一种微型步进电机摩擦齿轮组弹圈自动压入设备设计

凌 斌，王永亮，廖新明

（日本电产三协电子（东莞）有限公司，广东东莞 523325）

0 引言

随着市场竞争的日趋激烈，企业生产劳动力成本的增加，国内各工业企业争相开展设备革新，各行各业秉持机械换人[1]，从而降低企业成本，其中微型电机[2]摩擦齿轮组弹圈压入工序，传统工艺方式一般采用人工手动压入或采用粗糙的简单机械治具实行半自动生产，原人工手动压入生产时，产生的齿轮内壁伤多，弹圈易脱落，摩擦转矩不在规格范围内多发，手动机台模具不能通用，换模及调试频繁，影响稼动率。简单机械治具半自动生产时，往往存在冲压精度不足，齿轮内壁刮伤或弹圈易变形，针对上述两种工艺生产弊端，微型电机摩擦齿轮组弹圈压入工序急需改进转化。本文从减少企业人力成本、提升企业自动化程度的方向出发，针对弹圈产生时齿轮内壁伤多、弹圈易脱落、摩擦转矩超规格等问题，设计研发摩擦齿轮组弹圈压入自动化设备[3]。设备主要运用现阶段工业自动化技术，采用气动冲压方式作为主作业工艺方法，自动冲压气缸结合独特的弹圈柔性压入治具，有效实现齿轮组弹圈的无伤压入，提升了本工序摩擦齿轮组弹圈压入的生产效率以及良品率，同时采用震动盘结合自主设计的专用导料轨，作为弹圈零部件的自动送料机构，为逐步实现智能制造[4]打下基础。

1 摩擦齿轮组弹圈的自动压入方案

摩擦齿轮组弹圈自动压入始终以提升产品品质、提高生产效率和减少工人劳动强度为目标，采用震动盘自动化供料和精密气缸精准送料为基本思路，分别设计摩擦齿轮[5]自动供料机构和弹圈自动供料机构，同时针对弹圈产生时齿轮内壁伤多、弹圈易脱落、摩擦转矩超规格等问题，设计了柔性冲压机构，再通过工业编程控制系统[6]将三大机构有机结合，同时考虑设备故障时怎么能快速维修调整为中心，最终在优化设计、通力协作、有序运行前提下，实现设备每天高效率生产，减少公司运营成本。

微型步进电机摩擦齿轮组完整部组件由3 个部件构成：小齿轮、大齿轮、弹圈依次按顺序组装，大、小齿轮组装完毕成摩擦齿轮（已在前工序完成），弹圈自动压入机将弹圈压入摩擦齿轮中心的小齿轮内壁凹槽里，使小齿轮扩张卡紧在大齿轮内壁。组装工艺流程如图1所示。

图1 摩擦齿轮组组装工艺流程

1.1 设备整体

摩擦齿轮组弹圈自动压入机主要由柔性冲压机构[7]、齿轮组送料震动盘、弹圈供料震动盘、操控系统（触摸屏、PLC、电磁阀）、机加工零件、光感元件、市购品标准件、气动元件等部分组成。如图2所示。

图2 弹窗自动压入机

1.2 弹圈自动压入工艺困难点

（1）移送精度不足时，弹圈自动压入就无法进行，所以设备移送精度为首要考虑要素。

（2）齿轮定位治具通孔及下冲压治具的设计不到位，会造成齿轮压伤、弹圈偏位、弹圈漏装、摩擦转矩不在规格范围内等众多问题。如图3所示。

图3 弹圈压入不良类型

（3）上冲压治具（冲压头）、齿轮定位治具以及下冲压治具必须保持高精度的同心度，否则会齿轮压伤、弹圈偏位、漏圈等问题。

（4）部件弹圈加工精度差异，容易造成摩擦齿轮组的摩擦转矩[8]不在规格范围内特性差异问题发生。

2 弹圈自动压入机重要机构说明

2.1 柔性冲压机构

柔性冲压机构由冲压动力气缸、上冲压治具、齿轮组及弹圈定位治具、下冲压治具及落料机构组成。如图4所示。

图4 柔性冲压机构

2.1.1 齿轮组及弹圈定位治具与下冲压治具

弹圈自动压入设备经过初期试做运行，发现齿轮定位治具的通孔外形及下冲压治具的轴芯外型对弹圈压入的品质有重要影响，会造成齿轮压伤、弹圈偏位、弹圈漏装、摩擦转矩不在规格范围内等问题，所以齿轮定位[9]治具的通孔外形及下冲压治具的轴芯外形的相关寸法经过多次检讨及研究重新设计，最终满足弹圈自动压入设备使用，达到高品质、高产能需求。如图5 所示。

图5 弹圈定位治具与下冲压治具

因摩擦齿轮的摩擦转矩要求高，共有40 多个机种9种不同摩擦转矩要求，摩擦转矩在5.8～22 mN · m 间，摩擦转矩的允许变化范围是2.4～7.9 mN · m。如其中一机种要求齿轮摩擦转矩在12.8 mN · m～16.2 mN · m 之间，摩擦转矩的允许变化范围是3.4 mN · m。治具的共通性或模具快速调整性就是设计的重中之重，在为了确保摩擦齿轮压入弹圈的品质，减少不良品产出，同时延长冲压治具的使用寿命，使用同设备相同冲压力度以及相同材质的治具，通过图6 中①②③种治具配套方案实验研究后，第①种治具配套方案在冲压过程中出现弹圈偏位较多，小齿轮也容易被压伤；第②种治具配套方案在冲压过程中，弹圈容易脱落，摩擦转矩不在规格范围内多发，第③种治具配套方案适合，弹圈压入定位良好，摩擦转矩适中，满足微型步进电机需求。如图6所示。

图6 治具配套方案

2.1.2 齿轮组落料机构

摩擦齿轮组在弹圈自动压入后会因弹圈嵌入使摩擦齿轮组中心孔收紧，从而紧配到冲压头的轴心上，当冲压完成，摩擦齿轮组便与冲压头一并提起复位，再由落料机构将摩擦齿轮组从冲压头上拨下收集。

2.2 弹圈寸法对摩擦齿轮组的影响分析

微型步进电机对摩擦齿轮组的摩擦扭力大小是有要求的，摩擦扭力太小，则会影响步进电机正常扭力输出[10]，摩擦扭力太大，则会增加步进电机的断齿风险，而摩擦齿轮的摩擦扭力主要取决于弹圈的扩张力，故而弹圈寸法对于摩擦齿轮组十分重要，必须严格管控，因此弹圈的自动供料机构应该具有弹圈寸法防呆功能，以保障弹圈压入后，摩擦扭力的正常。

2.3 齿轮组自动上料机构

齿轮组自动上料机构由震动盘、直震器及齿轮吸抓组成。齿轮组经震动盘和直震器自动送料到上料预备位置，再由齿轮吸抓吸取送上齿轮组固定治具上进行弹圈压入，因齿轮组弹圈压入后对弹圈缺口有位置要求，特根据齿轮组外形特征对齿轮吸抓进行设计，再配合齿轮吹气调整使其达到正确吸取齿轮要求。可以避免因齿轮吸取不良而导致弹圈压偏的现象产生，提升设备效率。吸抓外形如图7所示。

图7 齿轮吸抓

2.4 弹圈自动供料机构

弹圈自动供料机构由震动盘、弹圈推料气缸及相关治具部件组成。弹圈经震动盘送料到供料治具凹槽上，由推料气缸推到吸抓吸取位，再经吸抓送上冲压治具轴芯处进行压入。如图8所示。

图8 弹圈自动供料机构

3 控制系统

控制系统由三菱PLC FX3G[11]和威纶触摸屏[12]组成。设备操作分手动模式和自动模式，在手动模式下运用威纶触摸屏对设备各气动执行元件进行单动的独立控制，根据实际单动位移进行执行元器件的位置补正，以达到设备生产时的精度要求。执行元器件的位置补正调整OK锁固后便可生产，后续不需要再作调整。手动模式是为治具更换或设备故障调机及设备初始调整使用。自动模式为设备的自动生产时所处的状态。为了确保生产运行安全，设备的执行元器件单动功能在自动模式下不可操作。

4 设备测试及解决的关键技术

4.1 设备运行测试

弹圈自动压入机的实际测试步骤：

（1）接通机器的气电，并检测震动盘系统；

（2）通过触摸面板系统设置确认各气动执行件状态；

（3）通过触摸面板将设备调到自动模式，启动开始，各气动执行件依程序运作；

（4）摩擦齿轮弹圈压入完成，自动排出到成品盒里；

（5）压入一定数量完成，关闭设备，记录实验结果，如表1所示。

表1 摩擦齿轮组弹圈自动机实测结果

4.2 解决的关键技术

本项目在实施过程中主要解决了以下关键点。

（1）精密气缸的运用使精确性得到保障，通过精密气缸及控制系统的结合，在整个运行过程中，不但可以确保设备的稳定运行，而且可以高效、准确、便捷地完成整个自动压入工作。

（2）图6 的第③种治具配套方案，使得弹圈在冲压时得以平稳地收缩，同时下冲压治具的锥形轴芯能更好地把弹圈推至小齿轮的内部卡位处，使得摩擦齿轮组的摩擦扭力得以确保，此项设计提升了弹圈自动压入时的良品率，为相类似的冲压案例提供了参考。

（3）针对性的精细齿轮吸抓外形设计更好地适合本案齿轮组的吸取，为正确的齿轮组供给提供了有力的保障，可以精确移送齿轮组到达指定位置，提高了作业衔接性和工作效率。

5 结束语

通过对微型步进电机摩擦齿轮组弹圈压入工程研究分析，发现弹圈压入好与坏直接影响到摩擦齿轮组的摩擦扭力大小，本文主要针对弹圈的冲压治具进行了创新设计，解决了微型步进电机摩擦齿轮组中弹圈压入生产效率瓶颈问题，实现了微型步进电机摩擦齿轮组弹圈压入的自动化，为目前市场上众多的冲压工艺设备提供一创新参考，同时也为以后更专业的相关设备研究开发作出铺垫。