一種渦旋壓縮機(jī)高頻加熱裝配機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

林秋宇，鄭卓韜※，王雙喜

（1.汕頭輕工裝備研究院，廣東 汕頭 515063；2.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東 汕頭 515063）

0 引言

隨著國際能源的枯竭以及全球氣候變暖，可持續(xù)發(fā)展的觀念越來越深入人心，新能源汽車正在逐步替代傳統(tǒng)燃油汽車。渦旋式壓縮機(jī)做為新能源汽車制冷系統(tǒng)重要部件之一，因其具有振動小、噪聲低、使用壽命長、重量輕、轉(zhuǎn)速高、效率高、外形尺寸小等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。隨著渦旋式壓縮機(jī)的需求量不斷增加和對其產(chǎn)品質(zhì)量要求也不斷提高［1］。壓縮機(jī)殼體熱套作為壓縮機(jī)裝配的一項(xiàng)關(guān)鍵工藝、具有生產(chǎn)工藝要求精度高等特點(diǎn)［2-3］，而殼體熱套插入不良、殼體熱套定子下移不良、殼體熱套角度不良，也一直是殼體熱套產(chǎn)生不良率的主要問題［4］。

在國內(nèi)，傳統(tǒng)熱套裝配工藝都是采用人工半自動直接熱套裝配，該方式不僅效率低，人工成本高，精度低［5-6］。而且殼體加熱溫度無法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，殼體與定子間隙配合無法嚴(yán)格控制［7-8］。當(dāng)加熱溫度過低會產(chǎn)生過盈值不足的情況，該情況會使電機(jī)外殼套入定子繞組時定子繞組劃傷外殼內(nèi)壁，使定子鐵心變形影響壓縮機(jī)的壽命和性能［9］；加熱溫度過高殼體受熱膨脹嚴(yán)重后圓心發(fā)生嚴(yán)重偏移，這種情況會使殼體鑄件的細(xì)小孔洞過分膨脹導(dǎo)致殼體氣體泄漏［10］。為了提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，研制了一種渦旋壓縮機(jī)高頻加熱裝配機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)將通過整體設(shè)計(jì)解決以上問題。

本裝配機(jī)構(gòu)通過視覺檢測系統(tǒng)對壓縮機(jī)殼體、定子繞組進(jìn)行計(jì)算分析［11-15］。通過過盈量閉環(huán)糾偏控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)和監(jiān)控每個殼體的加熱溫度，并通過殼體圓心偏移量算法，讓六軸機(jī)械手自動糾偏熱套位置，本裝配機(jī)構(gòu)解決了上述殼體熱套的主要問題，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果，殼體熱套能保證穩(wěn)定高效。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)工作流程

渦旋壓縮機(jī)高頻加熱裝配機(jī)構(gòu)由輸送線、工裝底板、六軸取料機(jī)械手、視覺檢測機(jī)構(gòu)、高頻加熱機(jī)、旋轉(zhuǎn)盤、旋轉(zhuǎn)聯(lián)動機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)組成，如圖1 所示。

圖1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

整體工作流程如圖2所示。

圖2 過程流程

（1）將工裝底板放置所需裝配工件且置于倍速鏈上輸送。（2）輸送到位后定位機(jī)構(gòu)把工裝底板固定，視覺檢測分別測量定子繞組、殼體圓心與直徑。（3）六軸機(jī)械手自動取料，將殼體放置到旋轉(zhuǎn)聯(lián)動機(jī)構(gòu)。（4）旋轉(zhuǎn)聯(lián)動機(jī)構(gòu)通過升降機(jī)構(gòu)將待加熱外殼送至工位一進(jìn)行預(yù)加熱，并將工位二的殼體加熱到特定溫度。該特定溫度根據(jù)定子繞組直徑和設(shè)置的過盈值來做實(shí)時調(diào)節(jié)。（5）機(jī)械手準(zhǔn)備就緒后將加熱完的殼體送至工位三待取區(qū)。（6）六軸機(jī)械手在工位三取料完成后，通過溫度檢測進(jìn)行熱膨脹圓心糾偏。（7）六軸機(jī)械手通過殼體糾偏套入軸承和定子線圈。

1.2 旋轉(zhuǎn)聯(lián)動機(jī)構(gòu)模塊

傳統(tǒng)熱套工藝采用取料加熱后直接熱套，需要等待加熱時間，效率極低。為了提高效率，旋轉(zhuǎn)聯(lián)動機(jī)構(gòu)采用三工位轉(zhuǎn)盤，工位1 負(fù)責(zé)殼體預(yù)加熱，工位2 負(fù)責(zé)殼體加熱到特定溫度并進(jìn)行控溫，工位3 負(fù)責(zé)機(jī)械手取放料。此機(jī)構(gòu)配合機(jī)械手取放料，極大縮短了加熱時間，既能精確控制溫度，又能提高效率。

如圖3 所示，旋轉(zhuǎn)聯(lián)動機(jī)構(gòu)包括了氣缸、齒條、齒輪、棘輪、棘爪，齒條固定設(shè)置于氣缸的活塞桿，棘輪固定設(shè)置于齒輪上部，且通過轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)盤固定連接，齒輪與齒條嚙合，棘爪轉(zhuǎn)動設(shè)置于支撐架內(nèi)的支撐板上，其末端與棘輪配合，支撐板上的銷軸上設(shè)置有扭簧，用于作用于棘爪，使得棘爪可限制棘輪的單向轉(zhuǎn)動，氣缸通過聯(lián)動齒條、齒輪，使得旋轉(zhuǎn)盤上的孔位所運(yùn)載的第一工件切換工位，并在升降機(jī)構(gòu)的控制下，向下運(yùn)動，孔位套入高頻加熱線圈，以對第一工件進(jìn)行加熱，多個工位的設(shè)置，可以緩存多個第一工件。

圖3 旋轉(zhuǎn)聯(lián)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

1.3 夾爪取料模塊

機(jī)械手選用多關(guān)節(jié)、多自由度的六軸機(jī)械手，動作多，變化靈活。其結(jié)構(gòu)緊湊、速度快、精度高、密封性好，具有更多的行動自由度，可以拿起任意朝向的部件，以特殊的角度放入產(chǎn)品，而且提供了更高的生產(chǎn)運(yùn)動靈活性。

視覺檢測OK 并確定各零件準(zhǔn)確位置后，機(jī)械手在工裝底板取料，如圖4所示。熱套過程中需要4個自由度，X、Y、Z 軸的平移運(yùn)動和C 軸的殼體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。抓取時需要位置精確，通過夾爪夾住殼體定位加工孔，殼體采用定位加工孔為基準(zhǔn)一次澆筑、加工，夾爪夾住定位孔可以保證精度。避免了熱套過程中定子繞組劃傷外殼內(nèi)壁等情況，保證了產(chǎn)品成品率。

圖4 工裝底板

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

根據(jù)高頻加熱自動裝配機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)功能，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。主機(jī)PLC 分別與視覺檢測系統(tǒng)、上位機(jī)PLC、人機(jī)交互界面、六軸機(jī)械手、溫度監(jiān)控模塊實(shí)時通信。通過CC-Link 與六軸機(jī)械手通信、Modbus與溫度監(jiān)控模塊通信、TCP 與上位機(jī)PLC和人機(jī)交互界面通信，簡化布線以及提高通信實(shí)時性和同步性，互不干擾。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有六軸機(jī)械手、氣缸、步進(jìn)驅(qū)動器帶動步進(jìn)電機(jī)等。

圖5 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由視覺檢測系統(tǒng)、PLC 控制程序和機(jī)械手控制程序組成；人機(jī)交互界面HMI實(shí)現(xiàn)設(shè)置參數(shù)的輸入以及相關(guān)參數(shù)的實(shí)時顯示；溫度監(jiān)控模塊實(shí)時監(jiān)控殼體是否達(dá)到相關(guān)參數(shù)；PLC 通過視覺檢測系統(tǒng)和溫度監(jiān)控模塊收集到的數(shù)據(jù)計(jì)算后對機(jī)械手相關(guān)位置進(jìn)行糾偏，人機(jī)交互界面HMI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 人機(jī)界面HMI效果

2.2.1 視覺檢測系統(tǒng)

視覺檢測系統(tǒng)采用C＃進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，結(jié)合HALCON算法庫進(jìn)行圖像處理。本系統(tǒng)通過兩個獨(dú)立的線程分別實(shí)時處理從外殼和定子繞組獲得的圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)同時檢測與識別，通過邊緣提取，調(diào)整最小邊緣幅度、ROI、平滑度找出定子線圈的輪廓，再通過面積計(jì)算求出對應(yīng)的直徑。檢測結(jié)果通過工控機(jī)輸出NG信號及NG代碼至PLC，PLC控制機(jī)器停止生產(chǎn)并進(jìn)行報(bào)警，檢測效果圖如圖7 所示。

圖7 檢測效果

軟件設(shè)置有產(chǎn)品學(xué)習(xí)功能，進(jìn)行產(chǎn)品檢測之前需要先進(jìn)行產(chǎn)品學(xué)習(xí)，得到產(chǎn)品檢測的模板，記錄相應(yīng)區(qū)域閾值，判斷檢測區(qū)域面積、相機(jī)的曝光時間、產(chǎn)品名稱和檢測類型等，設(shè)置完成后數(shù)據(jù)自動保存在數(shù)據(jù)庫中。

2.2.2 PLC控制程序和機(jī)械手控制程序

PLC控制程序分為7 個部分組成：初始化程序及整機(jī)復(fù)位程序；回原點(diǎn)程序（控制各軸回到設(shè)定位置）；自動控制程序；手動控制程序；機(jī)械手自動、手動交互動作程序；過盈值控制溫度程序；熱膨脹糾偏機(jī)械手熱套位置程序。

機(jī)械手控制程序分為5 個部分組成：初始化程序及整機(jī)復(fù)位程序；回原點(diǎn)程序（控制各軸回到設(shè)定位置）；整機(jī)復(fù)位夾爪有料與無料處理程序；自動控制程序；手動控制程序。

控制系統(tǒng)中通過人機(jī)交互界面HMI設(shè)置殼體型號和需要的過盈值算出殼體需要達(dá)到溫度值。PLC 采集溫度監(jiān)控模塊實(shí)時溫度，達(dá)到溫度后由機(jī)械手取料熱套軸承和定子繞組，期間根據(jù)殼體溫度進(jìn)行實(shí)時熱膨脹糾偏，保證殼體與軸承、定子繞組同心。

2.3 通信系統(tǒng)

在PLC主程序中編寫通信監(jiān)測程序模塊，用來監(jiān)測PLC與其他設(shè)備之間是否通信正常，為了防止PLC 出現(xiàn)死機(jī)或者信號丟失，導(dǎo)致設(shè)備的誤動作。

2.3.1 RS-485 總線

PLC與溫度監(jiān)控模塊間通信采用RS-485 接口，采用兩線制接線方式，采用Modbus 通信協(xié)議，RS-485 通信傳輸是一種串行的主從方式，PLC 為終端設(shè)備，溫度監(jiān)控模塊為從機(jī)，根據(jù)主機(jī)PLC 發(fā)出查詢做出相應(yīng)的報(bào)文反饋。采用485 通信可避免模擬量容易被干擾的情況，保證實(shí)時溫度的準(zhǔn)確性。

2.3.2 CC-Link 通信

PLC與六軸機(jī)器人間通信采用CC-Link 通信，CCLink是一種能夠高速、大量傳送ON／OFF 信息等位數(shù)據(jù)和數(shù)值信息等字?jǐn)?shù)據(jù)的FA 用高性能現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。機(jī)械手采用DSQC 378B 模塊與PLC 進(jìn)行通信，從709 - 1 DevicenetMaster／Slave 選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)入Devicenet Command后對CC-Link相關(guān)地址、參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.3.3 TCP通信

從站PLC 與主站PLC 采用TCP 進(jìn)行CPU 間通信，在指定時間與指定元件進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的功能。以1∶1 的方式設(shè)置通信對象（傳送源）和通信對象（傳送目標(biāo)），在指定的通信對象之間進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

3 過盈值及熱膨脹糾偏

3.1 過盈值

熱套工藝采用電機(jī)殼體加熱后熱脹冷縮的原理，為了保證熱套工藝的穩(wěn)定性，必須保證膨脹后有足夠的過盈值。各種規(guī)格的殼體形狀、尺寸、所需間隙不同，其各種因素都會影響其膨脹后的過盈值，所以需自動調(diào)節(jié)其加熱溫度。殼體需要加熱的溫度t 按照式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：δ為配合的最大過盈量；α為熱套時最小間隙，取0.003d；a為線膨脹系數(shù)，鋁取23.2 ×10-6／℃；d 為配合面的公稱直徑，mm。

根據(jù)式（1），通過高頻加熱機(jī)對殼體進(jìn)行加熱，計(jì)算加熱溫度來控制殼體膨脹過盈值并通過溫度監(jiān)控模塊對殼體加熱溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，從而控制殼體膨脹過盈值，確保熱套工藝的穩(wěn)定性。

3.2 熱膨脹糾偏

物體由于溫度改變而有脹縮現(xiàn)象。在現(xiàn)場環(huán)境不變的情況下，單位溫度變化會導(dǎo)致殼體體積量值變化。由于殼體體積變化，殼體的圓心會隨著體積的變化而變化，會導(dǎo)致殼體與定子繞組不同心，會有定子繞組劃傷外殼內(nèi)壁、外殼底部軸承不水平等情況影響產(chǎn)品質(zhì)量。故需根據(jù)實(shí)時溫度計(jì)算出圓心各個方向的偏移量并進(jìn)行實(shí)時糾偏，按照式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：L為物體原始長度；dl 為物體在溫升變化時相對伸長和體積的變化量；dt 為物體溫升變化量；a 為線膨脹系數(shù)，鋁取23.2 × 10-6／℃。

根據(jù)式（2），計(jì)算出殼體熱膨脹后圓心的X、Y、Z方向的偏移量dl，自動調(diào)節(jié)六軸機(jī)械手的熱套位置。確保熱套中心位置與定子繞組保持一致。

4 過盈值及熱膨脹糾偏驗(yàn)證

運(yùn)用ANSYS workbench 仿真軟件對殼體進(jìn)行熱膨脹仿真，分別得出殼體在特定溫度下X、Y、Z 軸的膨脹，驗(yàn)證熱膨脹糾偏的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。通過導(dǎo)入殼體模型，定義模型材料為鋁，設(shè)置各表面升溫溫差。分別添加查看X、Y、Z軸的變形量。

試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示，通過ANSYS 仿真得鋁質(zhì)殼體溫升200 ℃時，X、Y、Z 軸熱膨脹值分別1.392 mm、1.392 mm、0.458 mm。通過算法得出相同條件下X、Y、Z軸熱膨脹值分別為1.404 mm、1.404 mm、0.463 mm。故與熱膨脹糾偏算法求出的值相近，校驗(yàn)熱膨脹糾偏算法的準(zhǔn)確性。

圖8 ANSYS熱膨脹仿真圖

5 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)階段半自動熱套工藝存在的主要問題及難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種渦旋壓縮機(jī)高頻加熱裝配機(jī)構(gòu)，并對其重要部件及控制算法進(jìn)行討論和分析。其機(jī)械結(jié)構(gòu)包含3 大功能模塊，旋轉(zhuǎn)聯(lián)動機(jī)構(gòu)模塊、夾爪取料模塊、高頻加熱模塊?？刂葡到y(tǒng)由PLC和工控機(jī)各種硬件設(shè)備組成，運(yùn)用自行研發(fā)的視覺檢測和多傳感器融合的過盈量和熱膨脹控制算法進(jìn)行糾偏的技術(shù)。該設(shè)計(jì)的軟件硬件已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用場合中并平穩(wěn)運(yùn)行，如圖9 所示，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)定子繞組的無傷熱套，通過自動裝配大大提高生產(chǎn)效率，降低了勞動力資源成本，提高渦旋壓縮機(jī)裝配的智能化水平，滿足日益增長的市場需求。本研究在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果，并已申請國家專利。

圖9 渦旋壓縮機(jī)高頻加熱裝配機(jī)構(gòu)