壓縮機回收拆解設備伺服進給機構(gòu)設計*

鐘 東，劉 冀，陳子涵，王玉琳

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院，合肥 230009)

0 引言

壓縮機被稱為制冷系統(tǒng)的心臟，是制冷類家電產(chǎn)品的核心部件。其生產(chǎn)是以流水線的方式進行的，首先制造出缸體、活塞、閥片、連桿、曲軸、端蓋、轉(zhuǎn)子、定子等一系列零部件，然后再進行裝配和上、下殼體的拼焊[1]。鑒于其密封的焊接裝配工藝，無論是對其進行維修再利用還是對其中的零部件進行回收，都需要將其外殼打開。家電制冷類產(chǎn)品壓縮機外殼形狀不一，通常有圓形、橢圓形和帶圓角的矩形等[2]，普通機床無法對壓縮機外殼進行恒深切割，在不損傷內(nèi)部零部件的前提下，將其外殼打開。目前，國外企業(yè)回收壓縮機主要是對其進行液氮冷卻、低溫破碎，設備成本高，維護費用大[3-5]；國內(nèi)多數(shù)企業(yè)仍然采用手工方式拆解[6-7]，效率十分低下，破壞性的拆解使得壓縮機內(nèi)部零部件只能進行原材料回收，無法做到再利用，造成資源的嚴重浪費。

鑒于上述現(xiàn)狀，本文研發(fā)了一種能自動適應各種壓縮機外殼形狀的智能回收拆解設備，既提高了壓縮機的拆解效率，又能夠保證壓縮機內(nèi)部零件的完好無損。

1 回收拆解設備簡介

壓縮機智能回收拆解設備的結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，設備整體類似一臺立式機床。待拆解的壓縮機1由夾具2豎直裝夾在工作臺3的頂面。工作臺3的上層是回轉(zhuǎn)層31，由伺服電機4經(jīng)蝸桿-蝸輪副控制旋轉(zhuǎn)；工作臺3的下層是平移層32，由伺服電機5通過滾珠絲杠-螺母副帶動，在水平導軌6上產(chǎn)生直線運動。伺服電機8經(jīng)滾珠絲杠-螺母副驅(qū)動垂向滑臺9產(chǎn)生上下運動；銑刀電機10安裝在滑臺9上，并通過銑刀桿11帶動鋸片銑刀12產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)切割運動。激光測距傳感器與CCD視覺相機13安裝在垂向滑臺9的底部。

所采用的智能拆解方法是：借助CCD視覺相機判定壓縮機外殼環(huán)形焊縫的高度位置，并控制刀具自動尋找切入點；利用激光測距傳感器控制切割刀具在周長方向自動跟蹤壓縮機外殼環(huán)形焊縫，保證切深恒定，不會傷及內(nèi)部零件，從而實現(xiàn)智能控制、跟蹤切割。圖1中，測控系統(tǒng)14協(xié)調(diào)控制壓縮機的回轉(zhuǎn)運動與直線平移運動，使得鋸片銑刀在壓縮機外殼上恒深切割，當壓縮機轉(zhuǎn)過360°時，即可完成拆解任務。

1.壓縮機 2.自動夾緊裝置 3.工作臺 31.回轉(zhuǎn)層 32.平移層4.回轉(zhuǎn)層伺服電機 5.平移層伺服電機 6.水平導軌 7.機座8.垂向伺服電機 9.垂向滑臺 10.銑刀電機 11.銑刀桿12.鋸片銑刀13.激光測距傳感器與CCD視覺相機 14.測控系統(tǒng)

圖1 壓縮機智能回收拆解設備結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，壓縮機回收拆解設備含有一個主運動和三個伺服進給運動。主運動為銑刀電機10控制鋸片銑刀12的刀具旋轉(zhuǎn)運動，電機10為壓縮機拆解提供切削動力；進給運動包括垂向滑臺9的Z向垂直運動、工作臺3上層的回轉(zhuǎn)運動以及工作臺3下層的X向水平運動。其中垂向滑臺9的Z向運動為空載運動，在壓縮機外殼被切割的過程中，滑臺9 始終處于靜止狀態(tài)，僅僅刀具12在旋轉(zhuǎn)。

2 工作載荷分析與計算

回收拆解設備對刀完成后，保持銑刀Z向位置不變，靠工作臺3上層的回轉(zhuǎn)和下層的X向移動，來保證鋸片銑刀對壓縮機外殼的恒深切割。設拆解過程鋸片銑刀采用逆銑的方式，銑削過程主要參數(shù)如表1所示。

表1 鋸片銑刀銑削拆解主要參數(shù)

由文獻[8]可知，鋸片銑刀銑削碳鋼時的主切削力計算公式為：F=CF×ae0.86×fz0.72×d-0.86×ap×Z，將表1參數(shù)帶入，求得高速鋼鋸片銑刀的銑削力F=1615.6N。壓縮機外殼材料為Q235鋼板[9]，σb= 418MPa，材料修正系數(shù)kMF=(σb/75)0.3= 1.67，求得壓縮機拆解過程中的實際銑削力Fc=kMF×F=1.67×1615.6N=2698N。

壓縮機拆解過程銑削力分析如圖2所示。鋸片銑刀受到的銑削抗力可分解為三個相互垂直的分力：消耗主軸主要功率的切向切削力(實際銑削力)Fc，使主軸彎曲的徑向切削力Fcn，以及沿鋸片銑刀軸線的力Fp。將作用在工件上的總切削力F′分解為沿機床工作臺的三個互相垂直的分力：沿X方向的橫向進給力Ff，沿Y方向的縱向進給力Fe，以及沿Z方向的垂直進給力Ffn。

圖2 壓縮機拆解過程銑削力分析圖

根據(jù)實際銑削力Fc，由文獻[8]的經(jīng)驗公式可計算逆銑時三個方向的銑削力：橫向進給力Ff= 1.1Fc= 2968N，縱向進給力Fe= 0.38Fc= 1025N，垂直進給力Ffn=0.25Fc=675N。工作臺所受載荷與以上進給力有如下對應關(guān)系：X向載荷Fx=Ff= 2968N，Y向載荷Fy=Fe= 1025N，Z向載荷Fz=Ffn= 675N。

3 直線進給傳動機構(gòu)設計

3.1 X向滾珠絲杠副的計算與選型

由壓縮機回收拆解設備的工作特點可知，沿Z方向的進給運動不需要克服切削負載，只需承擔垂向滑臺9及其部件的重量；沿X方向的進給運動需克服切削負載以及工作臺3、夾具2和壓縮機1的重量。本文僅以X方向伺服進給機構(gòu)為例進行設計與校核計算，已知該方向的主要參數(shù)如表2所示。

表2 X方向直線進給機構(gòu)主要參數(shù)

壓縮機回收拆解設備X向?qū)к壊捎萌切谓Y(jié)構(gòu)，參考文獻[8]并結(jié)合表2數(shù)據(jù)，算出工作臺X向所受最大工作載荷為：FmX=KFx+μ(Fz+Gx)=3577.4N。

根據(jù)最大動載荷和初選的絲杠導程，選擇山東濟寧博特精工的G系列3205-4型滾珠絲杠副，該絲杠為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，公稱直徑d0=32mm，導程Ph=5mm，循環(huán)滾珠為4圈×1列，精度等級為5級，額定動載荷Ca=15158N，大于FQ=14882.6N，滿足要求。

由公稱直徑和導程可算得絲杠螺旋升角：λ=tan-1[Ph/(πd0)] = 2.847°；已知該絲杠的摩擦角φ=10′，則由η=tanλ/ tan(λ+φ)，求得傳動效率η=94.5%。

3.2 X向伺服電機的選擇

(1)折算到X向伺服電機軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩為：Tt=[(FmXPh)/(2πη)]×10-3=3.01N·m。

(2)滾珠絲杠螺母預緊后的預加載荷FYJ一般為絲杠軸向最大工作載荷的1/3[10]，今取FYJ=FmX/3= 1192.5N，則FYJ折算到伺服電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩[8]為：Tp0=[(FYJPh)/(2πη)](1-η2)×10-3=0.11 N·m。

(3)X向滾珠絲杠的支承方式為一端雙推、一端簡支，由文獻[8]取滾珠絲杠軸承的摩擦力矩：Tf 0= 0.16 Nm。

則伺服電機軸上總的負載轉(zhuǎn)矩[8]為：T=Tt+Tp0+Tf0=3.28 N·m。取安全系數(shù)K=2.2，確定最大轉(zhuǎn)矩Tmax=K×T=7.21 N·m。選擇浙江溫嶺宇海130SY-M07725型交流永磁伺服電機，額定轉(zhuǎn)矩為7.7 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為22 N·m，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM= 1.36×10-3kg·m2。

已知電機軸頭與絲杠軸頭聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量為Jc=0.0002kg·m2，絲杠長度為L=860mm，絲杠轉(zhuǎn)動慣量為Js=3.77×10-4kg·m2，工作臺轉(zhuǎn)動慣量JW=(Ph/2π)2Gx=2.22×10-4kg·m2，則可求得伺服電機的負載慣量為：JL=JC+JS+JW=7.99×10-4kg·m2。

為使伺服電機具有良好的啟動能力和較快的響應速度，一般要求伺服電機的負載慣量與電機轉(zhuǎn)子慣量之比處于0.5～2.0之間[11]，本設備中JL/JM= 0.59，滿足要求。

3.3 性能指標的驗算

3.3.1 絲杠剛度驗算

已知鋼的彈性模量E=2.1×105MPa，滾珠絲杠底徑d2=28.2mm，按底徑確定的截面積S=624.3mm2，絲杠兩端支承間的距離a=840mm，則絲杠拉伸或壓縮變形量[8]為：δ1=FmXa/(ES)=22.92×10-3mm=22.92μm。

滾珠絲杠公稱直徑d0=32mm，鋼球直徑Dw=3.175mm，單圈滾珠數(shù)Z=πd0/Dw-3=28。該型號滾珠絲杠為單螺母，滾珠圈數(shù)×列數(shù)為4×1，滾珠總數(shù)量Z∑=Z×列數(shù)×圈數(shù)=112，滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量[8]為：

則絲杠總的變形量：δ總=δ1+δ2=25.69μm。所選絲杠有效行程為820mm，5級精度滾珠絲杠有效行程在800～1000mm時，允許行程偏差為40μm[8]，可見所選滾珠絲杠的剛度足夠。

3.3.2 絲杠壓桿穩(wěn)定性校核

3.3.3 加速啟動能力驗算

X向伺服電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq=JM+JL= 1.45×10-3kg·m2，伺服電機額定轉(zhuǎn)速nN=2500r/min，電機加速時間ta=0.3s，求得最大加速轉(zhuǎn)矩Ta=2πJeqnN/(60ta)=1.27N·m，該值遠小于伺服電機的最大轉(zhuǎn)矩22 N·m。因此，回收拆解設備的工作臺在X方向具有足夠的加速啟動能力。

4 回轉(zhuǎn)進給傳動機構(gòu)設計

圖1中，拆解期間回轉(zhuǎn)層伺服電機4帶動回轉(zhuǎn)層31產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動，在鋸片銑刀恒深切入壓縮機外殼的狀態(tài)下，使壓縮機勻速轉(zhuǎn)動一周，從而完成拆解任務。本設備選用減速比大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、運動自鎖的蝸桿-蝸輪副傳動，用伺服電機直接驅(qū)動蝸桿，回轉(zhuǎn)工作臺的動力傳遞機構(gòu)如圖3所示。

圖3 回轉(zhuǎn)工作臺動力傳遞機構(gòu)圖

由第2節(jié)分析計算可知，拆解過程中的實際銑削力Fc= 2698N，回轉(zhuǎn)層臺面半徑r= 0.12m，回轉(zhuǎn)工作臺所承受的最大銑削力矩M=Fc×r=323.76N·m。已知蝸桿-蝸輪副的減速比i=1/90，則驅(qū)動蝸桿的伺服電機轉(zhuǎn)矩為M電=M×i= 3.60 N·m。選取浙江溫嶺宇海80SY-M04025型交流永磁伺服電機，額定轉(zhuǎn)矩4 N·m，最大轉(zhuǎn)矩10 N·m，額定功率P=1000W，額定轉(zhuǎn)速2500r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM= 3.45×10-4kg·m2。

回轉(zhuǎn)工作臺、夾具以及壓縮機的總重量M= 150kg，工作臺直徑l= 0.24m，回轉(zhuǎn)工作臺及其工件的轉(zhuǎn)動慣量J=M×(l2+l2)/12=1.44 kg·m2，折算到伺服電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量[12]為JL=J×i2=1.77×10-4kg·m2。由此可見，所選回轉(zhuǎn)伺服電機的轉(zhuǎn)動慣量JM遠遠大于負載轉(zhuǎn)動慣量JL的1/10，由文獻[13]可知，所選電機滿足設計要求。

5 結(jié)束語

本文將上述伺服進給機構(gòu)的設計方法應用于所研發(fā)的壓縮機回收拆解設備中，并在家電拆解回收線進行了試用，結(jié)果表明：

(1)拆解設備工作臺的水平移動采用伺服電機拖動、滾珠絲杠傳動，脈沖當量為0.005mm/pulse，定位精度為±0.015mm，重復定位精度為±0.01mm，空載最高速為6000mm/min，滿載最高速為1000mm/min，工作臺移動平穩(wěn)、無顫振、無爬行；

(2)拆解設備垂向滑臺的上下移動采用伺服電機拖動、滑動絲杠傳動，脈沖當量為0.01mm/pulse，定位精度為±0.025mm，重復定位精度為±0.015mm，最快移動速度為8000mm/min，垂向滑臺只做空載移動，運行過程平穩(wěn)、輕快、無阻滯；

(3)拆解設備回轉(zhuǎn)工作臺采用伺服電機拖動、蝸桿-蝸輪副傳動，脈沖當量為10″/pulse，定位精度為±30″，重復定位精度為±15″，空載最高速為6r/min，滿載最高速為2r/min，工作臺回轉(zhuǎn)平穩(wěn)；無噪音。

壓縮機拆解過程采用高精度的伺服進給傳動機構(gòu)，保證了刀具在壓縮機外殼上的恒深切割，內(nèi)部零件完好無損，切口表面平整光潔，修理后容易焊接。本設備的研發(fā)為家電壓縮機大規(guī)模、高效率、自動化拆解回收提供了借鑒，其伺服進給機構(gòu)的設計方法也為類似設備的進給機構(gòu)設計提供了參考。