自动压合油封机设计与应用

李 辉 ，郭晓军 ，孔庆旺 ，孙 斌

（1.天津职业技术师范大学，天津300222，2.数字化制造研究所，天津300222）

伺服电机装配中油封装配[1]是一项比较关键的工序，渗漏、进尘是影响电机使用寿命、使用安全的常见故障现象之一，渗漏、进尘的主要影响因素除了油封质量、相关被密封件[2]的密封面的加工质量及回转精度等方面外，油封的装配也尤为重要。渗漏和进尘可能引起定子、转子腐蚀、生锈、线圈短路、改变转子动平衡，造成重要零件的过早磨损，直至电机报废[3]。以前，油封的压装及排气一直用人工或简单机械设备完成，装配油封与排气分开为两个不同的工序，且装配油封时直接将油封从伺服电机工件的输出轴一端压入，从而导致压装效率低，对油封的伤害大，装配质量差，不能适应伺服电机自动装配线的使用要求[4]。对于以上诸多问题，设计一台自动油封机[5]可显著提高效率，改善装配问题。本文提出了一种针对电机转轴为60 mm和80 mm的自动压合油封机，该油封机可实现油封圈的自动安装，大大提高了伺服电机和油封圈的安装效率和安装精度。

1 油封机工作原理

该油封机主要针对国内某知名公司生产的伺服电机所使用设计。伺服电机因为底部法兰盘尺寸不同，装夹压合时需特定夹具夹持。目前该油封机支持汇川MS1系列伺服电机的法兰盘为60 mm和80 mm的所有类型电机。

油封机采用汇川AM600为控制核心，配合触摸屏使控制机构运动。设备集合了60 mm和80 mm各自对应的双工位结构，供料、搬送、点胶、扫码、压合机构独立设计不共用，各轴运动分别由伺服电机驱动，伺服驱动器独立控制。采用油封弹夹式批量供料，每个基座不少于100个，且有油封缺料检测和油封圈正反面检测。电机本体人工上料，轴向下放置，端盖止口定位，前端盖受力固定，设备可检测产品有无。压合过程中油封由外圈定位，由电机轴导正，油封与前端盖油封室保证水平、同心压合。压合操作台安装对射光栅，压合需双按钮启动，大大保证人员操作安全，作业人员只负责取放电机，其余作业由设备自动实现，在搬送、定位、压装过程中发生异常时会及时报警停止，显示异常信息，方便人员快速检修。

该油封机结构紧凑，基本成对称设计，保证最大程度的空间利用。设备整体长1 550 mm，宽1 200 mm，高1 850 mm，外部框架主要由60 mm*60 mm铝型材以及喷砂亮银的铝板加工装配而成。内部主要由旋转上料机构、顶升装置、抓手1、CCD相机、涂油装置、抓手2、移栽、压合装置等组成。其总体结构如图1所示。

图1 油封机总体机构图

2 油封机工艺流程及机械结构

2.1 工艺流程

油封机进程按步依次进行，整体工艺流程图如图2所示。人工上料后，上料转盘转动，传感器感应到基座有料时停止转动（若转盘6个基座都感应无料时，三色蜂鸣器报警，人工补料后，按下“上料完成”物理按键，系统继续运行），顶升装置上升，传感器感应到位时，上升停止，抓手1从待机位到达取料位，抓手1气缸下降，夹爪闭合抓取油封圈，上升后移动到基恩士CCD照相比对油封正反面，若抓反则放入废弃通道，抓取正确送入涂油夹爪，涂油夹爪闭合后，抓手1回归原点，涂油气缸下伸进行涂油，油脂在油封内圈涂抹均匀无断点，完成后涂油气缸回位，涂油夹爪张开，抓手2到位抓取，伺服搬送到移栽接料位，放入移栽后，移动到电机压合位，作业人员在操作台正确放入电机后，按双手启动按钮，压合装置下降压住电机法兰盘，移栽上升嵌入油封圈，完成后各机构依次循环进行。

图2 工艺流程图

2.2 机械结构

两种规格油封的抓手1、抓手2机构分别共用一根导轨，导轨两侧对称分部各机械结构。左侧为60规格油封机构，右侧为80规格油封机构。

2.2.1 旋转上料机构

旋转上料机构如图3所示，上料转盘转动和顶升装置分别由伺服电机驱动，行程控制精确，转盘上下分别安装对射传感器，有油封圈遮挡时，信号产生大幅度变化，感应灵敏。转盘上有6个基座，每个基座由三根铝条组成，形成油封圈上料路径。

图3 旋转上料机构

2.2.2 抓手1和涂油机构

抓手1和涂油机构如图4所示，抓手1直线导轨运动和涂油夹爪旋转运动分别由伺服电机驱动，导轨内部由丝杠作为传动元件，由于丝杠具有高精度，无间隙，高刚度的特点，可以实现微进给或高速进给，保证了抓手1伺服跑点的精确和高效；伺服电机与涂油夹爪通过带传动连接，可缓和冲击和振动载荷，运行平稳，无噪声。抓手1伸缩运动和夹爪张开闭合以及涂油枪的伸缩运动由气缸驱动，电磁阀控制，气缸上安装行程开关，控制行程上下限，确保各个位置运动准确。

图4 抓手1和涂油机构

2.2.3 抓手2、移栽、压合机构

抓手2、移栽机构以及压合机构如图5所示，抓手2直线导轨运动和移栽直线导轨运动由伺服电机驱动，抓手2伸缩运动和夹爪张开闭合以及移栽上端面上下运动由气缸驱动，移栽上端面与下方两个固定端面通过四根长销连接，保证其运动平稳，减小误差，达到使用运动精度要求。

图5 抓手2、移栽机构

压合机构如图6所示，压板通过四根长销定位，保证运动精度。

图6 压合机构

3 控制系统

油封机硬件主要包括电气主回路、控制回路以及气动控制回路、人机界面等。其中，电气主回路包括控制系统的配电以及急停保护电路部分，为滤波器、PLC、伺服驱动器以及相关辅助部件提供电源。

油封机控制回路采用汇川AM600系列可编程逻辑控制器，如图7所示，CPU左侧接入AC220V电源模块，右侧接入两个输入输出扩展模块，10个汇川伺服驱动器用EtherCAT线缆依次连接，并配合安装10个空气开关，可独立控制任一伺服驱动器，最大程度保护电气元件以及人员使用安全。

图7 电气控制柜

4 人机交互设计

油封机采用汇川IT6100E人机界面（HMI，以下简称HMI），与汇川AM600系列可编程逻辑控制器通过EtherCAT协议以太网连接，实现油封机各机构运动控制功能。

4.1 HMI自动运行介绍

实物图如图8所示，包括：油封机触摸屏1、启动按钮2、停止按钮3、上料完成4、急停5、电源旋钮6、小油封调压阀7、小油封压力表8、、大油封调压阀9、大油封压力表10。

如图8所示，该油封系统由一块触摸屏控制，上电后打开电源旋钮，系统启动，开机界面如图9所示。因为断电时各轴位置的不确定性，开机需按“回原点”，各轴运动回归原点，HMI系统状态显示：设备待机；在“配方选择”一栏中选择机种以及所需配方，点击“自动”后，油封机开始自动运行。

图8 现在实物图

4.2 HMI伺服手动操作

油封机HMI功能包括基本信息和伺服手动操作，具体功能如图9所示，功能详细介绍如下。

图9 触摸屏界面

用户登录：设置两档操作权限，能够保护信息以及防止非专业人员误操作行为。

各轴的双向控制：伺服手动操作可独立精确控制各轴的双向移动。

伺服跑点：各轴系统存入有各自点位，如待机位、开始位、结束位等，可使各轴运动到相应位置。

伺服位置参数调节：各轴伺服点位可手动调节校准，保证各运动机构运行精确平稳。

油桶下限：手动设置油桶质量下限，达到该下限值，视为缺油，会有报警提醒。

I/O点位监视：显示所有传感器感应情况，感应后会有高亮显示。

配方存入和导出：系统设置有100个配方可供存入和导出，可较大程度满足用户需求。

报警信息：运行出现异常时，三色蜂鸣器红灯闪烁报警，HMI显示报警信息，方便人员快速检修。

图10 伺服手动操作

5 运行测试

油封机的完整运行需要每个环节的调节到位，而每个位置都由传感器触发到位信号，PLC接收到位信号后才发出下一步指令，因此传感器位置的准确是机构能否运行的关键。如图11所示，传感器需手动调节位置，人为判断位置的可行性，直到夹爪能准确抓取、放下油封圈。

图11 油封机实物图

如图12所示，每个传感器的调节配合I/O监视，可以直观的看出传感器是否触发。目前油封机所有点位均已调试完成，启动后可自动准确运行，完成油封圈的压合。

图12 I/O监视图

6 结束语

针对目前油封安装效率、安装精度等问题，设计的一台自动压合油封机，机械机构采用双工位对称设计；关键行程运动使用伺服电机驱动；传感器多使用对射式，提高感应灵敏度；直线导轨采用丝杠作为传动元件；汇川AM600系列PLC搭配汇川IT6100E人机界面，可自动高效安装压合油封。目前已在中国某知名公司投入使用，经实践证明，大大提高了安装效率，提升了安装精度，降低了现场用工数量及人员劳动强度。