智能制造背景下電機裝配線軸承壓裝工作站改進設計*

蔣立正，尤光輝，祝洲杰

（浙江機電職業(yè)技術學院智能制造學院，杭州 310053）

0 引言

電動機是把電能轉換成機械能的設備，大到飛機坦克，小到微型機器人，電機是這些設備的核心驅動力量。作為現代機械的“心臟”，電機行業(yè)屬于典型的離散制造模式，各零部件的加工裝配過程彼此獨立。當前中國的中小型電動機制造業(yè)開始向規(guī)?；?、標準化和自動化方向發(fā)展，但是很多小型生產電動機企業(yè)的制造工藝及組裝還嚴重依賴有經驗的工藝師和技術工人，在推行智能制造的當下，高效化和智能化是電機產業(yè)發(fā)展的必然方向。近年來，國內很多企業(yè)陸續(xù)開發(fā)了電機裝配線[1-2]，自動化程度也較高，但是在裝配線的可靠性、無人化、效率和數據可追溯性等方面還有待提高和完善。軸承壓裝是電機組裝中的重要工序，其過盈連接質量、壓裝精度將直接影響電機軸承最后運行的性能和效果。電機軸承的安裝方法有敲入法、冷裝法和熱套法3種[3-4]。

隨著工信部在電機行業(yè)開展智能制造方面的新模式應用項目推廣，受浙江某風機電機制造企業(yè)委托，立足智能制造，以精益生產為理念，承接過一條電機智能裝配生產線的研制[5-6]。過去，企業(yè)在軸承壓裝工作站上一直使用電機臥式軸承壓裝機進行操作，如圖1所示，通過轉子軸與軸承過盈壓裝，一次操作同時將兩端軸承安裝到位。該壓裝方法存在壓裝力及位移控制精度差、占用空間大、噪聲嘈雜以及管路漏油等問題[7]，另外，壓裝過程的接口交互及數據處理能力差，無法實時采集壓裝位移-壓力曲線數據、壓裝結束后捕獲的關鍵生產數據等，不利于質量監(jiān)控與追溯分析。本文針對上述現狀，在分析軸承過盈壓裝技術要求的基礎上，改進了一種風機電機轉子軸與軸承壓裝工作站，與總裝線無縫銜接，以降低安裝成本，提升壓裝效率和壓裝質量，滿足多品種、小批量的智能化生產需要。

圖1 使用專用臥式油壓機裝配轉子軸承

1 過盈壓裝技術要求及參數

1.1 過盈壓裝對象—轉子軸組件

圖2所示為YSF-90風機電機的電機軸承交叉定位結構布置，該結構在小型電機中普遍使用。

圖2 電機軸承交叉定位結構布置

轉子軸和雙深溝球軸承的內圈均為過盈配合，轉子軸與軸承之間的過盈聯接基本尺寸為25 mm，過盈量范圍是21～36μm。轉子軸組件如圖3所示。

圖3 轉子軸組件（軸承入軸后）實物

1.2 軸承壓裝工作站技術要求

（1）壓裝要求：軸承壓入后，L尺寸公差范圍為±0.1 mm；工裝保證軸承安裝質量，要求工裝的壓力均勻壓向軸承內圈；工裝和軸承內圈接觸的平面和轉子軸中心線垂直，保證軸承垂直進入。

（2）自動化功能要求：轉子軸及軸承均采用自動上料，壓裝后的轉子軸組件自動下料。

（3）自動化性能要求：生產節(jié)拍小于或等于45 s；廢品率低于0.3%；工作站與總裝配線無縫銜接。

2 工作站總體結構改進

2.1 改進后工作站總體結構

改進后工作站的總體結構如圖4所示，由轉子軸及軸承自動上料裝置、轉子軸定位裝置、壓裝固定側、壓裝移動側、壓裝驅動裝置、轉子軸組件下料機械手（限于篇幅未示出）等組成。

圖4 改進后工作站的總體結構（3D視圖）

經品質檢測合格后，由人工將轉子軸及軸承存儲在斜滾道及軸承料倉中，利用重力、借助推料機構等方式依次將轉子軸、軸承推入相應夾具；為保證壓裝過程的導向精度，設置了定位、支撐與導向機構，使壓裝固定側、壓裝移動側和壓裝驅動裝置三者間的準確對合，保證壓裝過程中的高導向精度；氣液增壓缸安裝于壓裝驅動裝置的安裝座上，驅動推桿端部安裝稱重式傳感器和過渡壓頭，位移傳感器與壓頭平行安裝，同步運動，如圖5所示。

圖5 改進后工作站的總體結構（局部剖）

2.2 工作站工作原理

工作站工作原理如下。軸承、轉子軸自動上料機構動作，壓裝移動側定位軸承、轉子軸至壓裝正確位置；氣液增壓缸推動壓裝移動側，在壓裝固定側、移動側模具動作壓內圈軸承；壓裝過程自動記錄壓裝力-位移曲線；壓裝完成，各執(zhí)行機構返回原位，準備下一循環(huán)。

3 關鍵部件結構設計

關鍵部件指由壓裝驅動裝置、轉子軸自動上料裝置、壓裝固定側、壓裝移動側等，如圖4所示。

3.1 壓裝驅動裝置改進設計

根據理論壓裝力計算公式[8-10]，結合工況梳理得到如表1所示的參數值，可計算壓裝力F。

將表1數據代入式（1）后，可得到：

且Fend最大理論壓裝力為F的3～3.5倍：

表1 理論壓裝力計算所需的設計數據

實際應用中，精度是和企業(yè)成本直接掛鉤的，沒有單純靠提高精度來滿足裝配要求。在壓裝驅動源的選擇中，選用價廉的氣液增壓缸而非昂貴的伺服電動缸。氣液增壓缸的選型計算需要根據具體的使用條件選定匹配的型號，因位移控制精度要求在0.2 mm以內，選擇玖容水平安裝型氣液增壓缸JR-AA-63-150-40L-3T-A，在氣壓為0.6 MPa時，出力3 t，可利用軟到位功能且滿足行程公差控制要求。

圖6所示為壓裝驅動裝置的結構簡圖，連接環(huán)、連接板1、2等構成過渡壓頭，處于上下浮動狀態(tài)，使液壓增壓缸產生的壓裝力可以完全施加到稱重式傳感器上，保證壓裝力測量的可行性；當轉子軸移動到達壓裝固定側，當壓裝移動側上的定位釘與安裝在轉子軸定位滑座下方的位移傳感器接觸，便可方便測得壓裝位移值的大??；另外，可一次操作同時將兩端軸承安裝到轉子軸正確位置。

圖6 壓裝驅動裝置的改進結構

3.2 壓裝固定側及壓裝移動側的結構改進

待轉子軸進入V型定位塊，且兩端軸承在推料氣缸、夾緊氣缸的作用下均處于軸承腔室，壓裝驅動裝置通過過渡壓頭壓住軸承內圈帶動V型定位塊及整個壓裝移動側往壓裝固定側移動，待軸承入轉子軸正確位置，完成整個壓裝過程，如圖7所示。

3.3 轉子軸自動上料裝置結構設計

圖7 改進后壓裝固定側及壓裝移動側的結構

利用人工將階梯狀轉子軸置于斜滾道，滾道底部設置限位擋，轉子軸在重力作用下自下而上排列；需要上料時，由頂升氣缸、直線軸和直線軸承組成的升降機構將轉子軸從斜滾道中分離，轉子軸沿滑槽進入圖7所示的V型定位塊，如圖8所示。

圖8 轉子軸自動上料裝置的結構

4 工作站控制系統改進設計

借鑒其他軸承裝配線的控制系統設計[11]，結合本裝配線的過程信息自動檢測、數據存儲及產品質量大數據分析與追溯等需求，升級原有控制系統。電機裝配線由多個工作站組成，各工作站均設置有獨立的電控系統，各工作站由工控系統、PLC、觸摸屏、壓力傳感器、位移傳感器、電磁閥、氣缸等組成，實現單工作站的自動控制；各工作站之間通過PROFINET互聯，便于裝配線內部集中管控。

裝配線的各PLC和上位系統之間均采用以太網通訊，設備層基于PROFINET/OPC通信，實現對設備的集中管理與分散控制；支持RFID設備、打印機等RS232C/422/485通信，通過協議轉換可以接入交換機，實現與其他零部件的組網；圖9所示為網絡架構可降低電氣接線難度，簡化電氣控制系統；對總裝線上裝載電機的托盤進行信息化標定（安裝RFID標簽），并對關鍵工藝位置安裝數據讀寫設備（安裝RFID讀寫頭），讓每一步工藝數據有據可查，從而實現生產過程透明化、信息可視化。

圖9 工作站控制系統的網絡架構及硬件組成

控制系統采用先進的氣動液壓混合式壓裝，壓裝壓力與位置檢測裝置配合PLC控制，上位機記錄并存儲、反饋壓裝質量數據，實現壓裝數據的本地保存與歷史查詢、追溯等功能，改善轉子軸與軸承組裝依靠人工測量和經驗判斷產品質量的現狀。

重要的是，軸承壓裝合格判據的確定對控制壓裝轉子軸組件的質量起到了關鍵的作用[12]。因此，壓裝過程中控制系統還實時采集了壓裝力信號和位移信號，并根據曲線動態(tài)監(jiān)控壓裝過程。

5 結束語

本文通過分析轉子軸與軸承過盈壓裝的技術要求，改進了工作站的總體結構設計，完善了壓裝單元各部件構成，提升了壓裝性能，如位置控制精度和壓力控制精度得以提升，未發(fā)生壓力過沖現象，減少了廢品的產生，壓裝質量有明顯改善。同時，一次連續(xù)操作可完成兩側軸承的壓裝過程，減少了工裝投入，生產節(jié)拍小于35 s，工作效率有了提升，可為同類型壓裝設備開發(fā)提供借鑒。

控制系統改進方案基于現場總線技術，具有一定先進性，可以滿足壓裝過程的信息自動檢測、數據存儲及質量大數據分析與追溯等需求。