唐 亮

（廣東省機(jī)械研究所有限公司，廣州 510705）

在轉(zhuǎn)子自動(dòng)涂敷領(lǐng)域，蒙套主要用于保護(hù)轉(zhuǎn)子未涂敷區(qū)域，避免涂敷粉末的存在而造成轉(zhuǎn)子報(bào)廢，因此蒙套貫穿整個(gè)涂敷工藝過程[1-2]。涂敷過程中粉末會(huì)落到蒙套表面，經(jīng)過涂敷高溫固化工藝，粉末會(huì)在表面固化結(jié)塊。連續(xù)長時(shí)間生產(chǎn)時(shí)，結(jié)塊會(huì)越積越多，最終影響產(chǎn)品的涂敷尺寸和質(zhì)量。

目前，蒙套固化的涂敷粉末通常采用化學(xué)藥水長時(shí)間浸泡來軟化已結(jié)塊的粉末。高壓水槍噴射清除或采用刀具進(jìn)行機(jī)械清除，整體工作量大。采用化學(xué)藥水浸泡的方式，可能會(huì)造成環(huán)境污染。蒙套在線自動(dòng)清潔機(jī)構(gòu)對蒙套結(jié)塊進(jìn)行在線清潔，同時(shí)回收清潔產(chǎn)生的粉塵，確保設(shè)備可以長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行生產(chǎn)，提升涂敷質(zhì)量的穩(wěn)定性，降低工作強(qiáng)度。

清潔過程中會(huì)產(chǎn)生非金屬粉塵。關(guān)于粉塵的回收處理和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防，很多學(xué)者做了深入研究。張本峰結(jié)合粉塵特性發(fā)明了一種粉塵回收裝置，并詳細(xì)闡述了其工作原理[3]。楊鋼輝針對工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的粉塵，從粉塵爆炸原理分析入手，論述了粉塵爆炸危險(xiǎn)場所的防爆安全措施[4]。孫雅薇利用粉塵最小點(diǎn)火能測試裝置，對非金屬粉的最小點(diǎn)火能進(jìn)行測定，研究了濃度和環(huán)境濕度對最小點(diǎn)火能的影響，并分析了粉塵的點(diǎn)火機(jī)理，為預(yù)防非金屬粉塵爆炸提供了重要方法[5]。

1 工藝分析及方案設(shè)計(jì)

1.1 蒙套清潔要求

分析蒙套在涂敷過程中的工藝及過程，確定蒙套清潔區(qū)域和清潔程度。根據(jù)現(xiàn)有蒙套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定清潔區(qū)域?yàn)槊商着c轉(zhuǎn)子接觸的端面及斜面。結(jié)合轉(zhuǎn)子涂敷厚度0.25 ～0.35 mm 的要求，蒙套端面及斜面的積粉厚度應(yīng)小于0.10 mm。結(jié)塊的積粉在涂敷過程中不能出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，以免造成轉(zhuǎn)子涂覆不良。清潔節(jié)拍與涂覆設(shè)備節(jié)拍匹配，避免蒙套清潔區(qū)域出現(xiàn)蒙套積壓而影響設(shè)備的生產(chǎn)效率。蒙套結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 蒙套結(jié)構(gòu)

1.2 清潔工藝分析

基于清潔要求，結(jié)合蒙套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析蒙套的清潔方式和工藝，確保清潔方案滿足設(shè)備的使用要求。首先，蒙套結(jié)塊積粉厚度應(yīng)小于0.1 mm。使用過程中，蒙套每循環(huán)經(jīng)過涂覆區(qū)域一次，就會(huì)沾上粉，需要在下一次進(jìn)入涂覆區(qū)域前進(jìn)行清潔。因此，將清潔機(jī)構(gòu)設(shè)置于拆蒙套機(jī)構(gòu)之后，此時(shí)蒙套帶有一定的余溫，新黏結(jié)的涂敷粉容易清除。其次，結(jié)塊的積粉在涂敷過程中不能脫落。蒙套通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的仿形刀具對端面及斜面黏結(jié)的粉末進(jìn)行清潔。為避免出現(xiàn)部分粉末殘留，刀具清潔后由毛刷進(jìn)行二次清潔。清潔過程連接集塵器，回收清出的粉末顆粒。最后，清潔節(jié)拍與涂覆設(shè)備節(jié)拍匹配。分析清潔機(jī)構(gòu)動(dòng)作流程，評估動(dòng)作和清潔時(shí)間，采用雙工位同時(shí)清潔的方式，延長刀具與蒙套的清潔時(shí)間，減少蒙套結(jié)塊積粉量，提升設(shè)備涂敷穩(wěn)定性。

1.3 清潔機(jī)構(gòu)總體規(guī)劃、設(shè)計(jì)

根據(jù)蒙套清潔要求和工藝分析，清潔機(jī)構(gòu)設(shè)置在拆蒙套機(jī)構(gòu)處，對接拆蒙套機(jī)構(gòu)的蒙套流出點(diǎn)。此處設(shè)置了用于蒙套橫移的移栽機(jī)械手，在移栽機(jī)械手中設(shè)置了蒙套限位、定位機(jī)構(gòu)以及清潔回收機(jī)構(gòu)。同時(shí)，為了使蒙套可以順利移栽，清潔回收裝置設(shè)計(jì)成可前后移動(dòng)，清潔刀具根據(jù)蒙套形狀進(jìn)行仿形設(shè)計(jì)，具體如圖2 所示。

圖2 清潔機(jī)構(gòu)總體布局

2 清潔機(jī)構(gòu)動(dòng)作流程分析設(shè)計(jì)

根據(jù)前序拆蒙套機(jī)構(gòu)的蒙套出料方式，結(jié)合生產(chǎn)節(jié)拍的要求，對清潔機(jī)構(gòu)動(dòng)作和流程進(jìn)行綜合分析、設(shè)計(jì)。清潔機(jī)構(gòu)采用Y、Z兩軸機(jī)械手取料，限位、定位機(jī)構(gòu)對蒙套進(jìn)行定位，清潔回收機(jī)構(gòu)前移進(jìn)行蒙套清潔。完成清潔的蒙套由機(jī)械手移出清潔機(jī)構(gòu)，流入涂覆設(shè)備前端工位進(jìn)行蒙套循環(huán)使用。

具體清潔機(jī)構(gòu)的動(dòng)作流程設(shè)計(jì)：

步驟1，前序拆蒙套機(jī)構(gòu)拆除蒙套與轉(zhuǎn)子，將蒙套移動(dòng)到清潔機(jī)構(gòu)取料位；

步驟2，移栽機(jī)械手下壓，使蒙套進(jìn)入機(jī)械手取料槽；

步驟3，機(jī)械手將蒙套移動(dòng)至清潔工位；

步驟4，限位、定位機(jī)構(gòu)定位蒙套；

步驟5，機(jī)械手二次下壓機(jī)構(gòu)下壓，將蒙套完全壓緊；

步驟6，清潔、回收機(jī)構(gòu)前移，蒙套端面及斜面進(jìn)入清潔回收機(jī)構(gòu)；

步驟7，旋轉(zhuǎn)的仿形刀具壓緊到位；

步驟8，清除蒙套端面及斜面黏結(jié)的粉末，由集塵器回收；

步驟9，刀具清潔完成，清潔回收機(jī)構(gòu)后退；

步驟10，蒙套定位機(jī)構(gòu)壓緊釋放，機(jī)械手將蒙套移動(dòng)到二次清潔位置；

步驟11，清潔回收機(jī)構(gòu)重復(fù)步驟4 ～6，對蒙套進(jìn)行二次清潔；

步驟12，二次清潔完成，清潔回收機(jī)構(gòu)后退；

步驟13，蒙套定位機(jī)構(gòu)壓緊釋放，機(jī)械手移動(dòng)，蒙套流入涂覆設(shè)備前端工位循環(huán)使用。

3 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)蒙套清潔工藝、設(shè)備方案及動(dòng)作流程規(guī)劃，對設(shè)備涉及的關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)蒙套的在線自動(dòng)清潔。

3.1 移栽機(jī)械手

根據(jù)清潔機(jī)構(gòu)動(dòng)作流程和功能要求，移栽機(jī)械手主要包括Y、Z軸氣動(dòng)機(jī)械手、二次壓緊機(jī)構(gòu)和浮動(dòng)壓頭3 個(gè)主要機(jī)構(gòu)，布局如圖3 所示[6]。

圖3 移栽機(jī)械手

3.1.1Y、Z軸氣動(dòng)機(jī)械手

根據(jù)設(shè)備動(dòng)作流程，機(jī)械手有Y、Z兩軸的動(dòng)作，都是點(diǎn)對點(diǎn)的位置移動(dòng)。Y、Z軸分別用氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，Y軸移動(dòng)距離較長，采用HIWIN 直線導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，避免Y軸驅(qū)氣缸在垂直方向上受力。Z軸由于安裝空間受限，采用雙導(dǎo)軌氣缸驅(qū)動(dòng)，同時(shí)提供導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)力功能。Y、Z軸兩側(cè)均配置液壓緩沖器，減少到位時(shí)的動(dòng)作沖擊，提高機(jī)構(gòu)快速移動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。

滑臺及Z軸上的物料質(zhì)量約為10 kg，滑臺移動(dòng)速度為300 m·s-1，移動(dòng)行程為180 mm。結(jié)合安裝位置，Y軸驅(qū)動(dòng)選用鋼缸徑為18 mm、行程為200 mm 的無桿氣缸。根據(jù)Z軸移動(dòng)行程，Z軸氣缸同時(shí)用于導(dǎo)向。Z軸氣缸選用缸徑為32 mm、行程為50 mm 的氣缸。

3.1.2 二次壓緊機(jī)構(gòu)

在蒙套清潔時(shí)，仿形刀具會(huì)快速切削黏附在蒙套上的結(jié)塊涂敷粉，產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)力矩。為克服該力矩，防止蒙套在清潔時(shí)旋轉(zhuǎn)，移栽機(jī)械手的Z軸上設(shè)置了二次壓緊機(jī)構(gòu)。當(dāng)蒙套清潔完成需要移動(dòng)時(shí)，二次壓緊機(jī)構(gòu)伸出，Z軸氣缸下降行程變短，蒙套壓緊解除，使得蒙套可以隨移栽機(jī)械手進(jìn)行移動(dòng)。

二次壓緊采用氣缸驅(qū)動(dòng)，缸徑為40 mm，比Z軸氣缸大。當(dāng)蒙套在移栽過程中無須完全壓緊時(shí)，二次壓緊氣缸伸出，Z軸氣缸行程變短，蒙套有一定的間隙。當(dāng)蒙套在移栽過程中需完全壓緊時(shí)，壓緊氣缸收回，Z軸氣缸完全壓緊蒙套，此時(shí)進(jìn)行蒙套清潔，防止蒙套旋轉(zhuǎn)。二次壓緊氣缸裝在Z軸雙導(dǎo)桿氣缸尾部，并在導(dǎo)桿尾部設(shè)置安裝支架，具體如圖4 所示。

圖4 二次壓緊機(jī)構(gòu)

3.1.3 浮動(dòng)壓頭

根據(jù)工藝節(jié)拍分析，蒙套清潔機(jī)構(gòu)采用雙工位的方式進(jìn)行蒙套清潔。清潔工位分為刀具清潔和毛刷清潔兩種方式，加上蒙套取料工位，移栽機(jī)械手上共有3 組6 個(gè)浮動(dòng)壓頭[7]。在壓塊、蒙套等零件加工過程中，零件存在公差。移栽機(jī)構(gòu)設(shè)置了浮動(dòng)壓頭，通過在壓頭內(nèi)部設(shè)置彈性結(jié)構(gòu)，消除因零件加工公差而導(dǎo)致蒙套清潔時(shí)無法完全壓緊等現(xiàn)象，確保清潔刀具與蒙套有效接觸，保持清潔效果穩(wěn)定。彈性結(jié)構(gòu)內(nèi)置導(dǎo)向柱和蝶形彈簧，彈性行程為1 mm，用于消除加工公差，具體如圖5 所示。

圖5 浮動(dòng)壓頭

3.2 定位、限位機(jī)構(gòu)

蒙套的清潔過程采用全自動(dòng)運(yùn)行方式，因此在蒙套移動(dòng)和清潔過程中，蒙套需要始終處于定位、限位狀態(tài)，以免蒙套脫離特定位置，造成機(jī)構(gòu)卡機(jī)，進(jìn)而影響設(shè)備運(yùn)行。根據(jù)動(dòng)作要求，設(shè)置了導(dǎo)向板和彈性定位組件，具體如圖6 所示。

圖6 定位、限位機(jī)構(gòu)

3.2.1 導(dǎo)向板

在蒙套移動(dòng)過程中設(shè)置了導(dǎo)向板，使蒙套在導(dǎo)向板上移動(dòng)。在清潔工位處，每個(gè)蒙套停留位設(shè)置限位槽，確保蒙套位置可控。導(dǎo)向板表面采用了拋光工藝，可減少蒙套移動(dòng)過程中的磨損。

3.2.2 彈性定位組件

在蒙套清潔過程中，仿形刀具與蒙套端面、斜面均為剛性接觸，在壓緊前依靠導(dǎo)向板一側(cè)進(jìn)行定位，確保被定位的蒙套端面、斜面位置相對一致。在蒙套等零件加工過程中，零件存在公差范圍。因此，定位組件上要設(shè)置彈性撥片，消除因零件加工公差而導(dǎo)致的蒙套定位偏差等現(xiàn)象，確保清潔效果穩(wěn)定。

彈性定位組件由撥片、扭簧、旋轉(zhuǎn)軸以及驅(qū)動(dòng)氣缸等構(gòu)成。根據(jù)蒙套的重量調(diào)整行程量，選擇扭簧的直徑和旋轉(zhuǎn)角度。用扭簧壓緊撥片，使撥片在定位蒙套時(shí)依靠扭簧的彈性消除蒙套的公差范圍。蒙套與導(dǎo)向板靠邊貼緊，不應(yīng)存在虛位。

3.3 清潔、回收機(jī)構(gòu)

3.3.1 清潔機(jī)構(gòu)

根據(jù)工藝及節(jié)拍要求，蒙套清潔機(jī)構(gòu)采用雙工位結(jié)構(gòu)，即每次同時(shí)清潔2 個(gè)蒙套。清潔機(jī)構(gòu)分為刀具清潔區(qū)和毛刷清潔區(qū)，具體如圖7 所示。

圖7 清潔機(jī)構(gòu)

清潔機(jī)構(gòu)通過氣缸驅(qū)動(dòng)完成前進(jìn)、后退動(dòng)作。當(dāng)移栽機(jī)構(gòu)將蒙套輸送至清潔區(qū)時(shí)，氣缸前移執(zhí)行蒙套清潔動(dòng)作。清潔完成后清潔機(jī)構(gòu)后退，移栽機(jī)械手將蒙套輸送至后序工位。清潔機(jī)構(gòu)刀具和毛刷采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過同步帶、同步輪將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到刀具、毛刷的安裝軸上，實(shí)現(xiàn)三者同步旋轉(zhuǎn)，為刀具、毛刷提供蒙套清潔旋轉(zhuǎn)動(dòng)力[8]。

清潔機(jī)構(gòu)分為刀具清潔區(qū)和毛刷清潔區(qū)。刀具清潔區(qū)主要通過仿形刀具與蒙套的接觸，快速清除蒙套上的粉末，完成約95%的清潔工作。毛刷清潔區(qū)主要通過非金屬毛刷與蒙套的接觸，對蒙套上經(jīng)刀具清潔后部分已經(jīng)松動(dòng)的殘留粉末進(jìn)行二次清潔。

3.3.2 粉塵回收機(jī)構(gòu)

粉塵是蒙套清潔過程中產(chǎn)生的物質(zhì)。蒙套進(jìn)入清潔區(qū)時(shí)，涂敷粉末大部分已經(jīng)結(jié)塊，清潔時(shí)會(huì)產(chǎn)生塊狀粉塵和顆粒粉塵。當(dāng)粉塵濃度達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生爆炸風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，塊狀粉塵長時(shí)間累積會(huì)影響刀具和毛刷旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)，因此清潔機(jī)構(gòu)的安全性和粉塵回收設(shè)計(jì)是重中之重。

清潔機(jī)構(gòu)中，刀具清潔區(qū)和毛刷清潔區(qū)采用相對封閉的設(shè)計(jì)方式。前端僅留蒙套端面及斜面的進(jìn)出孔，尺寸比蒙套頭部尺寸每邊大2 mm。蒙套進(jìn)入清潔區(qū)后，會(huì)形成一個(gè)2 mm 的空隙透氣環(huán)。刀具、毛刷清潔區(qū)底部設(shè)置了斜面和用于駁接回收管道的孔。清除的粉末通過斜面進(jìn)入回收孔。

粉塵回收機(jī)構(gòu)配置了防爆型工業(yè)吸塵器，并將吸塵器的吸風(fēng)口與清潔區(qū)回收管道口連接如圖8 所示。吸塵器工作時(shí)，刀具清潔區(qū)和毛刷清潔區(qū)內(nèi)腔形成負(fù)壓，外部空氣通過透氣環(huán)進(jìn)入內(nèi)腔，將清潔過程產(chǎn)生的粉塵快速回收至吸塵器，以解決工作區(qū)域的粉塵濃度、粉塵累積問題。粉塵經(jīng)吸塵器過濾達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后，可直接排放到空氣中。

圖8 粉塵回收機(jī)構(gòu)

3.4 仿形刀具

刀具的設(shè)計(jì)直接影響清潔效果。刀刃與蒙套貼合越好，清潔效果越明顯。根據(jù)蒙套端面、斜面的形狀和尺寸，刀具采用仿形設(shè)計(jì)，端面、斜面采用分體式刀刃設(shè)計(jì)。為消除蒙套加工公差，刀頭采用浮動(dòng)設(shè)計(jì)。在仿形刀具的尾部設(shè)置彈簧，并預(yù)留一定的浮動(dòng)行程。刀具采用65Mn 材料，并進(jìn)行熱處理使其洛氏硬度保持在50 ～55，同時(shí)保持刃口鋒利，具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 仿形刀具

4 結(jié)語

蒙套自動(dòng)清潔機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)蒙套的在線自動(dòng)清潔，自動(dòng)化程度高，清潔效果良好。該機(jī)構(gòu)目前已經(jīng)研發(fā)成功并集成在全自動(dòng)涂覆產(chǎn)線上，在終端用戶工廠投入實(shí)際生產(chǎn)，效果顯著。蒙套離線清潔由原先的每半個(gè)月清潔一次延長為每4 ～5 個(gè)月清潔一次。清潔機(jī)構(gòu)的投入使用，極大地減少了蒙套粉塵黏結(jié)，降低了設(shè)備維保工作強(qiáng)度，對提高設(shè)備的利用率和涂覆質(zhì)量的穩(wěn)定性有積極作用。