郭世行,江 帆,龚斌斌

(中国计量学院机电工程学院,浙江杭州310018)

步进电机是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域.步进电机由定子与转子组成.定子的内壁加工了许多工作凹槽(称为内孔),为了保证高质量地安装激励线圈,必须保持定子内壁的内孔的清洁度[1].因此,步进电机的定子内孔加工完成后务必对其进行清洗.目前步进电机定子内孔的清洗大都由人工完成,需要大量的劳动力和劳动时间,并且清洗液(汽油)对人体健康有一定的危害,这显然是不符合ISO1800的要求.基于此,我们设计一台步进电机定子内孔自动冲洗机,旨在依靠机械自动化设备替代人工劳动,解决繁琐的步进电机定子自动清洗工作[2].

1 总体设计

图1 自动冲洗系统流程图Figure 1 Flow chart of automatic washing system

当清洗槽中排满预定个数即30(5×6)个时,自动成组,并与整体分离.然后推动布满定子的洗槽到达清洗位置,清洗液自动喷出,自动清洗定子内孔.清洗完成后,由自动落料机构将定子落入接收盘中,完成定子内孔自动清洗.在定子自动清洗的同时,并行完成定子自动成组与分离.如此循环,完成定子的自动连续清洗[3].

1.1 系统总体构成

整个系统由自动进料、自动推进和自动冲洗落料等三个部分组成.系统流程,如图1.

在自动进料系统中,由皮带输送线实现自动进料,步进电机定子经过平皮带带动和工位板的定位作用,实现步进电机定子在清洗槽中整齐排列。当清洗槽中布满定子时曲柄滑块机构下压,阻止后续步进电机进入清洗槽。然后,启动自动推进系统的链条传动电机,由链条输送线将步进电机定子向清洗位置推进。在清洗位置设有专门的检测装置,当检测到定子到达预定的清洗位置时,自动冲洗落料系统中的步进电机控制的曲柄滑块机构带动刷子实现步进电机定子的自动清洗。整个清洗工作达到设定的清洗次数后即告完成。最后由自动冲洗落料系统中的凸轮机构实现步进电机定子的自动落料[4].

1.2 系统总体方案

总体方案,如图2.

图2 总体方案图Figure 2 Overall scheme

整个自动清洗系统(图2)由自动进料系统、自动推进系统与自动清洗落料系统组成.步进电机定子经过自动进料系统中的平皮带带动和工位板同时作用来实现在清洗槽中整齐排列,当清洗槽中排满预定个数即30个时,曲柄滑块机构下压,阻止后续步进电机定子的进料,然后由自动推进系统中驱动链条的电机启动,步进电机定子开始推进.当光电传感器检测到清洗槽到达预定的清洗位置时,由步进电机控制的曲柄滑块机构带动刷子开始上下运动,同时清洗液喷出,清洗步进电机定子,当上下清洗次数达到预定次数时即可完成清洗工作[3].最后,凸轮机构开始工作,进行自动落料.落料完毕后接着清洗槽返回,定子重新开始排序,如此往复,完成清洗工作[5].

2 自动进料系统设计

自动进料系统,如图3,其主要功能是定子自动分组与隔离.由于皮带机的传动装置具有传送平稳、噪声低的特点,可方便地实现步进电机定子自动向前运动.而工位板起导向作用,引导定子进入清洗槽.自动进料系统由进料机构与清洗槽机构组成.

图3 自动进料机构原理图Figure 3 Schematic diagram of automatic feeding mechanism

2.1 进料机构

进料时,皮带是连续运动的.当清洗槽未到进料工位时,要求步进电机定子停止进料,因此要设计一个以曲柄滑块机构为主的定子阻挡机构,这个机构通过曲柄滑块机构的下压来实现阻挡电机定子前进运动,其工作原理,如图4.

图4 定曲柄滑块子阻挡机构原理图Figure 4 Schematic diagram of crank slider stop institutions

当不需要进行分料时,电机启动,带动曲柄转动,滑块压杆下行,步进电机定子被滑块压杆挡住,此时虽然皮带仍在传动,但是不进行分料.当需要分料时,滑块压杆上行复位,步进电机定子重新进料及分料[6].

2.2 清洗槽机构

针对典型的外径为 Ф 36 mm的圆柱形步进电动机定子为冲洗原型设计自动冲洗机及其清洗槽.清洗槽设计时考虑了清洗方式为多个步进电机定子直立清洗,经过分析决定一次冲洗30个(即5×6).30个步进电机定子通过自动进料机构已经整齐地排列在清洗槽中,为自动清洗作好了充分准备[7].清洗槽的工作原理,如图5.

图5 清洗槽原理图Figure 5 Schematic diagram of clean settings

3 自动推进系统设计

为了高效率地清洗步进电机定子,采用多个步进电机定子一起冲洗.因为清洗液有腐蚀作用,清洗装置不便直接安装在皮带输送线之后.所以必须设计一个推进装置,将清洗槽自动推进清洗位置.其工作原理,如图6.

图6 推进系统原理图Figure 6 Schematic diagram of promote system

推进装置的工作原理是清洗槽通过链条拖动清洗槽沿导轨直线运动,链条和清洗槽之间通过铰链连接,方便后面清洗完之后的自动落料.整个推进装置由步进电机控制.为保持传动的平衡与正确,采用了链轮张力自动调节与控制[8].

4 自动清洗落料系统设计[9]

自动清洗系统的主要功能是实现需求多个定子的自动清洗和清洗后的自动落料.因此自动清洗系统由自动清洗机构与自动落料机构组成.

4.1 自动清洗机构[10]

为实现多个步进电机定子一起冲洗,设计了如图7的自动清洗机构.自动清洗机构由刷子架与曲柄滑块机构组.刷子架周边有挡板挡着,刷子旁边有孔,还有导向槽,通过曲柄滑块机构运动推动刷子架上下运动来实现定子自动清洗.

图7 清洗机构原理图Figure 7 Schematic diagram of cleaning institutions

4.2 自动落料机构[10]

自动落料机构,如图8.图中凸轮机构是用于步进电机定子内孔清洗完毕后,通过电机转动顶清洗槽的一侧,使清洗槽翻转而进行定子落料.已知凸轮的基圆半径r0=150 mm,凸轮以角速度 ω逆时针方向回转,由于只是让凸轮实现落料,推杆的行程为80 mm足够(电机定子高度为37 mm),滚子半径为r=40 mm.

图8 落料机构原理图Figure 8 Schematic diagram of fell material institutions

5 结 语

本文研发的一套步进电机定子内孔自动冲洗系统,该系统能够实现步进电机定子的自动进料、自动推进、自动清洗落料,实现步进电机自动清洗的全过程自动化.设计完成的自动清洗系统经企业应用表明其性能稳定,经济成本低,而且提高了工作效率,并便于维修,受到了步进电机生产企业的肯定.

步进电机定子内孔自动冲洗系统及其装置不仅仅可以用在步进电机定子内孔自动冲洗上,而且如果对此装置稍做改进也可以用在类似的圆柱形有孔物体的自动清洗工序过程中,因此该装置具有很好的市场前景.

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