郭世行,江 帆,龔斌斌

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,浙江杭州310018)

步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械等領(lǐng)域.步進(jìn)電機(jī)由定子與轉(zhuǎn)子組成.定子的內(nèi)壁加工了許多工作凹槽(稱為內(nèi)孔),為了保證高質(zhì)量地安裝激勵(lì)線圈,必須保持定子內(nèi)壁的內(nèi)孔的清潔度[1].因此,步進(jìn)電機(jī)的定子內(nèi)孔加工完成后務(wù)必對(duì)其進(jìn)行清洗.目前步進(jìn)電機(jī)定子內(nèi)孔的清洗大都由人工完成,需要大量的勞動(dòng)力和勞動(dòng)時(shí)間,并且清洗液(汽油)對(duì)人體健康有一定的危害,這顯然是不符合ISO1800的要求.基于此,我們?cè)O(shè)計(jì)一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)定子內(nèi)孔自動(dòng)沖洗機(jī),旨在依靠機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備替代人工勞動(dòng),解決繁瑣的步進(jìn)電機(jī)定子自動(dòng)清洗工作[2].

1 總體設(shè)計(jì)

圖1 自動(dòng)沖洗系統(tǒng)流程圖Figure 1 Flow chart of automatic washing system

當(dāng)清洗槽中排滿預(yù)定個(gè)數(shù)即30(5×6)個(gè)時(shí),自動(dòng)成組,并與整體分離.然后推動(dòng)布滿定子的洗槽到達(dá)清洗位置,清洗液自動(dòng)噴出,自動(dòng)清洗定子內(nèi)孔.清洗完成后,由自動(dòng)落料機(jī)構(gòu)將定子落入接收盤中,完成定子內(nèi)孔自動(dòng)清洗.在定子自動(dòng)清洗的同時(shí),并行完成定子自動(dòng)成組與分離.如此循環(huán),完成定子的自動(dòng)連續(xù)清洗[3].

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)由自動(dòng)進(jìn)料、自動(dòng)推進(jìn)和自動(dòng)沖洗落料等三個(gè)部分組成.系統(tǒng)流程,如圖1.

在自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)中,由皮帶輸送線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)料,步進(jìn)電機(jī)定子經(jīng)過平皮帶帶動(dòng)和工位板的定位作用,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)定子在清洗槽中整齊排列。當(dāng)清洗槽中布滿定子時(shí)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)下壓,阻止后續(xù)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)入清洗槽。然后,啟動(dòng)自動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的鏈條傳動(dòng)電機(jī),由鏈條輸送線將步進(jìn)電機(jī)定子向清洗位置推進(jìn)。在清洗位置設(shè)有專門的檢測(cè)裝置,當(dāng)檢測(cè)到定子到達(dá)預(yù)定的清洗位置時(shí),自動(dòng)沖洗落料系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)控制的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刷子實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)定子的自動(dòng)清洗。整個(gè)清洗工作達(dá)到設(shè)定的清洗次數(shù)后即告完成。最后由自動(dòng)沖洗落料系統(tǒng)中的凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)定子的自動(dòng)落料[4].

1.2 系統(tǒng)總體方案

總體方案,如圖2.

圖2 總體方案圖Figure 2 Overall scheme

整個(gè)自動(dòng)清洗系統(tǒng)(圖2)由自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)、自動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)與自動(dòng)清洗落料系統(tǒng)組成.步進(jìn)電機(jī)定子經(jīng)過自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)中的平皮帶帶動(dòng)和工位板同時(shí)作用來實(shí)現(xiàn)在清洗槽中整齊排列,當(dāng)清洗槽中排滿預(yù)定個(gè)數(shù)即30個(gè)時(shí),曲柄滑塊機(jī)構(gòu)下壓,阻止后續(xù)步進(jìn)電機(jī)定子的進(jìn)料,然后由自動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)鏈條的電機(jī)啟動(dòng),步進(jìn)電機(jī)定子開始推進(jìn).當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到清洗槽到達(dá)預(yù)定的清洗位置時(shí),由步進(jìn)電機(jī)控制的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刷子開始上下運(yùn)動(dòng),同時(shí)清洗液噴出,清洗步進(jìn)電機(jī)定子,當(dāng)上下清洗次數(shù)達(dá)到預(yù)定次數(shù)時(shí)即可完成清洗工作[3].最后,凸輪機(jī)構(gòu)開始工作,進(jìn)行自動(dòng)落料.落料完畢后接著清洗槽返回,定子重新開始排序,如此往復(fù),完成清洗工作[5].

2 自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng),如圖3,其主要功能是定子自動(dòng)分組與隔離.由于皮帶機(jī)的傳動(dòng)裝置具有傳送平穩(wěn)、噪聲低的特點(diǎn),可方便地實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)定子自動(dòng)向前運(yùn)動(dòng).而工位板起導(dǎo)向作用,引導(dǎo)定子進(jìn)入清洗槽.自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)由進(jìn)料機(jī)構(gòu)與清洗槽機(jī)構(gòu)組成.

圖3 自動(dòng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)原理圖Figure 3 Schematic diagram of automatic feeding mechanism

2.1 進(jìn)料機(jī)構(gòu)

進(jìn)料時(shí),皮帶是連續(xù)運(yùn)動(dòng)的.當(dāng)清洗槽未到進(jìn)料工位時(shí),要求步進(jìn)電機(jī)定子停止進(jìn)料,因此要設(shè)計(jì)一個(gè)以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為主的定子阻擋機(jī)構(gòu),這個(gè)機(jī)構(gòu)通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的下壓來實(shí)現(xiàn)阻擋電機(jī)定子前進(jìn)運(yùn)動(dòng),其工作原理,如圖4.

圖4 定曲柄滑塊子阻擋機(jī)構(gòu)原理圖Figure 4 Schematic diagram of crank slider stop institutions

當(dāng)不需要進(jìn)行分料時(shí),電機(jī)啟動(dòng),帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng),滑塊壓桿下行,步進(jìn)電機(jī)定子被滑塊壓桿擋住,此時(shí)雖然皮帶仍在傳動(dòng),但是不進(jìn)行分料.當(dāng)需要分料時(shí),滑塊壓桿上行復(fù)位,步進(jìn)電機(jī)定子重新進(jìn)料及分料[6].

2.2 清洗槽機(jī)構(gòu)

針對(duì)典型的外徑為 Ф 36 mm的圓柱形步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子為沖洗原型設(shè)計(jì)自動(dòng)沖洗機(jī)及其清洗槽.清洗槽設(shè)計(jì)時(shí)考慮了清洗方式為多個(gè)步進(jìn)電機(jī)定子直立清洗,經(jīng)過分析決定一次沖洗30個(gè)(即5×6).30個(gè)步進(jìn)電機(jī)定子通過自動(dòng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)已經(jīng)整齊地排列在清洗槽中,為自動(dòng)清洗作好了充分準(zhǔn)備[7].清洗槽的工作原理,如圖5.

圖5 清洗槽原理圖Figure 5 Schematic diagram of clean settings

3 自動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了高效率地清洗步進(jìn)電機(jī)定子,采用多個(gè)步進(jìn)電機(jī)定子一起沖洗.因?yàn)榍逑匆河懈g作用,清洗裝置不便直接安裝在皮帶輸送線之后.所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)推進(jìn)裝置,將清洗槽自動(dòng)推進(jìn)清洗位置.其工作原理,如圖6.

圖6 推進(jìn)系統(tǒng)原理圖Figure 6 Schematic diagram of promote system

推進(jìn)裝置的工作原理是清洗槽通過鏈條拖動(dòng)清洗槽沿導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng),鏈條和清洗槽之間通過鉸鏈連接,方便后面清洗完之后的自動(dòng)落料.整個(gè)推進(jìn)裝置由步進(jìn)電機(jī)控制.為保持傳動(dòng)的平衡與正確,采用了鏈輪張力自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制[8].

4 自動(dòng)清洗落料系統(tǒng)設(shè)計(jì)[9]

自動(dòng)清洗系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)需求多個(gè)定子的自動(dòng)清洗和清洗后的自動(dòng)落料.因此自動(dòng)清洗系統(tǒng)由自動(dòng)清洗機(jī)構(gòu)與自動(dòng)落料機(jī)構(gòu)組成.

4.1 自動(dòng)清洗機(jī)構(gòu)[10]

為實(shí)現(xiàn)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)定子一起沖洗,設(shè)計(jì)了如圖7的自動(dòng)清洗機(jī)構(gòu).自動(dòng)清洗機(jī)構(gòu)由刷子架與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組.刷子架周邊有擋板擋著,刷子旁邊有孔,還有導(dǎo)向槽,通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)刷子架上下運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)定子自動(dòng)清洗.

圖7 清洗機(jī)構(gòu)原理圖Figure 7 Schematic diagram of cleaning institutions

4.2 自動(dòng)落料機(jī)構(gòu)[10]

自動(dòng)落料機(jī)構(gòu),如圖8.圖中凸輪機(jī)構(gòu)是用于步進(jìn)電機(jī)定子內(nèi)孔清洗完畢后,通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頂清洗槽的一側(cè),使清洗槽翻轉(zhuǎn)而進(jìn)行定子落料.已知凸輪的基圓半徑r0=150 mm,凸輪以角速度 ω逆時(shí)針方向回轉(zhuǎn),由于只是讓凸輪實(shí)現(xiàn)落料,推桿的行程為80 mm足夠(電機(jī)定子高度為37 mm),滾子半徑為r=40 mm.

圖8 落料機(jī)構(gòu)原理圖Figure 8 Schematic diagram of fell material institutions

5 結(jié) 語

本文研發(fā)的一套步進(jìn)電機(jī)定子內(nèi)孔自動(dòng)沖洗系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)定子的自動(dòng)進(jìn)料、自動(dòng)推進(jìn)、自動(dòng)清洗落料,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)清洗的全過程自動(dòng)化.設(shè)計(jì)完成的自動(dòng)清洗系統(tǒng)經(jīng)企業(yè)應(yīng)用表明其性能穩(wěn)定,經(jīng)濟(jì)成本低,而且提高了工作效率,并便于維修,受到了步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的肯定.

步進(jìn)電機(jī)定子內(nèi)孔自動(dòng)沖洗系統(tǒng)及其裝置不僅僅可以用在步進(jìn)電機(jī)定子內(nèi)孔自動(dòng)沖洗上,而且如果對(duì)此裝置稍做改進(jìn)也可以用在類似的圓柱形有孔物體的自動(dòng)清洗工序過程中,因此該裝置具有很好的市場(chǎng)前景.

[1]楊和平,周 旋,童 軍.步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2007(2):24.

[2]繆海滔.步進(jìn)電機(jī)原理及維護(hù)[J].寧德師專學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,18(3):424-425.

[3]濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2006:143-235.

[4]郭世行,張樹生,單越康,等.軸瓦壁厚自動(dòng)檢測(cè)分選系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2005,16(2):108-111.

[5]陳海真.一種高效鋁棒自動(dòng)卸料裝置[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2006,19(3):95-96.

[6]ADAMS K G,VANREENEN M.A low-cost stepper motor positioning sy stem with minor closed-loop control[J].Int J Adv Manuf Technol,1995(10):191-197.

[7]馮夢(mèng)雅,化雪薈.兩相混合步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù),2009,38(3):102-104.

[8]范欽珊,殷雅俊.材料力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:45-86.

[9]?；圮?壓力機(jī)自動(dòng)送料裝置系統(tǒng)的探討[J].網(wǎng)絡(luò)財(cái)富,2009(9):235.

[10]王 良,孫延旗.除沫器自動(dòng)沖洗裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].中國(guó)井礦鹽,2006(4):33.