微型電機(jī)定子自動組裝工藝的研究與設(shè)計(jì)

汪安燦，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

電機(jī)的制造工藝根據(jù)電機(jī)本身的用途、功率、結(jié)構(gòu)、原理等不同而大相徑庭。其定子結(jié)構(gòu)及制造方法也不同，決定了其制造和組裝工藝也形式多樣。在家電微型電機(jī)制造領(lǐng)域，不少電機(jī)生產(chǎn)廠家的電機(jī)制造和組裝工藝還在使用20世紀(jì)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)設(shè)備，定子制造還停留在手工組裝，即人員用手逐個在簡單治具上組裝，效率不僅低下，品質(zhì)還無法保證。近年，一些非標(biāo)自動化公司陸續(xù)開發(fā)了若干電機(jī)定子自動組裝設(shè)備，其自動化程度較高，但是通用性較窄，在擁有較復(fù)雜生產(chǎn)工藝的步進(jìn)或伺服微型電機(jī)方面適用性有所欠缺。對此，本文通過對家電微型步進(jìn)電機(jī)定子生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)及自動組裝方法設(shè)計(jì)，提高定子制造和自動組裝工藝的通用性和效率。

1 傳統(tǒng)定子生產(chǎn)組裝工藝

圖1 定子手動組裝工藝流程

家電微型電機(jī)定子一般由2個線圈與3個鐵心工件構(gòu)成，其生產(chǎn)組裝工藝為鐵心—線圈—鐵心—鐵心—線圈。微型步進(jìn)電機(jī)定子手動組裝流程如圖1所示，其中組裝臺由方向?qū)蛑?，同軸導(dǎo)向柱2，基底受臺3構(gòu)成。導(dǎo)向柱1和導(dǎo)向柱2以軸孔方式固定于零件3中，位置取決于線圈5和鐵心4工件的相關(guān)邊緣尺寸。基底受臺3上端部開有線圈輪廓凹槽，便于定子定位。先將鐵心4組入組裝臺，然后依次將線圈5、鐵心6、鐵心6-2、線圈5-2裝入，一個定子組裝完成。

2 定子自動組裝工藝設(shè)計(jì)

2.1 鐵心工藝改進(jìn)

定子部件由5個工件構(gòu)成，鐵心6兩個正反依次組裝，鐵心6形狀互為對映異構(gòu)，為便于自動化設(shè)計(jì)，對其進(jìn)行沖壓凹凸孔尺寸公差細(xì)部改進(jìn)設(shè)計(jì)，凹凸定位孔配合公差由H9/f6間隙配合改進(jìn)為H6/p6過盈壓入壓合。可先行將2個鐵心6經(jīng)自動壓入機(jī)壓合成一個新工件鐵心組10，組裝時變成2個線圈，定子由5個工件變?yōu)?個工件組成，完成了定子鐵心工藝改進(jìn)，如圖2所示。鐵心工藝的改進(jìn)提升了定子組鐵心步進(jìn)爪同軸等間隙距離的精度，對馬達(dá)的電氣性能產(chǎn)生提升。

2.2 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 鐵心工藝改善

設(shè)備3D整體方案如圖3所示，線圈5在外觀檢測人員檢測外觀后手動放入線圈移送裝置，鐵心6及鐵心組10自動傳送上料，工件裝配模組在分割轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動下一組裝。取料機(jī)構(gòu)將組裝完成的定子放入輪帶，將其傳送至完品定子收料桌待完品人員品質(zhì)檢測后放入儲料盒，供應(yīng)下一馬達(dá)生產(chǎn)工程。各定子工件移送裝置、裝配機(jī)構(gòu)與分割轉(zhuǎn)盤構(gòu)成一個完整的定子組組裝工藝流程。

圖3 自動設(shè)備設(shè)計(jì)方案

定子自動組裝機(jī)主要由6個子系統(tǒng)組成：送料系統(tǒng)（鐵心震盤+直震送料系統(tǒng)、線圈移送料系統(tǒng)）；工件組裝模組；轉(zhuǎn)盤步進(jìn)定位系統(tǒng)；下料輪帶；傳感器檢測系統(tǒng)；PLC+觸摸屏控制系統(tǒng)。

2.3 定子組組裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)按照自動化控制系統(tǒng)基本理念，一臺標(biāo)準(zhǔn)的自動化設(shè)備應(yīng)當(dāng)具備目的程序控制、手動/自動控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、故障報(bào)警/顯示、暫停/緊急停止、參數(shù)變更、信號反饋、安全保護(hù)控制等一系列自動控制要求。本設(shè)備控制采用PLC自動控制技術(shù)，通過人機(jī)交換界面進(jìn)行設(shè)備可視化操作。主要控制鐵心震盤+直震送料系統(tǒng)、線圈移送料系統(tǒng)、工件自動組裝機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤定位系統(tǒng)、完品下料輸送輪帶等的有序運(yùn)行。圖4所示為定子組裝機(jī)系統(tǒng)控制框圖。

圖4 控制系統(tǒng)架構(gòu)框圖

2.4 定子自動組裝機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）定子自動組裝機(jī)結(jié)合場所的占用空間、設(shè)計(jì)難度及前后工程連接等因素綜合事項(xiàng)考慮。采用轉(zhuǎn)盤式加輪帶方法設(shè)計(jì)是一個較優(yōu)的選擇。

（2）定子由4個工件（鐵心1個，鐵心組1個，線圈2個）構(gòu)成，鐵心和鐵心組使用圓形震動盤選料加直型震動裝置輸送。線圈是電機(jī)關(guān)鍵的構(gòu)件，其包含漆包線繞組和鐵端子焊錫工藝，漆包線鍍漆部分不容有刮傷，必須人工顯微鏡外觀檢測，為確保品質(zhì)，線圈輸送料方式采用人工外觀檢測后直接放入直型震動裝置送料。

（3）為了提高自動組裝機(jī)的實(shí)用效率，方案設(shè)計(jì)成雙通道供料及組裝方法，一次轉(zhuǎn)盤動作同時裝入2個工件，間接地使設(shè)備效率提升100%。

（4）取料、放料方式采用氣缸加滑軌驅(qū)動，裝置以氣缸前進(jìn)、上下驅(qū)動帶動取料、放料機(jī)構(gòu)。

（5）機(jī)構(gòu)采用獨(dú)特的彈性吸附取放料構(gòu)造設(shè)計(jì)。該技術(shù)由取料組件和線圈移料組件構(gòu)成。取料組件由取料零件、放料套筒、套筒固定環(huán)及內(nèi)置彈簧組成，取料零件取料部位利用不銹鋼應(yīng)力屬性，采用中空式端面倒角設(shè)計(jì)，取料不用吸盤或氣夾，不需檢測信號，節(jié)約控制系統(tǒng)資源；線圈移料組件由可向夾角方向運(yùn)動零件、壓力彈簧、定位銷等組成，夾角零件利用彈簧彈張開與線圈內(nèi)徑配合，徑向端面圓弧倒角設(shè)計(jì)有利于取料零件中空孔隨動套合移料零件，夾角運(yùn)動零件在彈簧彈力作用下隨動適應(yīng)取料零件，在動作過程中，線圈被取料零件彈性取出。此取料過程沒有氣夾或吸盤，而是直接利用純機(jī)械構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)柔性取料，使后續(xù)的設(shè)備維護(hù)變得更簡單，如圖5所示。

圖5 彈性吸附取料、放料構(gòu)造

（6）工件組裝模塊由4個零件、3個定位銷及2個彈簧裝配而成，零件30利用軸孔配合原理來定位線圈與鐵心的內(nèi)徑，使線圈與鐵心相互軸芯配合，零件30有階梯軸和鍵槽孔設(shè)計(jì)，細(xì)軸與鐵心配合，粗軸與線圈配合，粗軸部圓形6均分鍵槽孔上端進(jìn)行細(xì)粗軸平滑過渡設(shè)計(jì)，階梯軸徑與線圈、鐵心內(nèi)徑轉(zhuǎn)合配合。零件36、零件32、定位銷31三個組合定位線圈和鐵心，定位銷31位置固定，確定各零件的實(shí)際位置，零件36利用彈簧力作用可與定位銷31組成徑向彈性卡位。零件32采用非對稱偏位設(shè)計(jì)，亦用彈簧力作用與零件30組成軸向彈性卡位。線圈5與組裝模塊的位置配合；鐵心組10與組裝模塊、線圈5的位置配合；另一個線圈5反向與組裝模塊、第一個線圈5、鐵心5的位置配合；鐵心4與組裝模塊、線圈5、鐵心組10的位置配合。其中定子組構(gòu)件全部與組裝模塊有同軸、限位配合。此彈性卡位導(dǎo)向結(jié)構(gòu)能自動校正定子組組件位置，保證每個定子組組件可模糊放料，準(zhǔn)確裝配。

圖6 定子工件自動組裝模塊

3 結(jié)束語

本文對微型步進(jìn)電機(jī)的鐵心加工工藝改進(jìn)、定子自動組裝工藝及自動設(shè)備制造方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過一系列新穎的設(shè)計(jì)使定子自動組裝工藝較手動的生產(chǎn)效率有較大提高，該方案已實(shí)踐實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。設(shè)備滿足對產(chǎn)品的定位精度高、生產(chǎn)速度快、品質(zhì)好的設(shè)計(jì)要求。定子自動組裝工藝是微型家電步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)中的一個環(huán)節(jié)，其他關(guān)聯(lián)工程如線架端子壓入、卷線、端子焊錫、基板組裝、FPC焊錫等加工工藝都具備自動化生產(chǎn)開發(fā)條件。在該設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究利用當(dāng)前新技術(shù)新產(chǎn)品，對電機(jī)部組工程集成化設(shè)計(jì)，減少各工程中間資源損失。對集成后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定化、空間更優(yōu)化、效益最大化研究具有借鑒意義。