基于功能设计法的电枢铁芯卷制机设计*

□ 田国富 □ 张西栋 □ 王晓生 □ 孙玉东

1.沈阳工业大学 机械工程学院工业机器人研究所 沈阳 110870

2.北方重工集团有限公司 沈阳 110141

在新产品的研发过程中，研发人员探索了各种设计方法，其中美国工程师麦尔斯（L.D.Miles）在进行价值工程研究中得出一个结论：“顾客购买的不是产品本身,而是产品所具有的功能”。 “功能”思想成为产品设计学的最重要的概念［1］。功能设计就是按照产品定位或价值工程对象的主要功能要求，在对用户需求及现有产品进行功能分析的基础上，对所定位产品应具备的目标功能系统进行系统策划和构建的创造活动［1-2］。将功能设计法应用到铁芯卷制机的设计过程中，可以提高设计工作的效率，保证卷制机基本功能的实现。

功能设计法有两种类型，一种是按产品的定位要求，设计出新产品完整的目标功能系统，称为创新型；一种是对现有产品功能系统与用户需要之间的差异进行研究，找出不足功能、不必要功能及过剩功能，对原有功能系统进行改进，可称为改进型［3］。根据这两种类型的特点，结合铁芯卷制机的设计要求［4］，选定创新型的功能设计法来指导铁芯卷制机的设计。

1 系统功能描述

设计要求概述：设计一种能够实现对电枢铁芯自动化生产的设备。铁芯是由合金材料的薄钢带卷制而成，铁芯外径为40 mm，内径为25 mm，钢带宽为40 mm。按照加工过程自动化的要求，结合原材料的特点和成品工件的结构特点来分析系统的功能要求，用“黑箱法”［5］表示的系统功能如图1所示，设备要实现的功能如下。

▲图1 电枢铁芯卷制机系统

（1）装夹。要求设备能够实现工件装夹自动化以及上下料自动化。

（2）钢带的输送。在完成一个铁芯的加工或者更换新的原料钢带之后，需要将原料钢带与成型机构的轴牵连起来，继续进行铁芯的卷制，这需要系统具有钢带的牵引输送功能。

（3）铁芯的卷制成型。由输送机构输送过来的钢带需要与成型机构的驱动轴相连接，以实现固定，然后完成铁芯的卷制工作。

（4）钢带的测量截断。因为成品铁芯的外径有明确的尺寸要求，所以该系统还要具有检测钢带长度并自动截断的功能。

（5）钢带的固定。钢带截断后容易回弹和松散，所以该装置还要能够实现成型机构上的钢带和原料辊上钢带的固定功能。

（6）检测。铁芯的外形尺寸和铁芯上钢带卷制的紧密性有精度要求，所以要安排检测环节，该检测系统还应兼备原料钢带的缺料预警功能。

2 系统功能分解

功能树和形态学矩阵是功能设计法常用的分析工具，功能树的绘制和形态学矩阵的构建是功能设计法的核心和关键，查阅相关资料［5］［6］,综合考虑经济性原则和功能性原则，建立铁芯卷制机功能树如图2所示，根据铁芯卷制机功能树所述，采用形态综合法进行铁芯卷制机功能的求解，构造如表1所示的形态学矩阵。

表 1 中的“连接”、“卷绕”、“拆卸”是一级功能“卷制成型”对应的二级功能，“测量”、“截断”是一级功能“测量截断”对应的二级功能，而“原件”和“方式”是一级功能“检测”涉及到的两个方面。

用N表示功能实现的总方案数，Nx表示相应的功能元Gx的功能解的个数，则有：

▲图2 铁芯卷制机功能树

表1 电枢铁芯卷制机的形态学矩阵

即理论上有2 304种功能方案，剔除其中的 “虚解”，对“实解”按照经济性和功能性原则进行分析，对方案进行优化选择，得出最佳的方案为：

3 功能元详解

（1）原料的装夹。当检测到无原料时，机械手抓取原料钢卷，放置在原料辊上。然后装在原料辊上的棘轮挡板机构防止其从原料辊上脱落，同时保证不回卷。

（2）钢带的输入。图3是输入装置的示意图，输入的过程包括原料钢带向成型机构的输送过程,以及钢带的拉直和定位过程。钢带的输送是由两组夹板机构完成的，其中每组夹板机构都是由两片夹板组成。工作过程：夹板机构Ⅰ松开，夹板机构Ⅱ夹持着钢带向右移动，靠近成型机构，完成钢带的输送功能；当钢带与成型机构对接成功后，夹板机构Ⅰ闭合，与夹板机构Ⅱ共同作用，完成钢带的拉直和定位，这保证了成型机构转动过程中两组夹板机构之间的钢带处于拉直状态，有利于保证编码电机对钢带长度测量的准确度，同时也防止钢带在截断过程中向原料辊回卷。

（3）铁芯的成型。铁芯的成型过程包括钢带与驱动轴的连接，驱动轴转动带动钢带缠绕，缠绕成型后的防松固定以及铁芯的拆卸，该过程是系统功能核心部分。

国外生产的该型装备其连接功能是利用销轴与钢带上打通的小孔相钩连来实现的。工作时，上刀具向下运动，与下刀具相互作用，在钢带上冲压出一个小孔，如图4（a）所示，成型机构的驱动轴上开一个深孔，如图4（b）所示，依次安装弹簧和销轴，销轴上开有楔口，楔口钩住钢带孔，电动机驱动成型机构牵引着钢带一同转动。当成型机构转过一周之后，继续绕卷时，销轴外端部就会被新的一层钢带压回到驱动轴内，以便缠绕完成后成形机构的驱动轴能顺利退出。

▲图3 输入装置示意图

▲图4 钢带打孔与销轴结构示意图

该方案的优点是钢带与成型机构的连接比较牢固，容易实现连接缠绕的自动化；缺点是上刀具易磨损，国产刀具的加工制造精度不高、寿命短，而进口该型刀具价格昂贵，而且带楔口的轴在长时间使用之后会出现不易回弾的现象。针对该方案的缺点，结合其优点，提出改进方案如下。

▲图5 成型与棘轮机构示意图

▲图6 铁芯拆卸示意图

将成型机构驱动轴的端部制作成如图5（a）所示的凹腔形状，设计一对相互挤压的滚压轮，其中一根滚压轮轴与外置的棘轮机构相连接，棘轮机构连接在成型机构的驱动轴上，与驱动轴一同转动。图5（b）是滚压轮和棘轮机构示意图，工作时，夹板机构牵引钢带穿过两滚压轮之间，插入驱动轴的空腔中，然后驱动轴与棘轮机构一同转动，由于摩擦力和棘轮的相互作用，钢带不会退出，而被两滚压轮卡紧，随成型机构一同卷绕。该方案避免使用昂贵的打孔刀具，克服了销轴不易回弹的缺点，棘轮锁紧机构能够很好地保证钢带与成型机构连接的可靠性。缺点是驱动轴端的凹腔不易加工，而且型腔的存在减弱了驱动轴的强度和刚度。

钢带被切断刀截断之后，采用焊接的方式将钢卷固定，防止其回卷，而焊接方式中的激光焊加工成本高，所以采用经济性更优的电阻焊。焊接固定好之后，铁芯夹板机构将铁芯夹持住，棘轮机构沿轴向与驱动轴分离，然后驱动轴沿轴向反向退出。铁芯的拆卸过程如图6所示。

（4）检测与截断。各开关量的控制需要根据检测系统对实时检测到的信号的判断来完成，为了减少设计成本，满足自动化要求，将各电气元件所需控制信号的检测和产品的检测集成到一个系统中。为了降低不合格率，采用在线实时检测系统。在钢带的放置过程中，检测系统通过光电传感器检测原料辊上钢带的状态，将检测结果实时传送给取料机械手和报警系统。

▲图7 检测系统示意图

图7是检测系统示意图，在钢带输送过程中，当把原料放到原料辊上后，触发碰撞开关Ⅰ，驱动夹板机构Ⅱ动作，将钢板夹紧并向右牵引，直至触发碰撞开关Ⅱ，此时钢带与成型机构完成结合，碰撞开关Ⅱ的信号送给夹板机构Ⅰ，使其夹紧钢带，完成钢带拉直和定位。

在铁芯的成型过程中，铁芯直径的控制是通过编码电机M2实现计算测量钢带的长度来完成的。当编码电机测量到满足钢带长度的信号后，截断机构就会被触发，上下两切断刀相互作用，将钢带截断［7］。采用编码电机方案的优点是测量精度高，保证了铁芯外径的精度。另一种测量方案是在滚压轮的轴上安装一个码盘，垂直于码盘放置一个激光头，照射激光于码盘上进行测量，该方案由于多了码盘激光测量装置，而使结构复杂，成本升高，被排除。

由于铁芯的精度要求高，所以采用高方向性、高单色性的激光束来对铁芯的外形尺寸进行检测。当探测到铁芯外形尺寸与设定的尺寸参数不同或者铁芯上的钢卷有间隙时，检测系统向成型机构的电动机M3发出信号，控制其停止转动，同时激发原料辊电动机M1反转回收钢带，直至铁芯的尺寸参数和钢带间的紧密度符合设定的参数值为止。

4 结论

通过功能设计法确定了电枢铁芯卷制机的功能实现方案。原料的装夹采用简易机械手的方式完成；采用夹板机构完成钢带的输送作业；在卷制成型过程中，使用滚压轮挤压装置实现钢带的连接，然后成型机构驱动轴转动实现钢带的卷绕，铁芯的拆卸由夹板机构完成；编码电机和单片机系统实时测量卷绕钢带的总长度，达到铁芯直径要求后，激励切断刀完成钢带的截断；然后采用电阻焊的方式将钢带尾部焊接牢固；测量系统中刀具和钢带的位置信号是通过碰撞开关发出，采用在线实时测量的方式及时消除铁芯卷制过程中产生的误差，保证了铁芯加工精度。

［1］ 黄靖远.机械设计学 （第二版）［M］.北京： 机械工业出版社，2008.

［2］ 杨永发,朱德滨.基于功能设计法的木材削片机［J］.森林工程，2007，23（4）：21-23.

［3］ 陈沂.功能设计-价值工程创新的生长点 ［J］.价值工程，1998（2）：18-20.

［4］ Kepalas Vytautas,Ramonas Ceslovas， Marcinkevicius Stanislovas，et al.Research of Tight Band Coiling Dynamics［C］.1st International Conference on Mechatronic Systems and Materials,Vilnius,Lithuania,2006.

［5］ 李茹.卷料冲片自动生产线机械系统“黑箱法”设计［J］.机械设计，2005,22（10）：17-18.

［6］ 陆劲挺.概念设计中功能树可拓相似推理方法研究［D］.合肥：合肥工业大学,2009.

［7］ 刘书浩,陈兵,杨竞.带钢剪切断面层次分布对剪切工艺影响探究［J］.机械设计与制造，2012（10）：109-110.