9V单体锌膏注入机改造

陈南发

（福建南平南孚电池有限公司机械工程部，福建南平353000）

9V单体锌膏注入机改造

陈南发

（福建南平南孚电池有限公司机械工程部，福建南平353000）

总结了9V单体锌膏注入机的改造设计过程和经验，为在电池行业设备中以伺服运动技术代替气动运动技术（气缸）提供可借鉴的经验。

9V单体锌膏注入；伺服

0 引言

随着国内9V电池需求的不断提高，公司原有的一条60只/min的9V电池单体生产线已不能满足需求，需要尽快增加一条9V单体生产线。由于目前国内的电池设备生产厂家制造的9V单体电池生产线制造调试周期长，生产速度慢（60只/min），自动化程度低，设备稳定性差，所以公司决定利用一些旧的闲置的LR03设备进行改造，并要求新的生产线生产速度达到120只/min，设备稳定性和自动化程度要比原有的60只/min生产线更高。为此，笔者承担了9V锌膏注入机的改造设计工作。

1 改造方案的确定

原有LR03锌膏注入机（100只/min）采用4个海霸泵同时注入锌膏，设备是间歇式运动，锌膏注入的一个周期包括以下几步：电池进入定位→海霸泵安装台快速下插到位→海霸泵注入锌膏→注入泵抬起（海霸泵注入锌膏的同时泵体同步抬起）→海霸泵注入结束后泵体快速上升到初始位，电池排出（同时下一步进入）。设备主要问题：1）电池输送定位的方式不可靠。电池输送进入，前端的电池注入工位的定位靠气缸动作挡块来定位前端载体（一个电池装在一个载体内）位置，后面的电池注入工位，依靠载体一个一个的排列紧密来保证，最后的电池注入工位累计误差大。2）海霸泵上下运动的动作利用汽缸带动安装台来实现，安装台运动的速度靠节流阀控制，锌膏注入状态不稳定。

针对以上情况决定采用5个海霸泵同时注入锌膏，电池的输送定位采用伺服电机带动螺旋杆来实现，海霸泵的上下运动采用伺服运动系统来实现。伺服运动系统由伺服驱动器、伺服电机和传动机构（滚珠丝杆、滚珠丝杆或传动齿轮）组成。数字脉冲的个数控制伺服电机的旋转角度，产生传动机构的直线位移，由此带动负载的升降或水平移动，从而驱动物体运动。

2 螺旋杆机构的设计

因为螺旋杆主要起到分开载体，使载体各位置依靠载体精度保证改为螺旋杆加工精度来保证的作用，所以要求螺旋杆的运行平稳。因此螺旋杆整段采用等速即等螺距的设计。螺距设计为23 mm（载体为22 mm），如图1。

图1

伺服电机通过同步带传动带动螺旋杆运动。

3 海霸泵提升机构伺服运动系统的设计

要达到120只/min的生产速度，一个周期要在2.5 s内完成。扣除载体电池进入定位的时间，海霸泵上下运动的时间约为1.3 s，运动的最快速度为200 mm/s。海霸泵上下移动的距离h=50 mm（9V单体高约40 mm），伺服电机其额定转速n=3 000 r/min，海霸泵和提升连接板的重量50 kg。丝杠的安装方式为固定—支撑。如图2。

图2

根据以上条件和供货时间选用转造级的滚珠丝杆，定位精度为0.05 mm的丝杠。螺母选用FSI型。

丝杆导程P的确定：导程要大于等于伺服运动系统的最快速度除伺服电机的最高转速，即导程P=200×60/3 000= 4mm，为了安全性和成本交货期，考虑选用导程为p=5mm。

丝杠公称直径和螺母的确定：注入过程的平均转速为Nm=1 000 r/min，由于是上下运动，丝杆所受的轴向载荷主要为海霸泵和提升连接板的重量F=50kg，丝杠的使用寿命为h=15 000 h。根据这些条件可计算出丝杆所能承受的最大轴向动载荷约为676 kgf，丝杠的额定动载荷要大于676kgf，从FSI型螺母表中可选出R20-5T3型，丝杠公称直径为20 mm，导程5 mm，额定动载荷为733 kgf。

丝杆螺纹长度的确定：螺母的长度为44 mm，导程为5 mm的余程Le=20 mm，丝杆螺纹的长度要大于50+44+ 2×20=132 mm。螺纹长度选150 mm。

电机的确定：由电机的驱动扭矩公式T=F×P/2πη，驱动丝杠的有效扭矩约为450 N·mm，为了安全选择了电机HC-KFS43（BG），额定扭矩为13 000 N·mm，额定转速为3 000 r/min。滚动螺旋传动逆转率高，不能自锁。为了使螺旋杆受力后不逆转，要选用有制动的伺服电机。

4 伺服运动系统的技术特点

1）全数字控制，伺服电机为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，控制性能更为可靠，调整更为方便。

2）整个伺服运动系统结构简单，重量轻，不需要气管，安装方便，不会泄漏，不须过滤。

3）伺服系统的加速性能较好，一般从静止加速到其额定转速仅需几毫秒，螺旋杆是由钢珠滚动接触，只须很小的启动扭力即可克服摩擦力，可用于要求快速启停的控制场合。

4）稳定性高，动作的重复精度高。由于各项动作均由伺服马达来驱动，伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速(一般为2 000 r/min或3 000 r/min）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出，其动作速度平稳、精度高，再加上不受气压波动的影响，所以在生产过程中具有高稳定性。

5）节省能源，降低生产成本。由于伺服电机根据各执行机构所需力的要求直接进行驱动，不但提高了效率，而且提高了能量利用，滚珠螺旋杆及螺母均是点接触的滚动运动，其能量的利用率可达到90%以上。

5 结 论

1）采用该方案设计制造出的9V锌膏机，从实际的使用效果来看，结构简单，调试方便，重复性高，锌膏注入的状态稳定，节约能源，噪音低。为公司9V电池的产能加大做出了贡献，取得了预期效果。

2）基于伺服运动技术这些独特的技术优势，必将在电池设备上得到广泛的应用。

（编辑启 迪）

TM 911.1

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1002－2333（2014）05－0235－02

陈南发（1975—），男，工程师，从事设备设计制造及开发工作。

2014-02-24