基于恒張力系統(tǒng)的汽車起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子專用加工設(shè)備的研制

舒大松

(湖南廣播電視大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410004)

隨著我國(guó)汽車制造業(yè)的迅猛發(fā)展及整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)的國(guó)際化，對(duì)汽車零部件品質(zhì)的要求也在逐步與國(guó)際接軌，汽車起動(dòng)電機(jī)作為汽車動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其核心零件轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的制造要達(dá)到如此高的產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率，對(duì)轉(zhuǎn)子各部分表面的車削加工設(shè)備和加工的工藝方法也提出了更高的要求。轉(zhuǎn)子各表面的傳統(tǒng)加工工藝是在普通數(shù)控車床上加工，用軟爪夾持轉(zhuǎn)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(zhì)合金刀片。由于軟爪和中心架極易磨損，以及主軸回轉(zhuǎn)中心與轉(zhuǎn)子中心的不同軸度的影響，很難保證大批量穩(wěn)定地車削轉(zhuǎn)子表面。因此若采用過去的工藝設(shè)備加工轉(zhuǎn)子表面，其產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)重依靠技術(shù)工人操作水平，不合格率高，已無法滿足目前市場(chǎng)對(duì)汽車零部件質(zhì)量和產(chǎn)能的要求[2]。所以一種能夠減少工藝流程、通過閉環(huán)控制系統(tǒng)來消除機(jī)床的系統(tǒng)誤差，提高產(chǎn)品質(zhì)量可靠性及生產(chǎn)效率的汽車啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)工藝及設(shè)備的研發(fā)成為迫切的需要[3]。

基于上述背景，在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子表面加工設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的分析、比較，并結(jié)合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，研制出了一種起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)字化控制專用車削設(shè)備。該設(shè)備采用恒張力系統(tǒng)及自動(dòng)定位系統(tǒng)工藝，實(shí)現(xiàn)換向器片間跳動(dòng)小于0.03 mm，通過選用數(shù)控系統(tǒng)及系統(tǒng)內(nèi)部PLC程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化控制，使汽車起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外圓表面的車削加工工藝更合理、更有效，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

1 起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)控專用設(shè)備的構(gòu)成和特點(diǎn)

1.1 起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)控專用設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)

所研制的起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)控專用設(shè)備用于加工轉(zhuǎn)子的兩個(gè)外圓面，如圖1所示。圖1是起動(dòng)機(jī)某轉(zhuǎn)子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖，從圖中所注尺寸可知，加工的兩個(gè)外圓面對(duì)轉(zhuǎn)子軸線都有跳動(dòng)要求，同時(shí)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(chǎn)品既滿足尺寸和形位公差精度方面的要求，又達(dá)到提高企業(yè)生產(chǎn)效率的要求，該設(shè)備采用閉環(huán)控制的數(shù)控加工系統(tǒng)來消除機(jī)床的系統(tǒng)誤差;采用恒張力系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)夾緊，實(shí)現(xiàn)換向器片間跳動(dòng)小于0.03 mm;采用基準(zhǔn)處的軸頸進(jìn)行定位的自動(dòng)定位裝置。其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

圖2 起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)控專用設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖

該設(shè)備由下機(jī)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(dòng)裝置、數(shù)控顯示屏、數(shù)控系統(tǒng)、吸屑裝置、電氣控制部分、氣動(dòng)部分構(gòu)成。裝夾定位裝置實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)裝夾、定位;升降傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)工件的摩擦驅(qū)動(dòng)、恒張力壓緊;X向和Z向走刀裝置實(shí)現(xiàn)工件的外圓表面和端面的切削加工。

1.2 起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)控專用設(shè)備的工作原理

當(dāng)設(shè)備運(yùn)行準(zhǔn)備完成后，人工把轉(zhuǎn)子放入裝夾定位裝置的V型架上，關(guān)小防護(hù)門;在程序段內(nèi)把對(duì)應(yīng)的加工程序調(diào)出來，按下運(yùn)行雙動(dòng)按扭，設(shè)備開始運(yùn)行;頂出氣缸頂出，頂住轉(zhuǎn)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(diǎn)，升降氣缸下壓至轉(zhuǎn)子表面，電機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)皮帶旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，刀架伺服電機(jī)啟動(dòng)，加工開始;當(dāng)機(jī)械加工完成后，電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，升降氣缸上升到原點(diǎn)位置，刀架伺服電機(jī)停止運(yùn)行，刀架退回原點(diǎn)，壓緊氣缸退回原點(diǎn)，定位氣缸退回原點(diǎn);操作者開小防護(hù)門取出工件，一次加工循環(huán)自動(dòng)循環(huán)結(jié)束。

2 機(jī)械關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的研制

2.1 定位裝置的研制

工件的裝夾定位裝置由3個(gè)座子、2個(gè)氣缸連接板、工件左、右支撐架、支撐架座塊、定位頂桿、推桿、導(dǎo)向塊、頂出氣缸、定位氣缸、鎖緊氣缸組成，其作用是對(duì)工件進(jìn)行裝夾和定位，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。裝夾時(shí)，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(zhuǎn)子左端面，消除轉(zhuǎn)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(zhǎng)度方向的定位面是換向器端軸的端面，徑向定位是由轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖4所示，這樣在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)統(tǒng)一的同時(shí)亦保證自基準(zhǔn)無磨損;該裝置裝有油霧噴件，加工時(shí)噴出的油霧對(duì)工件和V形架進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑;轉(zhuǎn)子換型時(shí)，若徑向定位后中心高不變化，轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度的變化又是在定位氣缸的允許行程范圍內(nèi)，該定位裝置都適應(yīng)，若由于轉(zhuǎn)子換型，兩支承處的軸徑發(fā)生變化，導(dǎo)致裝夾后工件的中心高發(fā)生變化，只需更換V形塊就可以。所以該定位裝置能根據(jù)不同規(guī)格轉(zhuǎn)子，通過分析不同轉(zhuǎn)子工藝要求的共性，實(shí)現(xiàn)快速換型，自動(dòng)定位，自動(dòng)潤(rùn)滑及高耐磨，能滿足換向器及鐵芯表面跳動(dòng)要求。

圖3 工件定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 工件右支撐架結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 摩擦驅(qū)動(dòng)恒張力系統(tǒng)的研制

工件定位完成后，接下來的夾緊與驅(qū)動(dòng)通過摩擦驅(qū)動(dòng)恒張力系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)[4]，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。由升降氣缸帶動(dòng)相應(yīng)裝置使膠帶下壓至轉(zhuǎn)子表面，張緊氣缸及活動(dòng)張緊輪組將膠帶張緊，從而將工件壓緊;電機(jī)啟動(dòng)通過傳動(dòng)輪組、調(diào)節(jié)輪組及膠帶與工件表面之間的摩擦，帶動(dòng)皮帶旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。加工過程中有兩個(gè)因素會(huì)使膠帶與轉(zhuǎn)子表面間的摩擦驅(qū)動(dòng)力大小不穩(wěn)定，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子表面加工時(shí)發(fā)生振顫，從而影響工件表面加工質(zhì)量。一個(gè)因素是由于轉(zhuǎn)子加工過程中表面溫度升高，皮帶的熱脹冷縮導(dǎo)致皮帶的張緊力減小;另一個(gè)因素是由于工件的加工表面的不連續(xù)，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(dòng)張緊輪，使膠帶總是處于張緊狀態(tài)，這樣將膠帶與轉(zhuǎn)子表面間的摩擦驅(qū)動(dòng)力大小不穩(wěn)定，使轉(zhuǎn)子表面加工時(shí)發(fā)生振顫的影響降到最低，實(shí)現(xiàn)換向器片間跳動(dòng)小于0.03 mm。

圖5 摩擦驅(qū)動(dòng)恒張力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 氣動(dòng)系統(tǒng)的研制

起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)控專用車床的定位夾緊部分采用全氣動(dòng)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(jié)流閥、消聲器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。各氣缸的動(dòng)作是:機(jī)床在原位按下運(yùn)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(diǎn)→YA07得電→升降氣缸推動(dòng)電機(jī)下降，當(dāng)皮帶接觸到轉(zhuǎn)子表面時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，加工開始，加工完成后，電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)→YA08失電→升降氣缸上升，刀架伺服電機(jī)停止→YA06失電→壓緊氣缸退回→YA04失電→定位氣缸退回到原點(diǎn)。

圖6 起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)控專用設(shè)備氣動(dòng)原理圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控系統(tǒng)采用廣數(shù)GSK-980TD系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)原理框圖見圖7。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)X－Z軸聯(lián)動(dòng)，主軸變頻調(diào)速;電磁閥控制氣缸動(dòng)作;采用感應(yīng)開關(guān)作為定位信號(hào)，對(duì)氣缸及刀具行程進(jìn)行機(jī)械定位檢測(cè)。

圖7 數(shù)控專用設(shè)備電氣控制原理框圖

控制軟件采用數(shù)控插補(bǔ)控制程序及系統(tǒng)內(nèi)部PLC程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化控制。數(shù)控系統(tǒng)配置的軟件可實(shí)現(xiàn)PLC 梯形圖程序編輯、CNC系統(tǒng)參數(shù)、刀具偏置、螺距補(bǔ)償?shù)葏?shù)的設(shè)置和零件加工程序的編輯功能，使軟件界面簡(jiǎn)潔，易于使用。

5 結(jié)論

該設(shè)備采取了極為有效的安全防護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)了對(duì)操作人員的安全保護(hù);能根據(jù)不同規(guī)格轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)快速換型，自動(dòng)定位，自動(dòng)潤(rùn)滑及高耐磨，滿足換向器及鐵芯表面跳動(dòng)要求，在實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)統(tǒng)一的同時(shí)亦保證自基準(zhǔn)無磨損;通過摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，消除轉(zhuǎn)子換向器表面加工后的微小振顫，實(shí)現(xiàn)換向器片間跳動(dòng)小于0.03 mm;通過選用數(shù)控系統(tǒng)的選用，設(shè)定用戶的M指令，系統(tǒng)內(nèi)部PLC程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化控制[5];設(shè)備的結(jié)構(gòu)及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到可靠、低維護(hù)，運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原理[6]，使設(shè)計(jì)的機(jī)器和環(huán)境系統(tǒng)適合人的生理、心理特點(diǎn)，達(dá)到了在生產(chǎn)中提高效率、安全、健康和舒適的效果，實(shí)現(xiàn)了完美的人機(jī)合一。

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