电机转子抛光机结构与电气系统设计

朱海燕, 张今朝, 邬伟奇, 雷晓钧

(1. 嘉兴学院 机电工程学院, 浙江 嘉兴 314001； 2. 中国电子科技集团公司第三十六研究所, 浙江 嘉兴 314001)

电机转子抛光机结构与电气系统设计

朱海燕1, 张今朝1, 邬伟奇2, 雷晓钧1

(1. 嘉兴学院 机电工程学院, 浙江 嘉兴 314001； 2. 中国电子科技集团公司第三十六研究所, 浙江 嘉兴 314001)

针对电机转子加工工艺质量的要求,设计了一套小型转子抛光机和电气系统。该抛光机还增加了抛光仓和除尘结构设计,消除了加工作业时对环境的污染,引用移动夹具有效地保证了生产过程中的操作安全,最后给出PLC控制系统设计流程,为工程实践作好充分准备。

机械设计； 转子抛光； 电气控制

电机作为重要的电力传动核心部件,被广泛应用于机器人、数控机床、电梯曳引及门机系统、生产制造自动化流水线等领域。电能消耗中,电机的耗电量占全部工业用电的70%[1],因此,提高电机效率可以有效地节约电能。相同输出功率条件下,高效电机能耗比普通电机减少20%～30%[2]。影响电机效率的因素之一是转子的加工工艺[3]。生产过程中,由于浇铸模具的接缝、制造过程的影响都会导致转子表面凹凸不平,不仅会划伤装配人员,严重的会损坏定子绕组,引起漏电和扫膛等安全事故,也严重影响电机的使用效率[4]。

对转子的打磨和抛光很大程度上保障了电机的使用寿命和使用效率。常见的转子后期加工方式为车削和砂带打磨方式[5]。车削适合于大多数圆形工件的形状矫正和平衡校验,但车削难以让转子加工至光滑,还容易产生不良件,误差直接影响气隙。砂带打磨常见于大型的自动化生产线,抛光碎屑会影响打磨砂带,使打磨工作无法正常进行[6-7]。

传统的加工机械以人工操作简单机械为主,电气控制由继电器控制系统来完成。优点是结构简单、价格低廉,应用在许多简单的机械设备中。缺点是灵活性差、逻辑能力低。另外连接线较多且复杂,可靠性较差。

针对以上问题,设计了一款三相异步电机鼠笼式转子抛光机控制系统,以提高电机转子后期加工质量为目的,在操作安全、环境保护、自动化程度、产品优良率控制等方面有了改善和提高。

1 抛光机结构和功能分析

抛光机的总体结构如图1所示,主要由转子夹具及滑轨、光幕及加工仓门、抛光电机及抛光刷、抛光滑台、抛光压力调节设备、吸尘器、加工仓门气缸、电气控制柜等附属机构(如各种开关)等组成。

图1 转子抛光机结构

转子抛光机工作原理如图2所示。使用2个抛光轮(钢丝轮)1对转子上下集电环进行抛光,抛光轮3沿着箭头4指示的方向运动,抛光轮3的移动次数在触摸屏中自定义。

图2 转子抛光机工作原理

钢丝轮是该抛光机的重要部件,同时也是该抛光机的易耗品,钢丝划过时,附着在金属的杂质被划开一个小坑,钢丝接着划过被抛光部分,附着的杂质就会被剥离。硅钢片是冲压成型的,有规整的外形尺寸和较为光滑的冲压面。高速转动的钢丝轮削去大量的铝,由于硅钢片的保护作用,钢丝只削去的突出的多余铝。

抛光时,首先需要人工将需要抛光的转子放置于夹具上,然后,通过电气控制滑轨将转子送入加工仓内,根据行程开关设置转子抛光位置,调节抛光滑台,进行抛光压力调节,启动抛光电机,钢丝轮转动带动抛光刷进行转子外表面抛光。

抛光过程中,高速飞出的金属可能刺伤作业员或者影响其他设备正常运行。为了防止抛光杂物带来的影响,抛光作业必须在抛光仓(加工仓)中进行,抛光仓是一个带门的空腔,门的作用是为夹具承载和转子进出。抛光作业时,产生的金属灰尘和大块杂物被限制在抛光仓中,大块的杂物和堆积的金属灰尘落到抛光仓底部的废料仓中,漂浮在空气中的小颗粒金属灰尘随着空气进入抛光仓连接的吸尘器中[8]。抛光机配有一台工业吸尘器,吸尘器为0.75 kW,处理风速为800 m/s,该吸尘器将带有金属灰尘的气体回收,经过2次过滤后将干净的气体从顶部排出。小颗粒的金属灰尘被集中做净化处理,保证工作场所环境清洁。

该抛光机使用0.75 kW的四级电机作为抛光的动力,电机转速为2 800 r/min,抛光轮直径为18 cm,故线速度为8.4 m/s。

为了使抛光仓有良好的安全保护作用,还需加上光幕来检测被加工转子的进出,对设备的稳定运行具有重要意义。基于上述原理设计的电机转子抛光机,实物图见图3。

图3 电机转子抛光机实物图

2 电气控制系统分析

一个完整的自动化控制系统方案,不仅要充分考虑使用者对产品功能的需求,还要分析使用场合、干扰因素、操作、调试等方面的指标,以最稳定的运行状态实现最方便的操作方式。针对电机转子抛光机结构较多、各结构组成复杂且需要逻辑判断的要求，该抛光机为半自动抛光设备,抛光过程中需要人工参与上下料。抛光机的工作流程见图4。

图4 抛光机基本控制流程图

抛光机的基本控制要求中,操作人员主要负责换装被加工转子,转子装夹后操作者只需要按下开始按钮,抛光机就会自动执行抛光任务,抛光完成后将转子退出,等待换料。抛光机的工作为单周期循环模式,单周期运行结束后系统自动等待装夹料,故该控制系统中无停止按钮,但有急停按钮对应突发的事故。

为了减小意外情况带来的伤害,抛光机中必须设有急停按钮。急停按钮设置在最易操作的地方,当危险发生时,通过急停按钮停止抛光机运转,减小危险造成的损失。急停按钮是蘑菇头按钮,安装后高于其他按钮,避免了紧急情况时的误操作,开关只需按下就会切断电路,接通时需顺时针方向旋转大约45°后松开。为了增加系统可靠性和减少误操作,系统的开始按钮为双重触发串联控制。只有当两个按钮同时按下时才能启动程序,此方式减少了外界干扰造成的误动作。

3 电气接线设计

根据抛光机的结构和基本控制要求绘出的电气主接线图见图5。电气控制主接线是设备的电源回路,主要为执行机构的电源配置线路,主回路接线可以简单清晰地了解电气的执行元件、输出容量和保护装置等,电气主接线是配置开关元件的重要参考。根据主回路接线和基本控制要求绘制控制部分回路图。

图6为电机转子抛光机控制回路接线图。控制电路接线图是控制中心和各输入输出元件的耦合依据,是制作控制电气柜的重要依据。绘制控制回路接线图需要充分考虑个元件的工作状态,电源电压、输出类型等方面的要求直接影响了控制的中间器件。信号电压不同时可能需要添加中间继电器；输出电流不够时需要中间继电器；工作环境较差时需要固态继电器；传感器信号要共地等。控制回路接线图中各线路应有不重复的编号,用于配置电气控制柜的参考依据和检修的标准。图7为电气控制柜制作情况。

4 PLC系统设计

设计PLC系统时,需要注意“最佳配置”。本系统选择了三菱Fx1s,其优势在于离散控制和运动控制[9-10],有丰富的控制指令,还有专门用于运动控制的定位指令,伺服和步进控制方便实现,三菱PLC可运用在复杂的运动控制中[11-13]。

通过对抛光机工作过程分析,确定PLC参数。输入元件有按钮、磁性开关、行程开关、光幕,无高速信号,输入元件无特殊要求。输出元件有继电器、接触器、电磁阀和步进电机,步进电机使用脉冲法控制,需要高速输出,选择输出类型时需要有高速脉冲输出。涉及和触摸屏的单一连接,触摸屏的连接使用通信口,故需要有通信接口。

图5 电机转子抛光机主接线图

图6 电机转子抛光机控制回路接线图

图7 电气控制柜接线

由于该抛光机属于顺序执行机械,系统突然断电会丢失PLC寄存器、计数器、软元件的值。下次开机时,PLC控制器将其内部值重新定义,即为初始状态。为了避免突然断电对设备带来的影响,该抛光机使用断电保持功能。为了保证抛光机的使用安全和可靠性,在机器上电时需要将系统归位,即判断各部件是否在初始位置,若不在初始位置则将各部件归位到最初位置。

PLC控制系统设计流程图见图8。编写程序要尽量满足系统的稳定性,满足系统稳定性后要最大限度地简化程序,特别注意程序的安全保护:急停装置、互锁保护、防误操作等。

图8 PLC控制系统设计流程图

References)

[1] 张金富.国内外电机系统能效标准的研究[J].机电技术,2013(6):82-84.

[2] 赵光连,王龙生.高效节能电机节能效果分析及推广前景[J].科技视界,2013(24):254.

[3] 杜胜宝, 周卫东,周焕军.基于曲轴专用机床的350 MW 电机转子加工工艺[J].上海电机学院学报,2011,14(2):133-136.

[4] 耿友军.浅谈高温高压力屏蔽电机的制造工艺[J].上海大中型电机,2013(2):7-9.

[5] 王敏.滚切刀在电动机转子切削加工中的应用[J].精密制造与自动化,2011(2):53-54.

[6] 李洪有,李志新.铜条转子外径非切割加工工艺应用[J].防爆电机,2013(4):57-59.

[7] 刘玉斌.带径向通风孔的铸铝转子外圆车削方法的探讨[J].机械制造,2013(4):43-44.

[8] 余盛兵,吴飞涯.抛光机吸尘罩的优化设计[J].轻工机械,2013(6):78-83.

[9] 秦春斌,张继伟.PLC基础及运用教程:三菱FX2N系列[M].北京:机械工业出版社,2010.

[10] 赵媛媛,陈启明,丁惠忠.基于PLC的小型抛光机控制系统设计[J].设计与运用,2014(7):277.

[11] 王亚进,沙健,李志梅.基于三菱PLC的实训系统设计与开发[J].机电工程技术,2013,42(4):69-72.

[12] 杨良根.PLC在抛光机气动系统中的运用[J].液压与气动,2011(4):47-49.

[13] 任德志,何思松,徐莉萍,等.基于PLC 的气动扣合机控制系统设计[J].制造业自动化,2008(10):86-88.

Design of electrical system and structure for motor rotor polishing machine

Zhu Haiyan1, Zhang Jinzhao1, Wu Weiqi2, Lei Xiaojun1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering，Jiaxing University，Jiaxing 314001，China；2. Thirty-sixth Research Institute, China Electronic Technology Group Corporation，Jiaxing 314001，China)

Based on the requirements for the quality of processing technology of the motor rotor, a small polishing rotor machine and its electrical system are designed. In addition, a polishing chamber is added to this polishing machine, and a dust removing structure is designed so that the environmental pollution during the processing operation can be eliminated. A mobile clamp is introduced which can effectively ensure the operation safety in the production process. Finally, the design flow of PLC control system is presented in order to be fully prepared for the engineering practice.

mechanical design； rotor polishing； electrical control

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.022

2016-08-17 修改日期：2016-09-13

浙江省科技厅公益性项目(2015C31055)；浙江省教育厅项目(Y201534544)；嘉兴市科技局项目(2014AY11007)

朱海燕(1971—)，女，安徽明光，学士，实验师，主要从事机械设计及设备管理研究.

E-mail：zjzb05@163.com

TM34

: A

: 1002-4956(2016)12-0085-05