一種微型步進(jìn)電機(jī)摩擦齒輪組彈圈自動(dòng)壓入設(shè)備設(shè)計(jì)

凌 斌，王永亮，廖新明

（日本電產(chǎn)三協(xié)電子（東莞）有限公司，廣東東莞 523325）

0 引言

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，企業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力成本的增加，國(guó)內(nèi)各工業(yè)企業(yè)爭(zhēng)相開展設(shè)備革新，各行各業(yè)秉持機(jī)械換人[1]，從而降低企業(yè)成本，其中微型電機(jī)[2]摩擦齒輪組彈圈壓入工序，傳統(tǒng)工藝方式一般采用人工手動(dòng)壓入或采用粗糙的簡(jiǎn)單機(jī)械治具實(shí)行半自動(dòng)生產(chǎn)，原人工手動(dòng)壓入生產(chǎn)時(shí)，產(chǎn)生的齒輪內(nèi)壁傷多，彈圈易脫落，摩擦轉(zhuǎn)矩不在規(guī)格范圍內(nèi)多發(fā)，手動(dòng)機(jī)臺(tái)模具不能通用，換模及調(diào)試頻繁，影響稼動(dòng)率。簡(jiǎn)單機(jī)械治具半自動(dòng)生產(chǎn)時(shí)，往往存在沖壓精度不足，齒輪內(nèi)壁刮傷或彈圈易變形，針對(duì)上述兩種工藝生產(chǎn)弊端，微型電機(jī)摩擦齒輪組彈圈壓入工序急需改進(jìn)轉(zhuǎn)化。本文從減少企業(yè)人力成本、提升企業(yè)自動(dòng)化程度的方向出發(fā)，針對(duì)彈圈產(chǎn)生時(shí)齒輪內(nèi)壁傷多、彈圈易脫落、摩擦轉(zhuǎn)矩超規(guī)格等問(wèn)題，設(shè)計(jì)研發(fā)摩擦齒輪組彈圈壓入自動(dòng)化設(shè)備[3]。設(shè)備主要運(yùn)用現(xiàn)階段工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，采用氣動(dòng)沖壓方式作為主作業(yè)工藝方法，自動(dòng)沖壓氣缸結(jié)合獨(dú)特的彈圈柔性壓入治具，有效實(shí)現(xiàn)齒輪組彈圈的無(wú)傷壓入，提升了本工序摩擦齒輪組彈圈壓入的生產(chǎn)效率以及良品率，同時(shí)采用震動(dòng)盤結(jié)合自主設(shè)計(jì)的專用導(dǎo)料軌，作為彈圈零部件的自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，為逐步實(shí)現(xiàn)智能制造[4]打下基礎(chǔ)。

1 摩擦齒輪組彈圈的自動(dòng)壓入方案

摩擦齒輪組彈圈自動(dòng)壓入始終以提升產(chǎn)品品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率和減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度為目標(biāo)，采用震動(dòng)盤自動(dòng)化供料和精密氣缸精準(zhǔn)送料為基本思路，分別設(shè)計(jì)摩擦齒輪[5]自動(dòng)供料機(jī)構(gòu)和彈圈自動(dòng)供料機(jī)構(gòu)，同時(shí)針對(duì)彈圈產(chǎn)生時(shí)齒輪內(nèi)壁傷多、彈圈易脫落、摩擦轉(zhuǎn)矩超規(guī)格等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了柔性沖壓機(jī)構(gòu)，再通過(guò)工業(yè)編程控制系統(tǒng)[6]將三大機(jī)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，同時(shí)考慮設(shè)備故障時(shí)怎么能快速維修調(diào)整為中心，最終在優(yōu)化設(shè)計(jì)、通力協(xié)作、有序運(yùn)行前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備每天高效率生產(chǎn)，減少公司運(yùn)營(yíng)成本。

微型步進(jìn)電機(jī)摩擦齒輪組完整部組件由3 個(gè)部件構(gòu)成：小齒輪、大齒輪、彈圈依次按順序組裝，大、小齒輪組裝完畢成摩擦齒輪（已在前工序完成），彈圈自動(dòng)壓入機(jī)將彈圈壓入摩擦齒輪中心的小齒輪內(nèi)壁凹槽里，使小齒輪擴(kuò)張卡緊在大齒輪內(nèi)壁。組裝工藝流程如圖1所示。

圖1 摩擦齒輪組組裝工藝流程

1.1 設(shè)備整體

摩擦齒輪組彈圈自動(dòng)壓入機(jī)主要由柔性沖壓機(jī)構(gòu)[7]、齒輪組送料震動(dòng)盤、彈圈供料震動(dòng)盤、操控系統(tǒng)（觸摸屏、PLC、電磁閥）、機(jī)加工零件、光感元件、市購(gòu)品標(biāo)準(zhǔn)件、氣動(dòng)元件等部分組成。如圖2所示。

圖2 彈窗自動(dòng)壓入機(jī)

1.2 彈圈自動(dòng)壓入工藝?yán)щy點(diǎn)

（1）移送精度不足時(shí)，彈圈自動(dòng)壓入就無(wú)法進(jìn)行，所以設(shè)備移送精度為首要考慮要素。

（2）齒輪定位治具通孔及下沖壓治具的設(shè)計(jì)不到位，會(huì)造成齒輪壓傷、彈圈偏位、彈圈漏裝、摩擦轉(zhuǎn)矩不在規(guī)格范圍內(nèi)等眾多問(wèn)題。如圖3所示。

圖3 彈圈壓入不良類型

（3）上沖壓治具（沖壓頭）、齒輪定位治具以及下沖壓治具必須保持高精度的同心度，否則會(huì)齒輪壓傷、彈圈偏位、漏圈等問(wèn)題。

（4）部件彈圈加工精度差異，容易造成摩擦齒輪組的摩擦轉(zhuǎn)矩[8]不在規(guī)格范圍內(nèi)特性差異問(wèn)題發(fā)生。

2 彈圈自動(dòng)壓入機(jī)重要機(jī)構(gòu)說(shuō)明

2.1 柔性沖壓機(jī)構(gòu)

柔性沖壓機(jī)構(gòu)由沖壓動(dòng)力氣缸、上沖壓治具、齒輪組及彈圈定位治具、下沖壓治具及落料機(jī)構(gòu)組成。如圖4所示。

圖4 柔性沖壓機(jī)構(gòu)

2.1.1 齒輪組及彈圈定位治具與下沖壓治具

彈圈自動(dòng)壓入設(shè)備經(jīng)過(guò)初期試做運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)齒輪定位治具的通孔外形及下沖壓治具的軸芯外型對(duì)彈圈壓入的品質(zhì)有重要影響，會(huì)造成齒輪壓傷、彈圈偏位、彈圈漏裝、摩擦轉(zhuǎn)矩不在規(guī)格范圍內(nèi)等問(wèn)題，所以齒輪定位[9]治具的通孔外形及下沖壓治具的軸芯外形的相關(guān)寸法經(jīng)過(guò)多次檢討及研究重新設(shè)計(jì)，最終滿足彈圈自動(dòng)壓入設(shè)備使用，達(dá)到高品質(zhì)、高產(chǎn)能需求。如圖5 所示。

圖5 彈圈定位治具與下沖壓治具

因摩擦齒輪的摩擦轉(zhuǎn)矩要求高，共有40 多個(gè)機(jī)種9種不同摩擦轉(zhuǎn)矩要求，摩擦轉(zhuǎn)矩在5.8～22 mN · m 間，摩擦轉(zhuǎn)矩的允許變化范圍是2.4～7.9 mN · m。如其中一機(jī)種要求齒輪摩擦轉(zhuǎn)矩在12.8 mN · m～16.2 mN · m 之間，摩擦轉(zhuǎn)矩的允許變化范圍是3.4 mN · m。治具的共通性或模具快速調(diào)整性就是設(shè)計(jì)的重中之重，在為了確保摩擦齒輪壓入彈圈的品質(zhì)，減少不良品產(chǎn)出，同時(shí)延長(zhǎng)沖壓治具的使用壽命，使用同設(shè)備相同沖壓力度以及相同材質(zhì)的治具，通過(guò)圖6 中①②③種治具配套方案實(shí)驗(yàn)研究后，第①種治具配套方案在沖壓過(guò)程中出現(xiàn)彈圈偏位較多，小齒輪也容易被壓傷；第②種治具配套方案在沖壓過(guò)程中，彈圈容易脫落，摩擦轉(zhuǎn)矩不在規(guī)格范圍內(nèi)多發(fā)，第③種治具配套方案適合，彈圈壓入定位良好，摩擦轉(zhuǎn)矩適中，滿足微型步進(jìn)電機(jī)需求。如圖6所示。

圖6 治具配套方案

2.1.2 齒輪組落料機(jī)構(gòu)

摩擦齒輪組在彈圈自動(dòng)壓入后會(huì)因彈圈嵌入使摩擦齒輪組中心孔收緊，從而緊配到?jīng)_壓頭的軸心上，當(dāng)沖壓完成，摩擦齒輪組便與沖壓頭一并提起復(fù)位，再由落料機(jī)構(gòu)將摩擦齒輪組從沖壓頭上撥下收集。

2.2 彈圈寸法對(duì)摩擦齒輪組的影響分析

微型步進(jìn)電機(jī)對(duì)摩擦齒輪組的摩擦扭力大小是有要求的，摩擦扭力太小，則會(huì)影響步進(jìn)電機(jī)正常扭力輸出[10]，摩擦扭力太大，則會(huì)增加步進(jìn)電機(jī)的斷齒風(fēng)險(xiǎn)，而摩擦齒輪的摩擦扭力主要取決于彈圈的擴(kuò)張力，故而彈圈寸法對(duì)于摩擦齒輪組十分重要，必須嚴(yán)格管控，因此彈圈的自動(dòng)供料機(jī)構(gòu)應(yīng)該具有彈圈寸法防呆功能，以保障彈圈壓入后，摩擦扭力的正常。

2.3 齒輪組自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)

齒輪組自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)由震動(dòng)盤、直震器及齒輪吸抓組成。齒輪組經(jīng)震動(dòng)盤和直震器自動(dòng)送料到上料預(yù)備位置，再由齒輪吸抓吸取送上齒輪組固定治具上進(jìn)行彈圈壓入，因齒輪組彈圈壓入后對(duì)彈圈缺口有位置要求，特根據(jù)齒輪組外形特征對(duì)齒輪吸抓進(jìn)行設(shè)計(jì)，再配合齒輪吹氣調(diào)整使其達(dá)到正確吸取齒輪要求。可以避免因齒輪吸取不良而導(dǎo)致彈圈壓偏的現(xiàn)象產(chǎn)生，提升設(shè)備效率。吸抓外形如圖7所示。

圖7 齒輪吸抓

2.4 彈圈自動(dòng)供料機(jī)構(gòu)

彈圈自動(dòng)供料機(jī)構(gòu)由震動(dòng)盤、彈圈推料氣缸及相關(guān)治具部件組成。彈圈經(jīng)震動(dòng)盤送料到供料治具凹槽上，由推料氣缸推到吸抓吸取位，再經(jīng)吸抓送上沖壓治具軸芯處進(jìn)行壓入。如圖8所示。

圖8 彈圈自動(dòng)供料機(jī)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由三菱PLC FX3G[11]和威綸觸摸屏[12]組成。設(shè)備操作分手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，在手動(dòng)模式下運(yùn)用威綸觸摸屏對(duì)設(shè)備各氣動(dòng)執(zhí)行元件進(jìn)行單動(dòng)的獨(dú)立控制，根據(jù)實(shí)際單動(dòng)位移進(jìn)行執(zhí)行元器件的位置補(bǔ)正，以達(dá)到設(shè)備生產(chǎn)時(shí)的精度要求。執(zhí)行元器件的位置補(bǔ)正調(diào)整OK鎖固后便可生產(chǎn)，后續(xù)不需要再作調(diào)整。手動(dòng)模式是為治具更換或設(shè)備故障調(diào)機(jī)及設(shè)備初始調(diào)整使用。自動(dòng)模式為設(shè)備的自動(dòng)生產(chǎn)時(shí)所處的狀態(tài)。為了確保生產(chǎn)運(yùn)行安全，設(shè)備的執(zhí)行元器件單動(dòng)功能在自動(dòng)模式下不可操作。

4 設(shè)備測(cè)試及解決的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 設(shè)備運(yùn)行測(cè)試

彈圈自動(dòng)壓入機(jī)的實(shí)際測(cè)試步驟：

（1）接通機(jī)器的氣電，并檢測(cè)震動(dòng)盤系統(tǒng)；

（2）通過(guò)觸摸面板系統(tǒng)設(shè)置確認(rèn)各氣動(dòng)執(zhí)行件狀態(tài)；

（3）通過(guò)觸摸面板將設(shè)備調(diào)到自動(dòng)模式，啟動(dòng)開始，各氣動(dòng)執(zhí)行件依程序運(yùn)作；

（4）摩擦齒輪彈圈壓入完成，自動(dòng)排出到成品盒里；

（5）壓入一定數(shù)量完成，關(guān)閉設(shè)備，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

表1 摩擦齒輪組彈圈自動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果

4.2 解決的關(guān)鍵技術(shù)

本項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中主要解決了以下關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）精密氣缸的運(yùn)用使精確性得到保障，通過(guò)精密氣缸及控制系統(tǒng)的結(jié)合，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，不但可以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，而且可以高效、準(zhǔn)確、便捷地完成整個(gè)自動(dòng)壓入工作。

（2）圖6 的第③種治具配套方案，使得彈圈在沖壓時(shí)得以平穩(wěn)地收縮，同時(shí)下沖壓治具的錐形軸芯能更好地把彈圈推至小齒輪的內(nèi)部卡位處，使得摩擦齒輪組的摩擦扭力得以確保，此項(xiàng)設(shè)計(jì)提升了彈圈自動(dòng)壓入時(shí)的良品率，為相類似的沖壓案例提供了參考。

（3）針對(duì)性的精細(xì)齒輪吸抓外形設(shè)計(jì)更好地適合本案齒輪組的吸取，為正確的齒輪組供給提供了有力的保障，可以精確移送齒輪組到達(dá)指定位置，提高了作業(yè)銜接性和工作效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)微型步進(jìn)電機(jī)摩擦齒輪組彈圈壓入工程研究分析，發(fā)現(xiàn)彈圈壓入好與壞直接影響到摩擦齒輪組的摩擦扭力大小，本文主要針對(duì)彈圈的沖壓治具進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了微型步進(jìn)電機(jī)摩擦齒輪組中彈圈壓入生產(chǎn)效率瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了微型步進(jìn)電機(jī)摩擦齒輪組彈圈壓入的自動(dòng)化，為目前市場(chǎng)上眾多的沖壓工藝設(shè)備提供一創(chuàng)新參考，同時(shí)也為以后更專業(yè)的相關(guān)設(shè)備研究開發(fā)作出鋪墊。