一種電機(jī)軸伸套膜機(jī)的研究和設(shè)計(jì)

高章育， 房海英

（無錫信捷電氣股份有限公司， 江蘇 無錫 214000）

0 引言

電機(jī)軸伸是電機(jī)軸暴露在整機(jī)一端部分， 也是電機(jī)的重要外連接部位之一。 材質(zhì)常為調(diào)質(zhì)45#、40Cr 等，此位置尺寸精度與表面光潔度要求都很高， 一般很少化學(xué)類防銹工藝處理，成本較高，容易改變軸伸尺寸公差，因此常采用物料處理方式，例如：浸油、涂覆機(jī)油、凡士林。 為了保證電機(jī)在庫存到使用期間，軸伸不銹蝕，采用了防銹措施。 一般采用涂抹潤滑脂，使得表面與腐蝕介質(zhì)不接觸，從而實(shí)現(xiàn)防腐，但是在后續(xù)包裝運(yùn)輸過程中容易刮蹭掉，所以會(huì)在軸伸位置套上塑封膜。目前為手工套膜，再用橡皮筋捆扎，來避免刮蹭掉潤滑脂。 由于在市場化的今天，電機(jī)需求量大，因此占用了太多人工，容易使勞動(dòng)者的疲勞。 因此急需一種自動(dòng)化設(shè)備代替人工完成此工作[1]。

通過研究包裝機(jī)械設(shè)備， 借鑒飲料標(biāo)簽套標(biāo)機(jī)的工作原理，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一款全自動(dòng)電機(jī)軸伸套膜機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化切膜，套膜，并通過熱收縮的方式，使膜包裹在軸伸位置，代替人工勞作。

1 研究對象、功能與要求

本次以本公司生產(chǎn)的伺服電機(jī)為研究對象。 為了便于研究， 選取80 伺服電機(jī)型號， 軸伸套膜， 軸外徑Φ19mm，標(biāo)準(zhǔn)款軸伸長度30mm，材質(zhì)為40Cr。 電機(jī)軸伸自動(dòng)套膜機(jī)裝置，以自動(dòng)送膜，自動(dòng)定長度，自動(dòng)切膜，自動(dòng)輸送電機(jī)，自動(dòng)調(diào)節(jié)高度等五項(xiàng)主要功能。 電機(jī)軸伸自動(dòng)套膜機(jī)設(shè)計(jì)的要求需滿足： ①確保與現(xiàn)存包裝設(shè)備銜接流暢；②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠穩(wěn)定，套膜效果滿足生產(chǎn)工藝指標(biāo)；③實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，生產(chǎn)效率滿足本公司要求；④結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理緊湊，造型美觀，占地面積小[2]。

2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 工藝分析[3]

經(jīng)過研究分析，為提高來料儲(chǔ)存量以及使用效率，采用對折卷料， 外徑可達(dá)350～400mm， 長度可達(dá)500～600m，可套12000～15000 個(gè)電機(jī)軸。以目前單條線的生產(chǎn)效率每班500 臺(tái)，每日兩班，可實(shí)現(xiàn)將近兩周膜使用量，極大提高了效率。

套膜機(jī)基本功能：①自動(dòng)送膜；②自動(dòng)膜撐圓；③自動(dòng)定長度；④自動(dòng)切膜；⑤自動(dòng)輸送電機(jī)至套膜位置；⑥套膜機(jī)自動(dòng)升降，可實(shí)現(xiàn)適用不同長度規(guī)格電機(jī)。

套膜機(jī)的有多種方式可以實(shí)現(xiàn)， 根據(jù)膜的輸送方向可分為立式和臥式；根據(jù)輸送膜的運(yùn)動(dòng)方式，可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式； 按套膜方法可分為直接套膜法和間接套膜法（引用法）。 但全部包括膜供應(yīng)、膜輸送（包括標(biāo)準(zhǔn)膜的自動(dòng)撐開）、膜切割和套膜蓋工作；確保膜順利準(zhǔn)確插入電機(jī)軸伸出位置的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2 總體工作原理[4]

總體工作原理，見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)原理簡圖

（1）卷膜機(jī)構(gòu)：由PLC 控制變頻器帶動(dòng)供料電機(jī)旋轉(zhuǎn)，用以傳送電機(jī)軸膜料。

（2）膜漲緊機(jī)構(gòu)：膜料卷送膜至膜漲緊機(jī)構(gòu)，使膜暫存，等待下膜機(jī)構(gòu)送走。

截至2017年底，在電力、石油、天然氣、民航、電信、軍工等重點(diǎn)領(lǐng)域，已有3批50家國有企業(yè)成為國家混合所有制改革試點(diǎn)單位，超過2/3央企的各級企業(yè)實(shí)現(xiàn)國有資本和社會(huì)資本在產(chǎn)權(quán)層面的混合，開展了混合所有制改革。其中，2017年中央企業(yè)新增混合所有制企業(yè)戶數(shù)超過700戶，通過資本市場引入社會(huì)資本超過3386億元。數(shù)據(jù)還顯示，目前實(shí)施混合所有制改革的央企和國有企業(yè)中，子公司的層級越低，混合程度越高。

（3）電眼支架機(jī)構(gòu)：使用光纖電眼傳送信號，提供給下膜機(jī)構(gòu)做定尺寸輸送，電眼位置可調(diào)整。

（4）下膜機(jī)構(gòu)：采用單驅(qū)送料機(jī)構(gòu)，由下膜伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 用于固定中心柱和下膜動(dòng)力傳動(dòng)。

（5）切膜刀盤機(jī)構(gòu)：采用同步帶輪機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)進(jìn)電機(jī)檢測位置光電給出信號時(shí)，切膜電機(jī)帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)一周將膜切斷。

（6）套膜機(jī)構(gòu)：采用同步夾緊裝置及上下升降調(diào)整機(jī)構(gòu)，將套膜傳送輪調(diào)整至中心柱下方與滾輪輕微接觸，待標(biāo)簽通過時(shí)以較高轉(zhuǎn)速將膜套入電機(jī)軸伸處。

（7）檢測電機(jī)電眼：檢測是否有電機(jī)在套膜位置，當(dāng)有電機(jī)時(shí)輸出信號使切刀開始旋轉(zhuǎn)。

（8）倍速鏈輸送：使用變頻器調(diào)倍速鏈速度，以適用于各產(chǎn)能的速度匹配。

2.3 工作流程[5]

當(dāng)倍速鏈載具上有電機(jī)輸送至套膜位置時(shí)， 經(jīng)過檢測電機(jī)電眼時(shí)，下膜伺服電機(jī)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)送膜，等定長光纖電眼傳送信號，下膜伺服電機(jī)停止送膜，由伺服控制的切膜電機(jī)會(huì)將膜切斷， 切膜完成后套膜伺服電機(jī)開始動(dòng)作，同時(shí)套膜輪會(huì)將已經(jīng)切斷的膜刷下套入電機(jī)軸伸上，完成一次動(dòng)作。 具體工藝流程如圖2 所示。

圖2 工藝流程圖

3 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

整機(jī)設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 主機(jī)結(jié)構(gòu)

3.2 刀盤組

刀盤組見圖4。套膜機(jī)刀盤組， 包括底座、 皮帶組、 多個(gè)刀片單元和多個(gè)傳動(dòng)單元，內(nèi)置刀片，以皮帶串聯(lián)方式及電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，對收縮膜做裁切動(dòng)作。

圖4 刀盤組

3.3 升降組件

升降組件見圖5。全機(jī)采用鋁合金及304 不銹鋼材質(zhì)， 用于支撐主機(jī)。包括手柄、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滑動(dòng)導(dǎo)軌、螺桿、主機(jī)本體等。

圖5 升降組件

3.4 驅(qū)動(dòng)組

驅(qū)動(dòng)組見圖6。采用單組或雙組機(jī)構(gòu)式同步伺服馬達(dá)控制，使收縮膜能固定尺寸輸送。 包含驅(qū)動(dòng)私服電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件，左、右送標(biāo)輪組，反旋向的螺旋齒輪組件等。

圖6 驅(qū)動(dòng)組

3.5 中心柱[6]

中心柱見圖7。將軸伸膜料套入撐開，使膜料得以傳送與裁切。包含導(dǎo)向板，中間導(dǎo)柱組件，下尾導(dǎo)柱組件。

圖7 中心柱

3.6 電眼架組

電眼架組見圖8。 使用光纖電眼傳送信號，提供控制系統(tǒng)做定尺寸輸送，電眼位置高低調(diào)整，確定刀盤內(nèi)的刀片裁切位置。 包含檢測光電， 導(dǎo)向滾輪，調(diào)節(jié)升級桿組件，以及固定支架。

圖8 電眼架組

3.7 套膜組

套膜組見圖9。 采用同步調(diào)整機(jī)構(gòu)， 將刷下兩組傳送輪調(diào)整至中心柱下方滾輪輕微接觸， 待標(biāo)簽通過時(shí)以較高轉(zhuǎn)速將標(biāo)簽套入瓶子。 包含驅(qū)動(dòng)私服電機(jī)，夾緊套膜輪，升降調(diào)節(jié)，皮帶輪組件，固定支架等。

圖9 套膜組

3.8 卷膜組件

卷膜組件見圖10。 膜卷組件是用于套膜機(jī)的膜料架機(jī)構(gòu)， 設(shè)置于升降組件上，包括轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)軸，支架，電機(jī)等。 兩片轉(zhuǎn)盤夾著膜卷，套在軸上，通過兩個(gè)錐形套夾緊轉(zhuǎn)盤膜卷， 錐套上固定緊定螺釘，可用于調(diào)節(jié)膜卷。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到時(shí)，帶動(dòng)膜卷釋放膜，膜張緊裝置收納釋放出來的膜， 保持膜的整齊。

圖10 卷膜組件

3.9 倍速鏈輸送

倍速鏈系統(tǒng)見圖11。 倍速鏈?zhǔn)褂米冾l器調(diào)整輸送帶速度，以適用于產(chǎn)能的速度相匹配。

圖11 倍速鏈系統(tǒng)

3.10 張緊組件

張緊組件見圖12。 由控制膜送料張力的拉近裝置與膜轉(zhuǎn)向定位的電眼架組上方的料架組所組成，用以傳送膜料。 過調(diào)節(jié)彈簧行程和改變摩擦力，控制轉(zhuǎn)盤部件的自由旋轉(zhuǎn)阻力，使標(biāo)簽在拉動(dòng)時(shí)不會(huì)堆疊， 標(biāo)簽也不會(huì)受到過大的張力，從而導(dǎo)致拉伸變形等問題[7]。

圖12 漲緊組件

4 控制電路的設(shè)計(jì)[8-9]

4.1 主控方案分析

經(jīng)過分析本系統(tǒng)需要四路高速脈沖輸出，分別控制切膜電機(jī)和下膜伺服電機(jī)， 套膜伺服電機(jī)，升降伺服電機(jī)： 其中一路高速脈沖，用于控制切刀停止的位置，確保切刀停止位置準(zhǔn)確， 應(yīng)不影響下標(biāo)的動(dòng)作，否則會(huì)造成堵標(biāo)；其中一路高速脈沖，用于下膜伺服點(diǎn)控制，確保下膜尺寸精準(zhǔn)；其中一路高速脈沖，用于升降電機(jī)，確保升降位置精確調(diào)整；其中一路高速脈沖， 用于控制套膜電機(jī)，套膜精度高。

本項(xiàng)目中設(shè)備的I/O 清單如表1 所示。

表1 設(shè)備I/O 清單

4.2 控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

HMI 通 過RS－232 接口連接到PLC，4GBOX 通信 模塊 通 過RS－485 接口與PLC 連接；PLC 本體和測量擴(kuò)展模塊都采用AC220V 供電，HMI 和4GBOX 采用DC24V供電。 見圖13。

圖13 控制系統(tǒng)原理

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[9-10]

5.1 運(yùn)動(dòng)控制配置

本次采用本公司生產(chǎn)XD5-24T4-C，集成4路100kHz 高速脈沖輸出， 可以直接控制伺服驅(qū)動(dòng)器。 在本系統(tǒng)中切刀伺服占用Q0.0， 下膜伺服占用Q0.1， 套膜伺服占用Q0.2， 升降伺服占用Q0.3。 打開XDPPro V3.7.16a 集成的運(yùn)動(dòng)控制，PLSR指令集多種脈沖輸出模式，配置軸1，軸2，軸3，軸4，選擇相對脈沖，配置相應(yīng)的脈沖頻率/速度，脈沖個(gè)數(shù)/當(dāng)量，最大速度80kHz， 最小速度10KHz，加減速時(shí)間30ms，然后生成子程序。

5.2 高速計(jì)數(shù)配置

XD5-24T4-C 集成了4 路高速計(jì)數(shù)器， 在此次系統(tǒng)中使用了高速計(jì)數(shù)器HSC0 和HSC2 輸入模式， 用于接收下膜和切刀的脈沖輸出， 占用輸入點(diǎn)I0.0 和I0.3，I0.6，I0.11。打開XDPPro V3.7.16a 集成的HSC 向?qū)?，選擇單項(xiàng)100 段高速計(jì)數(shù)，配置HSC0，比較值D10，選擇寄存地址HD0，配置設(shè)定值為10000，當(dāng)前值為0，勾選相對，段數(shù)1，然后確定。 當(dāng)光電檢測到電機(jī)到位，下膜伺服啟動(dòng)后，光纖反饋預(yù)定值， 利用光纖反饋中斷高速計(jì)數(shù)器HSC0 的當(dāng)前值和設(shè)定值，同時(shí)啟動(dòng)切刀伺服。當(dāng)切刀伺服啟動(dòng)后檢測到刀盤原點(diǎn)光電時(shí)， 利用外部中斷快速更新高速計(jì)數(shù)器HSC2 的當(dāng)前值和目標(biāo)值， 目標(biāo)值等于當(dāng)前值加上偏置值。 中斷時(shí)停止脈沖輸出。

5.3 MODBUS-RTU 通信

XD5-24T4-C 自帶MODBUS-RTU 通信協(xié)議，作為工業(yè)通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，現(xiàn)場使用非常廣泛，以太網(wǎng)機(jī)型集成了MODBUS-RTU 協(xié)議， 包括服務(wù)器與客戶端。 只需添加MODBUS-RTU 連接配置信捷VB5N 變頻器以及信捷服驅(qū)動(dòng)器的IP 地址，包括設(shè)置時(shí)需確保兩端通信參數(shù)波特率，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，串行協(xié)議奇偶校驗(yàn)，激活的所需要通信的變頻器個(gè)數(shù)， 所使用的端口等， 通信參數(shù)必須與變頻器設(shè)置的一致，確保通訊順暢。

5.4 信捷VB5N 變頻器的配置

為了保證卷膜和倍速鏈輸送電機(jī)的變頻器與PLC的通信，需要對VB5N 變頻器參數(shù)設(shè)定。卷膜電機(jī)變頻器本機(jī)地址P3.10 設(shè)為1， 倍速鏈輸送電機(jī)變頻器本機(jī)地址P3.10 設(shè)為2。變頻器的頻率給定通道P0.01 均設(shè)置為4，變頻器的頻率為數(shù)字給定，由串行口給定，運(yùn)行命令通道選擇P0.03 均設(shè)置為2， 運(yùn)行命令通道為串行口運(yùn)行命令通道； 變頻器的通信配置P3.09 均設(shè)置為054，通信波特率為19200bps，數(shù)據(jù)格式為1-8-1 格式，奇校驗(yàn)。

5.5 信捷DS5C 伺服驅(qū)動(dòng)器的配置

為了快速響應(yīng)， 本次伺服驅(qū)動(dòng)器采用485 總線連接PLC，使用MODBUS-RTU 通信協(xié)議與PLC 通信，在PLC程序中， 需要使用MODBUS-RTU 通信指令來讀取或?qū)懭腧?qū)動(dòng)器的寄存器數(shù)據(jù)。

5.6 人機(jī)界面[11]

PLC 與 信捷TouchWin 觸摸屏型號為TG765－XT－C HMI，采用MODBUS-RTU 協(xié)議通信，設(shè)置時(shí)需確保兩端通信參數(shù)波特率、奇偶校驗(yàn)位、停止位一致， 即可成功通信。

為本機(jī)控制操作點(diǎn)， 各操作顯示頁區(qū)分為手動(dòng)、自動(dòng)、設(shè)定、異常顯示等，另輔助幾只旋鈕，押鈕用以操作套卷膜作業(yè)。 本套膜機(jī)操作裝置為觸摸屏控操作式人機(jī)介面為主，并加以數(shù)個(gè)外部輔助傳統(tǒng)開關(guān)裝置下方所構(gòu)成，機(jī)器所有功能的選擇狀態(tài)、顯示等訊息，均可藉由此一裝置之各顯示頁所設(shè)計(jì)的功能達(dá)成，簡明易懂，具有良好的親和性。

5.7 主功能介紹

（1）開關(guān)功能選擇：①電源：主電源開關(guān)；②緊急停止：在非正常情況下所使用。

（2）手動(dòng)操作：①送膜電機(jī)：以控制送膜料盤動(dòng)作；②切刀：完成送料至套標(biāo)的切斷動(dòng)作；③倍速鏈控制：自動(dòng)控制電機(jī)輸送啟停；④主機(jī)高度升／降：由人機(jī)界面控制主機(jī)的升降，以達(dá)到對應(yīng)電機(jī)套膜的高度。

（3）自動(dòng)模式：開啟自動(dòng)運(yùn)行模式。

（4）參數(shù)設(shè)定：①產(chǎn)品計(jì)數(shù)量：計(jì)數(shù)量最大為：9999999；②膜長度設(shè)定：在定膜長功能時(shí)，設(shè)定標(biāo)簽之長度。

（5）輔助功能介紹：①緊急停止：在異常時(shí)，緊急停止運(yùn)行程序；②倍速鏈速度調(diào)整鈕：控制倍速鏈的速度；③膜卷速度調(diào)整鈕：控制放膜的速度；④警報(bào)解除：本機(jī)器控制系統(tǒng)以三色燈號、界面屏幕文字顯示兩種方式組合而成的警報(bào)訊息；⑤三色燈號：紅、黃、綠三色燈由上而下排列在主機(jī)右后上方，代表的狀態(tài)意義如下面所述：紅燈：表示主機(jī)異常。 黃燈：表示黃燈常亮?xí)r，為無異常手動(dòng)狀態(tài)、黃燈閃爍時(shí)，表示膜缺料。 綠燈：表示自動(dòng)狀態(tài)，無異常。

6 結(jié)束語

為了更好實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸伸的自動(dòng)化套膜， 設(shè)計(jì)的這套全自動(dòng)套膜機(jī)，具有幾個(gè)特征：①結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行成本低、套膜運(yùn)行平穩(wěn)、便于操作和使用、同時(shí)也容易對接其他工位等；②通過套膜機(jī)原理分析，使用三維設(shè)計(jì)仿真設(shè)計(jì)，方便快捷的設(shè)計(jì)出整機(jī)；③使用本公司的成套智能控制系統(tǒng)， 通過MODBUS-RTU 通信協(xié)議連接各個(gè)終端通信， 也提升了國產(chǎn)電控系統(tǒng)應(yīng)用； ④通過人機(jī)界面自動(dòng)調(diào)整高度，可實(shí)現(xiàn)不同高度電機(jī)的自動(dòng)套膜。

完成套膜工序后，后序再配套電熱收縮機(jī)，可使軸伸膜很好的收縮在軸伸位置，完成軸伸的防銹保護(hù)功能，同時(shí)也提升電機(jī)生產(chǎn)的智能制造，最終實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化生產(chǎn)。