蒙套自動清潔機構的分析與設計

唐 亮

（廣東省機械研究所有限公司，廣州 510705）

在轉(zhuǎn)子自動涂敷領域，蒙套主要用于保護轉(zhuǎn)子未涂敷區(qū)域，避免涂敷粉末的存在而造成轉(zhuǎn)子報廢，因此蒙套貫穿整個涂敷工藝過程[1-2]。涂敷過程中粉末會落到蒙套表面，經(jīng)過涂敷高溫固化工藝，粉末會在表面固化結(jié)塊。連續(xù)長時間生產(chǎn)時，結(jié)塊會越積越多，最終影響產(chǎn)品的涂敷尺寸和質(zhì)量。

目前，蒙套固化的涂敷粉末通常采用化學藥水長時間浸泡來軟化已結(jié)塊的粉末。高壓水槍噴射清除或采用刀具進行機械清除，整體工作量大。采用化學藥水浸泡的方式，可能會造成環(huán)境污染。蒙套在線自動清潔機構對蒙套結(jié)塊進行在線清潔，同時回收清潔產(chǎn)生的粉塵，確保設備可以長時間連續(xù)運行生產(chǎn)，提升涂敷質(zhì)量的穩(wěn)定性，降低工作強度。

清潔過程中會產(chǎn)生非金屬粉塵。關于粉塵的回收處理和風險預防，很多學者做了深入研究。張本峰結(jié)合粉塵特性發(fā)明了一種粉塵回收裝置，并詳細闡述了其工作原理[3]。楊鋼輝針對工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的粉塵，從粉塵爆炸原理分析入手，論述了粉塵爆炸危險場所的防爆安全措施[4]。孫雅薇利用粉塵最小點火能測試裝置，對非金屬粉的最小點火能進行測定，研究了濃度和環(huán)境濕度對最小點火能的影響，并分析了粉塵的點火機理，為預防非金屬粉塵爆炸提供了重要方法[5]。

1 工藝分析及方案設計

1.1 蒙套清潔要求

分析蒙套在涂敷過程中的工藝及過程，確定蒙套清潔區(qū)域和清潔程度。根據(jù)現(xiàn)有蒙套的結(jié)構特點，確定清潔區(qū)域為蒙套與轉(zhuǎn)子接觸的端面及斜面。結(jié)合轉(zhuǎn)子涂敷厚度0.25 ～0.35 mm 的要求，蒙套端面及斜面的積粉厚度應小于0.10 mm。結(jié)塊的積粉在涂敷過程中不能出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，以免造成轉(zhuǎn)子涂覆不良。清潔節(jié)拍與涂覆設備節(jié)拍匹配，避免蒙套清潔區(qū)域出現(xiàn)蒙套積壓而影響設備的生產(chǎn)效率。蒙套結(jié)構如圖1 所示。

圖1 蒙套結(jié)構

1.2 清潔工藝分析

基于清潔要求，結(jié)合蒙套的結(jié)構特點，分析蒙套的清潔方式和工藝，確保清潔方案滿足設備的使用要求。首先，蒙套結(jié)塊積粉厚度應小于0.1 mm。使用過程中，蒙套每循環(huán)經(jīng)過涂覆區(qū)域一次，就會沾上粉，需要在下一次進入涂覆區(qū)域前進行清潔。因此，將清潔機構設置于拆蒙套機構之后，此時蒙套帶有一定的余溫，新黏結(jié)的涂敷粉容易清除。其次，結(jié)塊的積粉在涂敷過程中不能脫落。蒙套通過電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的仿形刀具對端面及斜面黏結(jié)的粉末進行清潔。為避免出現(xiàn)部分粉末殘留，刀具清潔后由毛刷進行二次清潔。清潔過程連接集塵器，回收清出的粉末顆粒。最后，清潔節(jié)拍與涂覆設備節(jié)拍匹配。分析清潔機構動作流程，評估動作和清潔時間，采用雙工位同時清潔的方式，延長刀具與蒙套的清潔時間，減少蒙套結(jié)塊積粉量，提升設備涂敷穩(wěn)定性。

1.3 清潔機構總體規(guī)劃、設計

根據(jù)蒙套清潔要求和工藝分析，清潔機構設置在拆蒙套機構處，對接拆蒙套機構的蒙套流出點。此處設置了用于蒙套橫移的移栽機械手，在移栽機械手中設置了蒙套限位、定位機構以及清潔回收機構。同時，為了使蒙套可以順利移栽，清潔回收裝置設計成可前后移動，清潔刀具根據(jù)蒙套形狀進行仿形設計，具體如圖2 所示。

圖2 清潔機構總體布局

2 清潔機構動作流程分析設計

根據(jù)前序拆蒙套機構的蒙套出料方式，結(jié)合生產(chǎn)節(jié)拍的要求，對清潔機構動作和流程進行綜合分析、設計。清潔機構采用Y、Z兩軸機械手取料，限位、定位機構對蒙套進行定位，清潔回收機構前移進行蒙套清潔。完成清潔的蒙套由機械手移出清潔機構，流入涂覆設備前端工位進行蒙套循環(huán)使用。

具體清潔機構的動作流程設計：

步驟1，前序拆蒙套機構拆除蒙套與轉(zhuǎn)子，將蒙套移動到清潔機構取料位；

步驟2，移栽機械手下壓，使蒙套進入機械手取料槽；

步驟3，機械手將蒙套移動至清潔工位；

步驟4，限位、定位機構定位蒙套；

步驟5，機械手二次下壓機構下壓，將蒙套完全壓緊；

步驟6，清潔、回收機構前移，蒙套端面及斜面進入清潔回收機構；

步驟7，旋轉(zhuǎn)的仿形刀具壓緊到位；

步驟8，清除蒙套端面及斜面黏結(jié)的粉末，由集塵器回收；

步驟9，刀具清潔完成，清潔回收機構后退；

步驟10，蒙套定位機構壓緊釋放，機械手將蒙套移動到二次清潔位置；

步驟11，清潔回收機構重復步驟4 ～6，對蒙套進行二次清潔；

步驟12，二次清潔完成，清潔回收機構后退；

步驟13，蒙套定位機構壓緊釋放，機械手移動，蒙套流入涂覆設備前端工位循環(huán)使用。

3 關鍵機構設計

依據(jù)蒙套清潔工藝、設備方案及動作流程規(guī)劃，對設備涉及的關鍵機械結(jié)構進行詳細設計，實現(xiàn)蒙套的在線自動清潔。

3.1 移栽機械手

根據(jù)清潔機構動作流程和功能要求，移栽機械手主要包括Y、Z軸氣動機械手、二次壓緊機構和浮動壓頭3 個主要機構，布局如圖3 所示[6]。

圖3 移栽機械手

3.1.1Y、Z軸氣動機械手

根據(jù)設備動作流程，機械手有Y、Z兩軸的動作，都是點對點的位置移動。Y、Z軸分別用氣缸進行驅(qū)動，Y軸移動距離較長，采用HIWIN 直線導軌進行導向，避免Y軸驅(qū)氣缸在垂直方向上受力。Z軸由于安裝空間受限，采用雙導軌氣缸驅(qū)動，同時提供導向和驅(qū)動力功能。Y、Z軸兩側(cè)均配置液壓緩沖器，減少到位時的動作沖擊，提高機構快速移動時的穩(wěn)定性。

滑臺及Z軸上的物料質(zhì)量約為10 kg，滑臺移動速度為300 m·s-1，移動行程為180 mm。結(jié)合安裝位置，Y軸驅(qū)動選用鋼缸徑為18 mm、行程為200 mm 的無桿氣缸。根據(jù)Z軸移動行程，Z軸氣缸同時用于導向。Z軸氣缸選用缸徑為32 mm、行程為50 mm 的氣缸。

3.1.2 二次壓緊機構

在蒙套清潔時，仿形刀具會快速切削黏附在蒙套上的結(jié)塊涂敷粉，產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)力矩。為克服該力矩，防止蒙套在清潔時旋轉(zhuǎn)，移栽機械手的Z軸上設置了二次壓緊機構。當蒙套清潔完成需要移動時，二次壓緊機構伸出，Z軸氣缸下降行程變短，蒙套壓緊解除，使得蒙套可以隨移栽機械手進行移動。

二次壓緊采用氣缸驅(qū)動，缸徑為40 mm，比Z軸氣缸大。當蒙套在移栽過程中無須完全壓緊時，二次壓緊氣缸伸出，Z軸氣缸行程變短，蒙套有一定的間隙。當蒙套在移栽過程中需完全壓緊時，壓緊氣缸收回，Z軸氣缸完全壓緊蒙套，此時進行蒙套清潔，防止蒙套旋轉(zhuǎn)。二次壓緊氣缸裝在Z軸雙導桿氣缸尾部，并在導桿尾部設置安裝支架，具體如圖4 所示。

圖4 二次壓緊機構

3.1.3 浮動壓頭

根據(jù)工藝節(jié)拍分析，蒙套清潔機構采用雙工位的方式進行蒙套清潔。清潔工位分為刀具清潔和毛刷清潔兩種方式，加上蒙套取料工位，移栽機械手上共有3 組6 個浮動壓頭[7]。在壓塊、蒙套等零件加工過程中，零件存在公差。移栽機構設置了浮動壓頭，通過在壓頭內(nèi)部設置彈性結(jié)構，消除因零件加工公差而導致蒙套清潔時無法完全壓緊等現(xiàn)象，確保清潔刀具與蒙套有效接觸，保持清潔效果穩(wěn)定。彈性結(jié)構內(nèi)置導向柱和蝶形彈簧，彈性行程為1 mm，用于消除加工公差，具體如圖5 所示。

圖5 浮動壓頭

3.2 定位、限位機構

蒙套的清潔過程采用全自動運行方式，因此在蒙套移動和清潔過程中，蒙套需要始終處于定位、限位狀態(tài)，以免蒙套脫離特定位置，造成機構卡機，進而影響設備運行。根據(jù)動作要求，設置了導向板和彈性定位組件，具體如圖6 所示。

圖6 定位、限位機構

3.2.1 導向板

在蒙套移動過程中設置了導向板，使蒙套在導向板上移動。在清潔工位處，每個蒙套停留位設置限位槽，確保蒙套位置可控。導向板表面采用了拋光工藝，可減少蒙套移動過程中的磨損。

3.2.2 彈性定位組件

在蒙套清潔過程中，仿形刀具與蒙套端面、斜面均為剛性接觸，在壓緊前依靠導向板一側(cè)進行定位，確保被定位的蒙套端面、斜面位置相對一致。在蒙套等零件加工過程中，零件存在公差范圍。因此，定位組件上要設置彈性撥片，消除因零件加工公差而導致的蒙套定位偏差等現(xiàn)象，確保清潔效果穩(wěn)定。

彈性定位組件由撥片、扭簧、旋轉(zhuǎn)軸以及驅(qū)動氣缸等構成。根據(jù)蒙套的重量調(diào)整行程量，選擇扭簧的直徑和旋轉(zhuǎn)角度。用扭簧壓緊撥片，使撥片在定位蒙套時依靠扭簧的彈性消除蒙套的公差范圍。蒙套與導向板靠邊貼緊，不應存在虛位。

3.3 清潔、回收機構

3.3.1 清潔機構

根據(jù)工藝及節(jié)拍要求，蒙套清潔機構采用雙工位結(jié)構，即每次同時清潔2 個蒙套。清潔機構分為刀具清潔區(qū)和毛刷清潔區(qū)，具體如圖7 所示。

圖7 清潔機構

清潔機構通過氣缸驅(qū)動完成前進、后退動作。當移栽機構將蒙套輸送至清潔區(qū)時，氣缸前移執(zhí)行蒙套清潔動作。清潔完成后清潔機構后退，移栽機械手將蒙套輸送至后序工位。清潔機構刀具和毛刷采用電機驅(qū)動，通過同步帶、同步輪將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)移到刀具、毛刷的安裝軸上，實現(xiàn)三者同步旋轉(zhuǎn)，為刀具、毛刷提供蒙套清潔旋轉(zhuǎn)動力[8]。

清潔機構分為刀具清潔區(qū)和毛刷清潔區(qū)。刀具清潔區(qū)主要通過仿形刀具與蒙套的接觸，快速清除蒙套上的粉末，完成約95%的清潔工作。毛刷清潔區(qū)主要通過非金屬毛刷與蒙套的接觸，對蒙套上經(jīng)刀具清潔后部分已經(jīng)松動的殘留粉末進行二次清潔。

3.3.2 粉塵回收機構

粉塵是蒙套清潔過程中產(chǎn)生的物質(zhì)。蒙套進入清潔區(qū)時，涂敷粉末大部分已經(jīng)結(jié)塊，清潔時會產(chǎn)生塊狀粉塵和顆粒粉塵。當粉塵濃度達到一定程度時，會產(chǎn)生爆炸風險。同時，塊狀粉塵長時間累積會影響刀具和毛刷旋轉(zhuǎn)軸的運動，因此清潔機構的安全性和粉塵回收設計是重中之重。

清潔機構中，刀具清潔區(qū)和毛刷清潔區(qū)采用相對封閉的設計方式。前端僅留蒙套端面及斜面的進出孔，尺寸比蒙套頭部尺寸每邊大2 mm。蒙套進入清潔區(qū)后，會形成一個2 mm 的空隙透氣環(huán)。刀具、毛刷清潔區(qū)底部設置了斜面和用于駁接回收管道的孔。清除的粉末通過斜面進入回收孔。

粉塵回收機構配置了防爆型工業(yè)吸塵器，并將吸塵器的吸風口與清潔區(qū)回收管道口連接如圖8 所示。吸塵器工作時，刀具清潔區(qū)和毛刷清潔區(qū)內(nèi)腔形成負壓，外部空氣通過透氣環(huán)進入內(nèi)腔，將清潔過程產(chǎn)生的粉塵快速回收至吸塵器，以解決工作區(qū)域的粉塵濃度、粉塵累積問題。粉塵經(jīng)吸塵器過濾達到排放標準后，可直接排放到空氣中。

圖8 粉塵回收機構

3.4 仿形刀具

刀具的設計直接影響清潔效果。刀刃與蒙套貼合越好，清潔效果越明顯。根據(jù)蒙套端面、斜面的形狀和尺寸，刀具采用仿形設計，端面、斜面采用分體式刀刃設計。為消除蒙套加工公差，刀頭采用浮動設計。在仿形刀具的尾部設置彈簧，并預留一定的浮動行程。刀具采用65Mn 材料，并進行熱處理使其洛氏硬度保持在50 ～55，同時保持刃口鋒利，具體結(jié)構如圖9所示。

圖9 仿形刀具

4 結(jié)語

蒙套自動清潔機構可實現(xiàn)蒙套的在線自動清潔，自動化程度高，清潔效果良好。該機構目前已經(jīng)研發(fā)成功并集成在全自動涂覆產(chǎn)線上，在終端用戶工廠投入實際生產(chǎn)，效果顯著。蒙套離線清潔由原先的每半個月清潔一次延長為每4 ～5 個月清潔一次。清潔機構的投入使用，極大地減少了蒙套粉塵黏結(jié)，降低了設備維保工作強度，對提高設備的利用率和涂覆質(zhì)量的穩(wěn)定性有積極作用。