一种电机轴伸套膜机的研究和设计

高章育， 房海英

（无锡信捷电气股份有限公司， 江苏 无锡 214000）

0 引言

电机轴伸是电机轴暴露在整机一端部分， 也是电机的重要外连接部位之一。 材质常为调质45#、40Cr 等，此位置尺寸精度与表面光洁度要求都很高， 一般很少化学类防锈工艺处理，成本较高，容易改变轴伸尺寸公差，因此常采用物料处理方式，例如：浸油、涂覆机油、凡士林。 为了保证电机在库存到使用期间，轴伸不锈蚀，采用了防锈措施。 一般采用涂抹润滑脂，使得表面与腐蚀介质不接触，从而实现防腐，但是在后续包装运输过程中容易刮蹭掉，所以会在轴伸位置套上塑封膜。目前为手工套膜，再用橡皮筋捆扎，来避免刮蹭掉润滑脂。 由于在市场化的今天，电机需求量大，因此占用了太多人工，容易使劳动者的疲劳。 因此急需一种自动化设备代替人工完成此工作[1]。

通过研究包装机械设备， 借鉴饮料标签套标机的工作原理，优化结构，开发了一款全自动电机轴伸套膜机，实现自动化切膜，套膜，并通过热收缩的方式，使膜包裹在轴伸位置，代替人工劳作。

1 研究对象、功能与要求

本次以本公司生产的伺服电机为研究对象。 为了便于研究， 选取80 伺服电机型号， 轴伸套膜， 轴外径Φ19mm，标准款轴伸长度30mm，材质为40Cr。 电机轴伸自动套膜机装置，以自动送膜，自动定长度，自动切膜，自动输送电机，自动调节高度等五项主要功能。 电机轴伸自动套膜机设计的要求需满足： ①确保与现存包装设备衔接流畅；②结构设计可靠稳定，套膜效果满足生产工艺指标；③实现标准模块化设计，生产效率满足本公司要求；④结构设计合理紧凑，造型美观，占地面积小[2]。

2 技术方案设计

2.1 工艺分析[3]

经过研究分析，为提高来料储存量以及使用效率，采用对折卷料， 外径可达350～400mm， 长度可达500～600m，可套12000～15000 个电机轴。以目前单条线的生产效率每班500 台，每日两班，可实现将近两周膜使用量，极大提高了效率。

套膜机基本功能：①自动送膜；②自动膜撑圆；③自动定长度；④自动切膜；⑤自动输送电机至套膜位置；⑥套膜机自动升降，可实现适用不同长度规格电机。

套膜机的有多种方式可以实现， 根据膜的输送方向可分为立式和卧式；根据输送膜的运动方式，可分为旋转式和直线式； 按套膜方法可分为直接套膜法和间接套膜法（引用法）。 但全部包括膜供应、膜输送（包括标准膜的自动撑开）、膜切割和套膜盖工作；确保膜顺利准确插入电机轴伸出位置的关键技术之一。

2.2 总体工作原理[4]

总体工作原理，见图1。

图1 结构原理简图

（1）卷膜机构：由PLC 控制变频器带动供料电机旋转，用以传送电机轴膜料。

（2）膜涨紧机构：膜料卷送膜至膜涨紧机构，使膜暂存，等待下膜机构送走。

截至2017年底，在电力、石油、天然气、民航、电信、军工等重点领域，已有3批50家国有企业成为国家混合所有制改革试点单位，超过2/3央企的各级企业实现国有资本和社会资本在产权层面的混合，开展了混合所有制改革。其中，2017年中央企业新增混合所有制企业户数超过700户，通过资本市场引入社会资本超过3386亿元。数据还显示，目前实施混合所有制改革的央企和国有企业中，子公司的层级越低，混合程度越高。

（3）电眼支架机构：使用光纤电眼传送信号，提供给下膜机构做定尺寸输送，电眼位置可调整。

（4）下膜机构：采用单驱送料机构，由下膜伺服电机驱动。 用于固定中心柱和下膜动力传动。

（5）切膜刀盘机构：采用同步带轮机构，由伺服电机驱动，当进电机检测位置光电给出信号时，切膜电机带动刀片旋转一周将膜切断。

（6）套膜机构：采用同步夹紧装置及上下升降调整机构，将套膜传送轮调整至中心柱下方与滚轮轻微接触，待标签通过时以较高转速将膜套入电机轴伸处。

（7）检测电机电眼：检测是否有电机在套膜位置，当有电机时输出信号使切刀开始旋转。

（8）倍速链输送：使用变频器调倍速链速度，以适用于各产能的速度匹配。

2.3 工作流程[5]

当倍速链载具上有电机输送至套膜位置时， 经过检测电机电眼时，下膜伺服电机动作，驱动送膜，等定长光纤电眼传送信号，下膜伺服电机停止送膜，由伺服控制的切膜电机会将膜切断， 切膜完成后套膜伺服电机开始动作，同时套膜轮会将已经切断的膜刷下套入电机轴伸上，完成一次动作。 具体工艺流程如图2 所示。

图2 工艺流程图

3 主要机构设计

3.1 整机设计

整机设计见图3。

图3 主机结构

3.2 刀盘组

刀盘组见图4。套膜机刀盘组， 包括底座、 皮带组、 多个刀片单元和多个传动单元，内置刀片，以皮带串联方式及电机驱动结构，对收缩膜做裁切动作。

图4 刀盘组

3.3 升降组件

升降组件见图5。全机采用铝合金及304 不锈钢材质， 用于支撑主机。包括手柄、传动轴、传动机构、滑动导轨、螺杆、主机本体等。

图5 升降组件

3.4 驱动组

驱动组见图6。采用单组或双组机构式同步伺服马达控制，使收缩膜能固定尺寸输送。 包含驱动私服电机驱动组件，左、右送标轮组，反旋向的螺旋齿轮组件等。

图6 驱动组

3.5 中心柱[6]

中心柱见图7。将轴伸膜料套入撑开，使膜料得以传送与裁切。包含导向板，中间导柱组件，下尾导柱组件。

图7 中心柱

3.6 电眼架组

电眼架组见图8。 使用光纤电眼传送信号，提供控制系统做定尺寸输送，电眼位置高低调整，确定刀盘内的刀片裁切位置。 包含检测光电， 导向滚轮，调节升级杆组件，以及固定支架。

图8 电眼架组

3.7 套膜组

套膜组见图9。 采用同步调整机构， 将刷下两组传送轮调整至中心柱下方滚轮轻微接触， 待标签通过时以较高转速将标签套入瓶子。 包含驱动私服电机，夹紧套膜轮，升降调节，皮带轮组件，固定支架等。

图9 套膜组

3.8 卷膜组件

卷膜组件见图10。 膜卷组件是用于套膜机的膜料架机构， 设置于升降组件上，包括转盘，转轴，支架，电机等。 两片转盘夹着膜卷，套在轴上，通过两个锥形套夹紧转盘膜卷， 锥套上固定紧定螺钉，可用于调节膜卷。当电机转到时，带动膜卷释放膜，膜张紧装置收纳释放出来的膜， 保持膜的整齐。

图10 卷膜组件

3.9 倍速链输送

倍速链系统见图11。 倍速链使用变频器调整输送带速度，以适用于产能的速度相匹配。

图11 倍速链系统

3.10 张紧组件

张紧组件见图12。 由控制膜送料张力的拉近装置与膜转向定位的电眼架组上方的料架组所组成，用以传送膜料。 过调节弹簧行程和改变摩擦力，控制转盘部件的自由旋转阻力，使标签在拉动时不会堆叠， 标签也不会受到过大的张力，从而导致拉伸变形等问题[7]。

图12 涨紧组件

4 控制电路的设计[8-9]

4.1 主控方案分析

经过分析本系统需要四路高速脉冲输出，分别控制切膜电机和下膜伺服电机， 套膜伺服电机，升降伺服电机： 其中一路高速脉冲，用于控制切刀停止的位置，确保切刀停止位置准确， 应不影响下标的动作，否则会造成堵标；其中一路高速脉冲，用于下膜伺服点控制，确保下膜尺寸精准；其中一路高速脉冲，用于升降电机，确保升降位置精确调整；其中一路高速脉冲， 用于控制套膜电机，套膜精度高。

本项目中设备的I/O 清单如表1 所示。

表1 设备I/O 清单

4.2 控制系统原理设计

HMI 通 过RS－232 接口连接到PLC，4GBOX 通信 模块 通 过RS－485 接口与PLC 连接；PLC 本体和测量扩展模块都采用AC220V 供电，HMI 和4GBOX 采用DC24V供电。 见图13。

图13 控制系统原理

5 软件系统设计[9-10]

5.1 运动控制配置

本次采用本公司生产XD5-24T4-C，集成4路100kHz 高速脉冲输出， 可以直接控制伺服驱动器。 在本系统中切刀伺服占用Q0.0， 下膜伺服占用Q0.1， 套膜伺服占用Q0.2， 升降伺服占用Q0.3。 打开XDPPro V3.7.16a 集成的运动控制，PLSR指令集多种脉冲输出模式，配置轴1，轴2，轴3，轴4，选择相对脉冲，配置相应的脉冲频率/速度，脉冲个数/当量，最大速度80kHz， 最小速度10KHz，加减速时间30ms，然后生成子程序。

5.2 高速计数配置

XD5-24T4-C 集成了4 路高速计数器， 在此次系统中使用了高速计数器HSC0 和HSC2 输入模式， 用于接收下膜和切刀的脉冲输出， 占用输入点I0.0 和I0.3，I0.6，I0.11。打开XDPPro V3.7.16a 集成的HSC 向导，选择单项100 段高速计数，配置HSC0，比较值D10，选择寄存地址HD0，配置设定值为10000，当前值为0，勾选相对，段数1，然后确定。 当光电检测到电机到位，下膜伺服启动后，光纤反馈预定值， 利用光纤反馈中断高速计数器HSC0 的当前值和设定值，同时启动切刀伺服。当切刀伺服启动后检测到刀盘原点光电时， 利用外部中断快速更新高速计数器HSC2 的当前值和目标值， 目标值等于当前值加上偏置值。 中断时停止脉冲输出。

5.3 MODBUS-RTU 通信

XD5-24T4-C 自带MODBUS-RTU 通信协议，作为工业通信的标准协议，现场使用非常广泛，以太网机型集成了MODBUS-RTU 协议， 包括服务器与客户端。 只需添加MODBUS-RTU 连接配置信捷VB5N 变频器以及信捷服驱动器的IP 地址，包括设置时需确保两端通信参数波特率，对数据进行校验，串行协议奇偶校验，激活的所需要通信的变频器个数， 所使用的端口等， 通信参数必须与变频器设置的一致，确保通讯顺畅。

5.4 信捷VB5N 变频器的配置

为了保证卷膜和倍速链输送电机的变频器与PLC的通信，需要对VB5N 变频器参数设定。卷膜电机变频器本机地址P3.10 设为1， 倍速链输送电机变频器本机地址P3.10 设为2。变频器的频率给定通道P0.01 均设置为4，变频器的频率为数字给定，由串行口给定，运行命令通道选择P0.03 均设置为2， 运行命令通道为串行口运行命令通道； 变频器的通信配置P3.09 均设置为054，通信波特率为19200bps，数据格式为1-8-1 格式，奇校验。

5.5 信捷DS5C 伺服驱动器的配置

为了快速响应， 本次伺服驱动器采用485 总线连接PLC，使用MODBUS-RTU 通信协议与PLC 通信，在PLC程序中， 需要使用MODBUS-RTU 通信指令来读取或写入驱动器的寄存器数据。

5.6 人机界面[11]

PLC 与 信捷TouchWin 触摸屏型号为TG765－XT－C HMI，采用MODBUS-RTU 协议通信，设置时需确保两端通信参数波特率、奇偶校验位、停止位一致， 即可成功通信。

为本机控制操作点， 各操作显示页区分为手动、自动、设定、异常显示等，另辅助几只旋钮，押钮用以操作套卷膜作业。 本套膜机操作装置为触摸屏控操作式人机介面为主，并加以数个外部辅助传统开关装置下方所构成，机器所有功能的选择状态、显示等讯息，均可藉由此一装置之各显示页所设计的功能达成，简明易懂，具有良好的亲和性。

5.7 主功能介绍

（1）开关功能选择：①电源：主电源开关；②紧急停止：在非正常情况下所使用。

（2）手动操作：①送膜电机：以控制送膜料盘动作；②切刀：完成送料至套标的切断动作；③倍速链控制：自动控制电机输送启停；④主机高度升／降：由人机界面控制主机的升降，以达到对应电机套膜的高度。

（3）自动模式：开启自动运行模式。

（4）参数设定：①产品计数量：计数量最大为：9999999；②膜长度设定：在定膜长功能时，设定标签之长度。

（5）辅助功能介绍：①紧急停止：在异常时，紧急停止运行程序；②倍速链速度调整钮：控制倍速链的速度；③膜卷速度调整钮：控制放膜的速度；④警报解除：本机器控制系统以三色灯号、界面屏幕文字显示两种方式组合而成的警报讯息；⑤三色灯号：红、黄、绿三色灯由上而下排列在主机右后上方，代表的状态意义如下面所述：红灯：表示主机异常。 黄灯：表示黄灯常亮时，为无异常手动状态、黄灯闪烁时，表示膜缺料。 绿灯：表示自动状态，无异常。

6 结束语

为了更好实现电机轴伸的自动化套膜， 设计的这套全自动套膜机，具有几个特征：①结构简单、设计合理、运行成本低、套膜运行平稳、便于操作和使用、同时也容易对接其他工位等；②通过套膜机原理分析，使用三维设计仿真设计，方便快捷的设计出整机；③使用本公司的成套智能控制系统， 通过MODBUS-RTU 通信协议连接各个终端通信， 也提升了国产电控系统应用； ④通过人机界面自动调整高度，可实现不同高度电机的自动套膜。

完成套膜工序后，后序再配套电热收缩机，可使轴伸膜很好的收缩在轴伸位置，完成轴伸的防锈保护功能，同时也提升电机生产的智能制造，最终实现工厂自动化生产。