新能源汽車電機轉子芯靜電粉末噴涂自動化系統(tǒng)設計

段海峰，顏建*，韓偉，劉楚生

（華南理工大學廣州學院，機械工程學院，廣東 廣州 501800）

對于電機轉子芯的涂覆，端面和線槽的涂覆質量(包括涂覆厚度和均勻性)以及絕緣效果都是非常重要的指標，新能源汽車對此要求更高。經過論證，環(huán)氧粉末噴涂技術可以極大地提高新能源電機轉子芯涂層的可靠性和使用壽命[1]。圖1中綠色的部分便是凃層。

圖1 涂覆后的新能源汽車電機轉子芯Figure 1 Coated motor rotor cores of new energy vehicle

粉末靜電涂覆是通過靜電作用將粉末涂料涂覆在被涂物上，經一定溫度和時間的烘烤后形成涂層[2]，可以實現(xiàn)電機轉子芯的一次成型，并且達到絕緣一體化，較以往的絕緣槽紙工藝具有更好的邊緣覆蓋性，涂層表面光滑，粉末粘附力強，韌性好，機械性能和電氣性能也有不小的提升，最高可以實現(xiàn)0.381 mm的膜厚，滿足電機轉子芯0.35 mm涂層厚度的要求[3]。國內外一些世界級企業(yè)全都在使用這項工藝，而國內一些小企業(yè)雖然也在嘗試，但是絕大多數(shù)都是人工協(xié)作靜電涂覆，還沒有實現(xiàn)智能化自動涂覆，效率偏低。另外，粉末靜電涂覆還具有對環(huán)境污染程度低，節(jié)約能源，更容易實現(xiàn)自動化生產等特點[4]。

本文旨在設計一套生產系統(tǒng)來實現(xiàn)直徑10 ～ 25 mm的新能源汽車電機轉子芯的自動靜電涂覆。

1 靜電粉末噴涂系統(tǒng)自動化設備的結構設計

涂覆工藝流程如圖2所示，生產工藝及機械設計結構見圖3。設備分為3個部分：上料及傳送部分，涂覆及高溫固化部分，以及下料部分。

圖2 新能源汽車電機轉子芯靜電噴涂工藝流程Figure 2 Process flow of electrostatic spraying for new energy vehicle’s motor rotor core

圖3 新能源汽車電機轉子芯涂覆生產工藝及設計結構Figure 3 Production process and designed structure for coating new energy vehicle’s motor rotor core

1. 1 上料及傳送部分

為了實現(xiàn)上料的無人化、自動化、高效化，選用了振動盤上料裝置。將大量需要涂覆的電機轉子芯放入振動盤，經過振動盤振動分揀以及相應的傳送裝置(帶計數(shù)裝置)，實現(xiàn)電機轉子芯的自動分揀和計數(shù)，并將其傳送到自動裝夾裝置的位置實現(xiàn)自動裝夾，最后通過上料機器人將裝夾好夾具的電機轉子芯平放在涂覆生產線上[5]。需要強調的是，夾具的大小可以根據(jù)不同電機轉子芯的尺寸進行設計和修改。

1. 2 涂覆及高溫固化部分

涂覆生產線是整個設計的關鍵部分，它由上料區(qū)、靜電涂覆機(正德智控JF-90G型)、涂覆區(qū)、高溫固化區(qū)和下料區(qū)5個部分組成，并由傳送絲杠作為動力傳送。涂覆的工藝要求為：膜厚0.35 mm，涂覆溫度160 °C，涂覆時間15 min，固化溫度160 °C，固化時間15 min。整個系統(tǒng)中有4條涂覆生產線，可以交替循環(huán)使用，保證上料機器人不間斷地工作，防止資源浪費，提高效率。

系統(tǒng)工作時，先由轉子芯自動裝夾裝置將帶有夾具的電機轉子芯放入涂覆生產線1(見圖4)的上料區(qū)，再由上料機器人帶到傳送絲杠上[6]。在傳送絲杠工作時，依次放入更多的電機轉子芯(本系統(tǒng)設置為一次放入30個轉子芯)，在上料區(qū)上放30個轉子芯耗時5 min，再用5 min將所有的電機轉子芯送入涂覆區(qū)，涂覆機開始涂覆，15 min后涂覆完畢，傳送絲杠繼續(xù)將轉子芯傳送入高溫固化區(qū)(過程歷時5 min)，固化15 min后再次傳送5 min至下料區(qū)等待下料。在涂覆生產線1運行15 min后，上料機器人會開始向涂覆生產線2送電機轉子芯；15 min后，涂覆生產線3開始上料；再過15 min，涂覆生產線4開始上料；15 min后又輪到涂覆生產線1開始新一輪的上料。這樣便實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的交替循環(huán)工作。

圖4 電機轉子芯涂覆及高溫固化生產線的機械設計及工藝Figure 4 Mechanical design and process of coating and high-temperature curing production line for motor rotor cores

1. 3 下料部分

經過高溫固化后的電機轉子芯的溫度比較高，不便直接用手接觸，所以采用2個下料機器人自動卸料，分別對應其中的2條涂覆生產線。

2 控制系統(tǒng)的設計

根據(jù)圖3的工作原理，設計了如圖5所示的觸摸屏控制系統(tǒng)[7]，其左邊一列4個為總控制開關，分別為開始、急停、自動模式和手動模式。開始和急停按鈕控制整個系統(tǒng)的開始和急停。自動模式下，整個系統(tǒng)遵從設定的模式按順序工作及由各條涂覆生產線自動控制工作；手動模式下，可以根據(jù)需要對參數(shù)進行設定[8]。觸摸屏上的第二列為具體動作控制按鈕，可以控制振動盤、自動夾具、絲杠傳送、靜電涂覆和高溫固化5個環(huán)節(jié)。不同大小的電機轉子芯的涂覆和高溫固化的具體時間和溫度會有所不同，所以在觸摸屏的右上角設置了6個數(shù)字顯示功能(包括涂覆溫度、涂覆時間、固化溫度、固化時間、傳送速度和計數(shù))，可以通過觸摸屏右下角的數(shù)值設定按鈕來調整。觸摸屏的右下方還有 2個選項控制旋鈕(可選涂覆生產線1、涂覆生產線2、涂覆生產線3、涂覆生產線4或全部生產線，以及上料機器人、下料機器人1或下料機器人2)，啟動后可以實現(xiàn)單個部分的自動及手動控制[9]。

圖5 觸摸屏控制面板Figure 5 Touchscreen control panel

圖6為觸摸屏控制系統(tǒng)中的關鍵部分──單條生產線的PLC(可編程序控制器)控制梯形圖程序，其中X32、X33、X34為單條生產線的3個光電開關(分別為上料感應開關、涂覆感應開關和下料感應開關)，Y5、Y7、Y10、Y11為4個動作開關(分別對應傳送絲杠傳送，靜電涂覆機涂覆，高溫加熱器加熱并保溫，以及下料機器人1下料)[10]。觸摸屏PLC控制邏輯端口設置見表1。

圖6 單條生產線的PLC控制程序Figure 6 PLC control program of a single production line

表1 觸摸屏PLC端口的設置Table 1 Setting of PLC ports for the touchscreen

續(xù)表1 觸摸屏PLC端口的設置Table 1 (continued) Setting of PLC ports for the touchscreen

4 總結

隨著科學技術的發(fā)展，在人工成本不斷提高的情況下，越來越多的企業(yè)開始探討生產設備的自動化控制。本文設計的一整套新能源電機轉子芯靜電粉末噴涂自動化控制系統(tǒng)，通過觸摸屏方式操作，可以實現(xiàn)電機轉子芯的分揀、裝夾、上料、傳送、涂覆及下料的全自動控制，可供相關企業(yè)參考。