永磁起動機輔助磁極自動焊接設備的研制

金思磊，管功湖，吳飛遠，袁懷鈺，蔡遠濤

(臺州學院 電子與信息工程學院，臨海 317000)

0 引 言

直流起動機主要分為串勵式起動機和永磁起動機兩類，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車起動機的需求量越來越大，國內生產的起動機主要供應國內市場以及國外的汽車維修市場。永磁起動機是用永磁材料作為磁極，取消了串勵式起動機的勵磁繞組和磁極鐵心，具有結構簡單、體積小、質量輕、節(jié)省金屬材料、可靠性高、有利于換向等優(yōu)點[1]。進一步的研究表明，利用增加輔助磁極的方法，可以加大永磁起動機的起動力矩，改善永磁起動機的起動特性[2-4]。帶輔助磁極的永磁起動機，被廣泛應用于汽車起動機中。文獻[5-8]給出了各種類型的帶輔助磁極的永磁起動機實用新型專利。

永磁起動機定子由機殼和多對磁極構成，其中每個磁極又由主磁極和輔助磁極組成。在實際生產時，需把輔助磁極按規(guī)定角度均勻焊接在機殼內，然后通過固定卡片把主磁極固定在輔助磁極之間。手工焊接輔助磁極往往造成分度不準，焊接位置存在偏差，這會引起下一道工序安裝主磁極時裝配困難，同時生產效率降低。根據永磁起動機定子結構和輔助磁極的焊接工藝要求，本文研制永磁起動機輔助磁極自動焊接設備，同時充分利用可編程邏輯控制器(以下簡稱PLC)強大的控制功能，采用觸摸屏作為人機界面，其交互良好，用戶使用簡單方便，以伺服系統(tǒng)作為分度控制，采用中頻焊接電源。實現(xiàn)輔助磁極自動焊接、手動焊接、補焊及故障自動報警等功能。與手工焊接相比，自動焊接分度精度高，焊接偏差小，焊接質量高，同時可進一步提高生產效率。

1 自動焊接設備組成與工作原理

1.1 永磁起動機定子組成

永磁起動機定子，如圖1所示，由4條主磁極和4條輔助磁極組成，主磁極采用永磁材料制成，輔助磁極則用高導磁材料，如10號鋼。磁極在機殼內均勻分布，相對于電樞旋轉方向，輔助磁極在前，主磁極在后，電樞只能單向旋轉。

圖1 永磁起動機定子組成

以大缺口中心線為基準，逆時針7.5°為第1條輔助磁極的位置，此位置可作為原點，然后每隔90°焊接1條輔助磁極，把4條輔助磁極均分焊接在機殼上。然后用固定卡片把主磁極固定在兩條輔助磁極之間。

1.2 設備組成與工作原理

研制的輔助磁極自動焊接設備，如圖2所示，主要由送殼和分度機構、送輔條機構、加壓機構、抬殼機構、中頻焊接機構和控制柜等組成。采用氣缸作為各部分機構的執(zhí)行元件。

圖2 輔助磁極自動焊接設備

輔助磁極自動焊接設備工作原理：開機時，通過原點找準接近開關來實現(xiàn)設備自動回原點，確定首條輔助磁極的位置；放上機殼，按下起動按鈕，送機殼氣缸工作，由送殼機構完成送機殼過程；同時送輔條氣缸工作，由送輔條機構完成送輔條過程；接著加壓氣缸和抬殼氣缸配合工作，完成機殼的下壓和中頻焊接機構的加壓過程，確保機殼和輔條緊密接觸；然后接通中頻焊接電源進行焊接，完成焊接后，加壓氣缸和抬殼氣缸復位，由伺服分度控制機殼旋轉，確定第2根輔助磁極的位置；繼續(xù)上述的工作過程，直到4條輔助磁極焊接完成，退機殼，自動回原點，準備下一個機殼的焊接。也可手動分步實現(xiàn)上述的工作過程，同時通過設置氣缸行程限位開關，可實現(xiàn)故障時自動報警功能。如有輔助磁極在自動焊接過程中沒有焊牢的情況，可實現(xiàn)補條功能。

2 PLC控制電路設計

2.1 PLC控制電路組成

根據輔助磁極自動焊接設備的工作原理，設計的PLC控制電路如圖3所示?？刂齐娐芬訮LC為控制核心，采用觸摸屏作為人機界面，以伺服系統(tǒng)作為分度控制，同時采用中頻焊接電源。因采用中頻逆變電阻點焊技術[9-10]，利用直流進行焊接，和工頻交流焊接相比，可以提高焊接質量。

圖3 PLC控制電路組成

主要控制單元選擇信捷的XC3系列PLC、觸摸屏、DS2系列伺服控制器和配套的伺服電機。

2.2 伺服分度參數(shù)計算與設置

伺服驅動器選擇位置控制方式，伺服分度采用減速比為10∶1的行星減速機進行減速。設電機軸與負載軸的機械減速比為m/n，即伺服電機旋轉m圈，負載軸旋轉n圈，則可以由下式求出電子齒輪比的設定值：

電子齒輪比=B/A=(編碼器脈沖數(shù)×4)÷

負載軸旋轉1圈的指令量×(m/n)

當指令單位選擇0.01°時，負載軸旋轉1圈的指令量為360÷0.01=36 000。電子齒輪比計算：

B/A=(2 500×4)/(360÷0.01)×10=25/9

根據伺服驅動器的使用說明書，設置運行模式： P0-01=6，6為“位置控制(外部脈沖列指令)模式”，即利用脈沖列位置指令控制伺服電機的位置，也就是利用輸入脈沖數(shù)控制位置，輸入脈沖的頻率控制速度。

設置指令脈沖形態(tài)： P2-00=2，2為“符號+脈沖列輸入(DIR+PUL信號)”。

設置電子齒輪比： P2-02=25，P2-03=9，電子齒輪比分子為25，分母為9。

設置S-ON信號設置： P5-10=0010，將伺服使能信號設定為始終“有效”。無需外部輸入信號，伺服一直處于通電狀態(tài)。

通過以上參數(shù)設置后，對伺服系統(tǒng)進行初步調試，包括開環(huán)試運行、點動試運行、電流檢測偏移量自動調整等。然后將電機與機械結合調試，最后結合PLC的控制程序進行動作調試。

3 PLC控制軟件設計

PLC控制軟件設計時先進行存儲單元的合理分配，用以保存相關的控制參數(shù)，然后進行人機界面設計和梯形圖設計。

3.1 人機界面設計

采用觸摸屏作為人機界面，操作簡單，方便用戶使用。觸摸屏控制界面包括手動畫面和設置畫面。

手動畫面如圖4所示，由功能按鈕、指示燈、報警及焊接數(shù)量顯示等組成。通過該界面可實現(xiàn)手動操作，完成手動焊接過程。通過“補條1”到“補條4”按鈕可對沒有焊牢的輔助磁極進行補焊。同時設置焊接指示燈、報警指示燈、焊接數(shù)量顯示及已焊接數(shù)量顯示等。

圖4 手動畫面

設置畫面主要對加壓時間、抬殼時間、焊接時間、微調角度、輔條數(shù)量、旋轉速度及回原點速度等參數(shù)進行設置。

3.2 梯形圖設計

梯形圖設計采取順序控制設計和經驗設計相結合的方法。梯形圖設計主要采用流程控制，不僅可以較好地實現(xiàn)順序控制，同時可以解決PLC同一脈沖輸出端口不能用多條脈沖輸出指令的問題。PLC控制程序的流程圖如圖5所示。流程主要包括回原點流程S0、手動流程S1、補條流程S2、自動流程S3、正反轉流程S4和微調角度流程S5。

圖5 控制程序的流程圖

開機上電時，首先進行初始化，接著執(zhí)行回原點流程S0，控制伺服電機自動回原點，然后觸摸屏顯示“手動畫面”。當按下右下角的“下一頁”按鈕，進入“設置畫面”，可對加壓時間、抬殼時間、焊接時間、微調角度、輔條數(shù)量、旋轉速度及回原點速度等參數(shù)進行設置。在“手動畫面”直接按下“起動”按鈕時，進入自動流程S3，即自動完成4根輔條的焊接。當“手動畫面”中有手動按鈕按下時，進入手動流程S1，按“送機殼→送輔條→加壓→焊接→抬殼→旋轉”順序手動完成輔條的焊接。如需補焊輔助磁極時，可按下“補條1”至“補條4”按鈕，進入補條流程S2。同時在運行過程中設置了故障自動報警，如回原點故障、送殼故障、送輔條故障等。

4 實 驗

研制的輔助磁極自動焊接設備經過反復測試和調試后，焊接輔條后的定子實物如圖6所示。經過檢測，第1條輔條的位置、輔條間的分度尺寸及輔條的垂直度等完全符合實際生產要求，同時焊接強度好，可靠性高。

圖6 焊接輔條的定子

輔助磁極原點和分度數(shù)據如表1所示。隨機抽取5個焊接好的定子，利用七海Eagle-MD 3020半自動影像測量儀進行測量。

表1 輔條原點和分度測量數(shù)據 單位：(°)

從表1中可知，原點位置角度偏大，可利用“設置畫面”中的“微調角度”進一步調整。輔助磁極的分度數(shù)在±0.5°以內，能達到實際生產要求。由于定子外殼的缺口和輔助磁極都是沖壓而成的，沖壓過程使得外殼缺口處圓弧和輔助磁極邊緣變形，從而造成測量時的誤差，同時七海Eagle-MD 3020半自動影像測量儀需要手工參與，也會造成人為因素引起的一些誤差。

5 結 語

研制的永磁起動機輔助磁極自動焊接設備實現(xiàn)了自動回原點、自動焊接、手動焊接、補條及故障自動報警的功能。經過實際使用，該設備運行穩(wěn)定可靠。

采用觸摸屏控制界面，具有良好的人機交互；采用中頻焊接電源，提高焊接質量；采用伺服系統(tǒng)，分度準確，從而提高產品的質量和生產效率。但輔條的上料目前采用手動方式，可進一步實現(xiàn)振動式的自動上料。