教重復時，外教會自然的放慢語速，這時學生便可以聽清楚并理解外教的指示，然后做出相應的回答。

通過自主開發PLC 程序設計，一鍵式啟動，實現全自動化操作，有效節省三種物料之間往模具上的供料時間，物料放置和壓裝出料同時進行，提高工序生產效率。主控程序采用PLC 控制，采用多個感應開關對各個工位的運動狀態進行進準控制，具備輪軸缺料報警功能、壓裝壓力曲線收集功能。

3 樣機試驗

無刷電機全自動行星架組裝設備已在本公司試制成功并通過試驗，具體試驗過程如下：操作者經過設備使用培訓后，獨立完成本設備的全部操作。操作者先將三種物料分別放入相對應的振動盤內，依次按動設備上“伺服復位”、“連續運動”按鈕，設備進入全自動運行狀態，行星架自動出料到外置輸送帶上。

經過對壓裝實物的位置檢測以及裝配成整機檢測，本設備壓裝完成的行星架滿足電機設計要求以及裝配工藝要求，電機整機檢測老化測試結果符合測試要求。

4 同類產品比較

通過項目團隊成員的共同努力，歷經1年多的設計研發和測試，在無刷電機行星架裝配領域，采用多工位細化的方式進行加工，一個工序細分為8 個工位，此方式在國內并不常見。本產品在研制過程中，著重從物料自動供料、行星架角度修正、輪軸一出三定向精準搬運、壓裝壓力監控、工作節拍、操作難易程度出發，通過結構上的巧妙設計，配合自主編程的PLC 程序，實現整個工序的全自動運行，操作者只需按動設備“伺服復位”按鈕后按動“連續運行”即可。

小型電機生產加工企業，通常使用一整塊的定位工裝，人工將三種物料放入工裝內，通過氣缸或者電缸、液壓缸進行壓裝。一整塊的定位工裝相對于本設備使用的組合工裝，導向板和外套分為兩個工件，組合成一個整體，可以有效提高行星架完成后的壓裝位置精度。

針對生產效率，部分企業開發半自動壓裝設備，通過分度盤和液壓缸進行，人工將三種物料放置到模具中，如圖10 所示。

相比原有半自動壓裝的效率，本設備采用多工位配合的設計思路，更符合電機制造行業要求的自動化操作要求，有效降低人工成本，提高生產壓裝效率，符合行業發展的方向。

該設備屬于自主研發，與同類產品主要技術參數對比如表1。

表1 本設備與同類產品主要技術參數對比

5 專利

本產品根據機械結構的重大改進申請專利，目前，該產品涉及知識產權情況如下：

已受理發明專利4 項：

1）行星架輪軸裝配裝置， 專利號：2019082100232960；

2）臺階銷上料機構，專利號：2019121100601000；

3）行星架與銷軸的壓裝方法， 專利號：2020061001070340；

4）行星架與銷軸用壓裝裝置， 專利號：2020061000408430。

已授權實用新型專利1 項：

臺階銷上料機構，專利號：ZL2019 2 1436624.2。

6 結束語

無刷電機全自動行星架組裝設備的特點在于：

1）采用8 工位設計，三種物料單獨自動供料，減少操作者操作時間；

2）應用銷軸垂直定點搬運供料技術，將三根輪軸一次性精準搬運至流轉圓盤的模具中；

3）應用自轉角度修正技術，將輪軸與行星架的相對位置進行確定；

4）壓裝工位配備高精度壓力傳感器，檢測精度控制在0.5 kg 之內，壓裝數據處理上通過前后過濾，取中間段測量值；

5）設計有分體組合式模具工裝，壓裝過程可以對輪軸和行星架壓裝相對位置度提升。