（机械工程专业论文）汽车起动机转子全自动上纸机的虚拟装配及运动仿真.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 在中国汽车工业快速发展的大背景下，增加了对汽车零部件的需求，汽车起动机作 为起动系统的辅助零部件，其质量的好坏直接影响到汽车的起动性能。通过对国内外起 动机厂商的调研和对起动机转子上纸工艺的研究，发现目前国内很多厂商还是以人工的 方式把绝缘纸插入转子槽中，有些产量比较高的厂商也仅仅是使用自动化程度不高、结 构复杂、插纸质量不高、适用性很低的上纸设备。因此全自动上纸机的市场前景广阔， 而且对上纸机的研究是很有实际意义的。 通过对转子上纸工艺及国内外上纸设备的研究，转子上纸主要包括送纸、切纸、插 纸等过程，而为了能够提高生产效率，从实现转子以自动化生产线生产的目标出发，本 设备把实现连续插纸的总功能分为送料模块、举升模块、顶紧模块、旋转模块、送纸模 块、切纸插纸模块、定初相位模块等7 个子功能模块。在本文中，重点讨论了全自动上 纸机的分度模块、送料模块、上纸机零部件的三维建模、虚拟装配及送料机构的运动仿 真分析。首先介绍了汽车起动机的功能和基本结构，以及转子槽绝缘的方式，分析了上 纸设备的国内外发展现状及趋势，接着根据对转子上纸的工艺过程及对现有上纸设备的 分析研究，确定了全自动上纸机的性能要求、参数要求及工作流程，为了满足上纸机的 功能及参数要求，提出了运用机电一体化系统设计的基本理论，对上纸机进行总体技术 方案研究，分析了全自动上纸机主要功能模块的工作原理及设计要求，对送料模块、分 度模块等重点工作模块做了详细的设计分析，并提出了可行的结构设计方案。然后在 s 0 1 i d w o r k s 中建立了主要零部件的3 d 模型，并利用虚拟装配技术分析了上纸机的虚拟 装配顺序，并在s o d w o r k s 中对上纸机旋转部分、主要工作部分及上纸机整体进行了 虚拟装配。利用s 0 1 i d w o k s 的干涉检查功能对上纸机整体装配模型进行了静态干涉检验， 并对干涉部分进行了分析，直到不合理干涉的消除，在s 0 1 i d w o r k s 中的生成爆炸视图， 模拟了上纸机装配过程。最后简要介绍了机械运动学和动力学仿真软件a d a m s 的主要功 能及建模和仿真步骤，运用a d a m s 软件对上纸机送料机构进行运动仿真，验证了机构设 计的合理性。 关键词：汽车起动机；全自动上纸机；三维建模；虚拟装配；运动仿真 汽车起动机转子全自动上纸机的虚拟装配及运动仿真 a b s t r a c t w i t ht l l eb a c k 罂o m l do f 。t h er a p l dd e v e l o p e l i l e n no f 。c 1 1 i n e s ea u t o m o t l v ei n d u s 仃y ，t l l e d e m a n df o ra u t op a n si si n c r e a s e d a sm ea u x i l i a r yc o m p o n e t so ft 1 1 es t a r t m gs y s t e m ，m e a u t o m o t i v es t a r t e ri sr e q u i r e dw i 1l l i 曲e rd 锄a i l da i l dq u a l i t ) r t l l i sp a p e rd e s i g n san e wm l l y a u t o m a t i ci i l s e nm a c m n ef o ra u t o m a t i cs t a r t e rr o t o ri 1 1 1 1 0 v a t i v e l y ，a d a p t m gt 1 1 e 、，i r t u a ld e s i g n a 1 1 dv i r t u a la s s e l l i b l et e c l l i l o l o g y ，a n db a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo ft h em e c h 删cs y s t e l l ：l s w i t l ln l ea n a l y s i so ft l l ep r o c e s so fr o t o ri l l s e r tm a c h i i l e ，t h er o t o r 抽s e r t i i l gm a i l l l yi i l c l u d e s d e l i v e r i n gp 印c u t t i n gp 印e r ，i 1 1 s e n i i l gp a p e r i no r d e rt oi i l s e np 印e rc o m i i m o u s l y ，w k c h m e a i l st o p r o d u c ea u t o m a t i cs t a n e rr o t o ri l l ap i p e l i l l e ，a 1 1 di m p r 0 v em ep r o d u c t i v i t ) r ，t l l i s p a p e rd e v i d e st h ec o n t i n u i i 培p 印e r i i l s e r t i i l gf u n c t i o ni n t os e v e n 汕f u n “o nm o d u l e s ，a l s m a t 谢a l - s e n d i l l gm o d u l e ，l i r i i l g m o d u l e ， t o p p t i g h t i n g m o d u l e ， r o t a i l l g m o d u l e ， p a p e r - s e n d i i l gm o d u l e ，c u 牡i n ga n di i l s e r t i n gm o d u l e ，p o s i t i o l l i n gm o d l l l e b a s e do nt h ea c t u a lp r o j e c t ，m er e s e a c ho f t l l i sp 印e rf o c u s e s0 n 也ea u t o m a b i ci 1 1 s e n m a c b j n e sr o t a t i n g 如n c t i o nn 抡d u l ed e s i g n ，t l l et h r e ed i m e n s i o n a l 1 0 d e l 证go fm ec o 幢巾o n e n t o fi n s e r tm a c l l i l l e ，v i r t u a la s s e n l b l i n ga i l dm o t i o ns m n u l a t i o na n a l y s i so fm a t e r i a ls e n d i n g m e c h a n i s m f i r s t l ym ep a p e r 舀v e sa na c c o u mo fm ed e v e l o p i i l gp r o c e s so fa u t o s t a r t t e c h i l o l o g ya i l d t l l eb a s i cc o n s 仃u c t i o no fa u t o m a t i v es t a r t e r ， d e s c r i b i n g t h ed o m e s t i c d e v e l o p m gs i t u a t i o na n d 臼e n d m g ，e n d i n gw i t ht h er e s e a r c hm e a l l j i l go ft h ep a p e r w 他t h e a 1 1 a l y s i so ft h em a l l u f k 岫gp r o c e s so fr o t o ri i l s e n i n g 锄dt h ee x i s 曲gi 1 1 s e n i n gm a c l l i i l e ， m i sp a p e rd e s i g n s 吐l em e c h a i l o 仃) i l i c so ft h ei i l s e nd e 、，i c e si i m o v a t i v e l y ，i n t r o d u c i i l g i 1 1 1 1 0 v a t i v ed e s i g no fm er o t a t i i l g 锄dp o s i t i o i l i n gm o m l l e ，a n dt h em e t 甜a 1s e n d m g gn l e m o d e l i n gc a l c u l a t i o no fs t 印m o t o ra i l dc y l i l l d e ro ft l l er o t a t i n gp a no fi 1 1 s e r tm a c l l i n e s e c o n d l yd e t a i l e de l a b o r a t m go ft 1 1 ec o n c e p to f3 dm o d e l i n gt e c h i l o l o g y ，n l ew a yo f3 d m o d e l i i l g ，t l l es o l i dm o d e l i l l gt e c l l i l o l o g yb a s e do nf e a t u r e r e s p e c t i v e l yi n t r o d u c i n gt h eu s a g e m e t l l o do fe a c hf e a t u r e ，a n dc o i l s t m c t i i l gt h e3 dm o d e lo fm em a i l lc o m p o n e n t s t h r o u 曲t h e s m d yo fv i i t u a la s s e i l l b l yt e c l l i l o l o g y ，t h ep a p e re l a b o r a t e s m eb a s i ct h o u 曲to f 诎m a l a s s 咖b l yt e c h l l o l o g yi i ld e t a i l ，a n da n a l y s e st h ev i r t u a la s s e m b l ys e q u e n c eo fi i l s e nm a c l l i n e ， w i t l lt l l ev i n u a la u s s 锄b l yt e c l l i l o l o g y ，v i r l = u a la s s e m b l i l l gt h er o t a 血1 9p a n ，仔锄ep a r t ，a 1 1 dt l l e t o pp a r to fi 1 】b e r tm a c l l i n ei nt l l es o l i d w o f k s t h ep a p e ra l s od o e st h es t a t i ci i l t e r f 打e i l c e c h e c l 【i n go ft 1 1 em t e 掣a t e da s s e n l b l ym o d e lo fm s e nm a c h i n ew i mt h ei 1 1 t e r f e r e n c ec h e c k 劬c t i o no fs o l i d w o r k s ，i nt h e 锄d ，w 油t h e 胁c t i o no fg e n e r a t 堍e x p l o d e dv i e w so f s o l i d w o f i c s ，g e n e r a t i n gt h ee x p l o d e dv i e w so fn l er o t a t i l 唱p a r ta i l dt l l ew h o l eo fi 1 1 s e r t m a c h i i l e ，i n l i t a t i i l gm ea s s e m b l i i l gp r o c e s so fi n s e i tm a c l l i n e f i n 2 l l l yt h ep 印e ra l s om a l ( e sa b r i e fi n t r o d u c t i o nt 0 也em a i l lm n c t i o no fm ed 锄i cs i i i l u l a t i o ns o 腑a r ea d a m so f 西华大学硕士学位论文 l ( i i l 锄a t i co fm a c h i n e 巧，w i t l l 也ed y n a i n i cs i i n u l a t i o no f 也en l em a t e r i a ls e n d i l l gm e c h a i l i sb y m ea d a m ss o f h a r e ，o b 蛐gs 甜a lp o s i t i o nc u r v e ，r a t ec u n ，e ， a c c e l e r a t i l l gc u r v e ， v 荫f 如gm er a t i o n a l i t ) ，o fm e c h a i l i s md e s i g n k e yw o r d s ：a u t o m o b i l es t a n e r ；f u l l ya u t o m a t i ci 璐e np a p e rm a c h i n e ；n e - d 岫e 璐i o n a l m o d e l i l l g ；v i n u a la s s e m b l e ；k i l l 锄a t i cs 曲u l a t i o n m 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1汽车起动机概述 汽车起动机是汽车起动系统的关键部件。它的主要作用是将蓄电池储存的电能转变 为机械能，带动发动机以足够高的转速运转，顺利起动发动机。随着中国汽车工业的快 速发展，对起动机的需求大大增加，同时对它的质量要求也越来越高。一台汽车的起动 机质量，会对汽车的起动性能产生很大的影响，所以提高起动机的质量是很有必要的。 而对于汽车起动机企业来讲，为了能够节约成本，提高生产效率，提高起动机生成线自 动化水平也是很重要的。 汽车起动机一般由三部分组成( 如图1 1 ) 【l 】： ( 1 ) 直流电动机直流电动机的功用是将蓄电池的电能转化为机械能，并产生起 动转矩。 ( 2 ) 控制装置这里指控制开关，它可以用来接通和切断电动机与蓄电池之间的 电路；控制拨动驱动小齿轮啮入发动机飞轮齿环。 ( 3 ) 传动啮合机构在发动机起动时，通过传动啮合机构，使起动机驱入小齿轮 啮入发动机飞轮齿环，将起动机转矩传递给发动机曲轴；而在发动机启动后，又可使起 动机与飞轮齿环自行脱离，避免起动机因电枢飞逸而损坏。 图1 1 起动机结构图 f i 9 1 1 也es 蜘l c n l r ec h a r to f t h ea u t o m d ) i l e s t a n e r 僚象窿 汽车起动机转子全自动上纸机的虚拟装配及运动仿真 作为直流电动机的重要零件，电动机转子槽绝缘方式【2 】大约有两种：一种是插纸方 式，另一种是涂敷。插纸工艺是一种传统的槽绝缘工艺，插纸机根据插纸工艺可以分为 立式插纸机和卧式插纸机。其自动化程度，有机械式的，半自动的以及自动的。由于插 纸工艺生产出的起动机转子成品率高，所以大规模的运用于起动机转子的生产。 1 2 本文研究的意义 从实际意义角度来说，本课题来源于实际的工程项目。这在根本上说明了我所研究 的内容具有非常高的实用价值及可行性。这台生产设备若是能够研制成功并投产使用， 那么说明我国的起动机生产技术已经上升到了一个崭新的台阶，同时迈向了一个新的高 度，它不仅在我们国内是居于领先地位的，即使是在国际上也处于该项技术的先进水平。 它比欧美等发达国家的设备更前进了一步，更智能一些，达到了环保的要求。另外对两 个合作单位来说更具有重大的意义，如果这台生产设备能够投产使用，会给这个汽车起 动机公司带来巨大的经济利益。由于该上纸机采用全自动化的形式完成生产，这在客观 上减少了人为因素造成的生产失误，保证了产品的质量，无形中增强了企业的竞争力， 使企业在同行业中遥遥领先；同时也可以使企业能够精兵简政，减小开支，扩大企业规 模，实现企业的扩大生产，使企业能够快速的发展起来。不仅给企业创造了广大的发展 空间，也可以满足汽车起动机需求量大，质量要求高的需要。 本课题所进行的运动仿真内容，不仅可以完成本课题的研究内容，同时也可以对实 际工程作必要的检验。因为机械模型在计算机中要比实际机械设备完成的快，这样就可 以利用计算机检查工程项目中机械设备设计得是否合理，各结构之间有无干涉现象等， 同时也可以缩短工程项目的研发时问。其次本文通过对起动机转子生产设备的虚拟装配 和运动仿真的研究，探讨了虚拟样机技术在机械系统的三维建模、虚拟装配、运动和动 力学仿真中的应用。其理论意义主要有以下的几个方面【3 j ： 1 、虚拟样机技术以先进制造模式为基础的敏捷制造的关键技术，是制造企业面对 2 1 世纪挑战的有效技术。该技术的提出与应用，为开发研究高性能产品提供了技术手段。 但是虚拟样机技术的研究还处于初级发展阶段，理论基础与体系结构尚未完全形成，因 此对虚拟样机技术的基本内涵、体系结构和关键技术的研究具有很重要的理论意义，特 别是通过对虚拟样机在汽车起动机转子生产设备的设计和制造过程中的应用研究，探讨 如何在各种虚拟环境中真实地模拟机械系统的工作情况，以及能够很迅速的分析不同的 设计方案，一直到获得系统级的优化设计方案具有很重要的现实意义。 2 、利用三维建模的前沿技术，对机械设备的零部件进行虚拟建模、虚拟装配和静 态干涉( 虚拟装配干涉) 检验，探索在传统机械零部件及系统产品设计中使用并推广三维 2 西华大学硕士学位论文 虚拟设计的方向，由传统的二维设计转向现代的三维设计，树立全三维设计的概念，同 时探索了一些进行三维设计的建模方法，如特征建模、参数化建模以及复合建模方法， 这一点对传统的二维设计观念是一种突破，为传统机械的创新设计开辟一种新的设计思 路，具有很重要的意义。 3 、在完成机械设备零部件的虚拟装配的基础上，对机械设备进行运动仿真，模拟 出其实际运动状态，提前发现设计中的缺陷和运动机械的动态干涉问题，并修正设计方 案，从而降低设计成本，缩短开发周期。 从上面的分析中可以得出这样的结论：本课题探索虚拟样机技术的体系结构、主要 内容和关键技术，应用虚拟样机技术开发机械设备新产品，探索虚拟样机技术在传统机 械设计与制造中的具体应用方法，为传统机械制造的创新探索了一种新的思路和方法， 因而本文具有很重要的理论意义和实际意义。 1 3 上纸设备的国内外研究现状 汽车起动机是一种微型电机，是汽车起动系统的关键装置【4 】。汽车起动机转子全自 动上纸机是为了满足在槽绝缘这个工位上能提高工作效率和产品质量而开发设计的。起 动机转子槽绝缘方式大约有两种：一种是插纸，另一种是涂敷。插纸工艺是一种传统的 槽绝缘工艺，插纸机根据插纸工艺可以分为立式插纸机和卧式插纸机【5 1 。由于插纸工艺生 产出的起动机转子成品率高，所以大规模的运用于起动机转子的生产。 通过对国内外有关生产起动机厂家先进插纸工艺过程的分析发现，一般国内的小型 生产厂家还主要是依靠人工的方式完成切纸插纸，或者是纯机械式的设备，结构复杂， 精度很低，不便于维修等，且生产效率很低，劳动力需求很大。在效益比较好的，产量 比较大的厂家已经采用了半自动化的上纸设备，其设备还是存在很多缺陷，比如结构依 然很复杂，造价高，自动化程度不高，不能实现自动上下料，且适应性低等。 目前国内已有自动化程度较高，性能优越的自动插纸机，但这种设备专业性较高， 不能适合多种产品的生产。由于最初的插纸机都是利用一些机械机构来进行分度，在分 度机构一旦选定后，分度值就比较难改变，难以满足不同槽数和不同槽型的转子生产， 所以插纸机的运用受到了限制。另一方面目前插纸机只考虑到单机的自动化，而没有考 虑整条生产线的自动化，如浙江巨龙自动化设备有限公司的z c 一2 0 0 b 型转子自动插纸机 嘲，能实现槽纸自动定长切断、自动成型、自动插入、自动分度，但该机型需要借助人 工安装定位转子，只能满足本工位的自动化生产，没有兼顾到转子上料、下料的结合。 还有绝缘纸插纸机采用一般机械传动来实现插纸的功能，噪音比较大，维修也不方便， 互换性差等特点。 汽车起动机转子全自动上纸机的虚拟装配及运动仿真 在国外，很多公司都采用了p l c 控制，并且带数字先生和报警功能。槽绝缘从材料 的剪切、成形到插入都可以在一台设备上完成，插入速度可以达到2 3 槽秒。在槽型 相同时，一次可以同时插入2 槽或3 槽，槽型不同时，可按大、小槽分3 次插完或者2 次插完。如美国爱默生公司的g a s d r e 卧式插纸机【_ 7 1 。但对于国内的中小企业来讲，这些 设备的价格是很难接受的，所以基于这些原因，我们接受企业的委托，帮助其开发一台 自动化程度高、生成精度高的全自动上纸机。 1 4 本文研究的主要内容 最近十来年中国汽车工业得到了快速的发展，因此对起动机的需求大大增加，同时 对它的质量要求也越高，运用传统的机械设备对起动机转子进行上绝缘纸已不能满足需 求。在总结前人工作的基础上，本文针对现有上纸机存在的问题进行了分析与研究，运 用机电一体化系统概念设计的基本原理，对自动上纸机进行机电一体化创新设计。本文 研究的主要内容如下： 第一章简要介绍了汽车起动机的功能和结构，以及起动机转子槽绝缘的方式，叙 述了本课题的研究意义，分析了汽车起动机上纸设备的国内外发展现状等。 第二章根据对转子上纸的工艺过程及对现有上纸设备的分析研究，确定了全自动 上纸机的性能要求、参数要求及工作流程，为了满足上纸机的功能及参数要求，提出了 运用机电一体化系统设计的基本理论，对上纸机进行总体技术方案研究，分析了全自动 上纸机主要功能模块的工作原理及设计要求，对送料模块、分度模块等重点工作模块做 了详细的设计分析，并提出了可行的设计方案。 第三章详细阐述了三维建模技术的概念、三维建模的方式、基于特征的实体建模 技术，根据企业的要求，我们选择s o l i d w o r k s 作为计算辅助设计工具，并分别介绍了 各个特征的使用方法，最后在s o l i d w o r k s 中建立了主要零部件的3 d 模型。 第四章详细叙述了虚拟装配技术的基本思想，分析了上纸机的虚拟装配顺序，并 利用虚拟装配技术在s o l id w o r k s 中对上纸机旋转部分、插纸工作部分及上纸机整体进 行了虚拟装配。通过s o lid w o k s 的干涉检查功能对上纸机整体装配模型进行了静态干涉 检验，并对干涉部分进行了分析，直到不合理干涉的消除，最后利用s 0 1 i d w o r k s 的生 成爆炸视图功能，生成上纸机旋转部分和上纸机整体的爆炸图，模拟了上纸机装配过程， 验证了上纸机装配的正确性。 第五章简要介绍了机械运动学和动力学仿真软件a d a m s 的主要功能及建模和仿真 步骤，运用a d a m s 软件对上纸机送料机构进行运动仿真，得出位置曲线、速度曲线、加 速度曲线，验证了机构设计的合理性。 第六章对本论文作了总结，并对全自动上纸机的研究及改进进行了展望。 4 西华大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章简要介绍了汽车起动机的功能和结构，以及起动机转子槽绝缘的方式，详细地 叙述了研究本课题的理论意义和实际意义，以及上纸机国内外的研究现状：最后介绍了 本文研究的主要内容。 汽车起动机转子全自动上纸机的虚拟装配及运动仿真 2全自动上纸机技术构成与总体技术方案 随着我国汽车工业的快速崛起，对汽车起动机的需求量越来越大，而且对其质量的 要求也越来越高，运用传统的机械设备已不能满足起动机转子进行上绝缘纸的需求。本 文运用机电一体化系统设计的基本理论对传统的汽车起动机转子上纸设备进行了创新 设计。 2 1全自动上纸机的性能要求及工作流程 2 1 1上纸机的性能要求 通过对浙江巨龙公司的z c 一2 0 0 b 型转子自动插纸机和美国爱默生公司的g a s d r e 卧 式插纸机的分析和研究，以及根据企业生产的汽车起动机的研究等，我们初步确定了全 自动上纸机的性能要求。上纸机机应以满足稳定高效的插纸生产率为前提，做到技术先 进，结构合理，经济适用，运行可靠稳定。 ( 1 ) 性能要求 一套全自动上纸机应具有： 1 ) 良好的使用性能 a 所有的动作都要符合上纸的工艺要求； b 运动平稳准确，能保证规定的运动精度； c 可靠性高； d 调节和使用维修方便，操作简单安全。 2 ) 合理的技术性能指标 a 应能保证实现客户所提出的上纸要求，完成后的工件便于运输和存储； b 具有一定的灵活性，能满足一定上纸范围内调节要求； c 换工装快捷，调试方便有刻度参照； d 结构简单，制造容易，成本低； e 生产效率高，能耗少； f 耐用的设计。 3 ) 其他 a 减轻劳动强度，不污染环境，讲究技术美学，创造文明生产条件； b 留有发展的余地，需要改进时而不致造成全机废弃。 6 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 具体目标及技术参数 本上纸设备是针对汽车起动机转子而设计的，我们通过对市场上起动机结构及型号 的研究，最终我们的上纸设备定位于能够完成对与发动机1 o l 到2 o l 匹配的起动机转 子的全自动化插纸。 1 ) 功能单元：送料模块、举升模块、顶紧模块、旋转模块、送纸模块、切纸插纸 模块、定初相位模块等7 个子功能模块。 2 ) 技术参数： 铁心长度：2 0 5 8 哪； 铁心直径：4 5 中6 0 胁； 转子轴径：中6 中1 6 m ； 转子槽数：2 1 槽以上； 漆包线直径：1 8 2 3 舳； p l c 采用知名品牌的欧母龙0 m r o n 控制器； 生产节拍：2 0 s 内； 气源压力：0 5 0 7 m p a 。 3 ) 适应绝缘纸形状：不超过转子的u 型、超过转子的u 型、连续的w 型等( 如图 2 1 )。 嘲蝴u 蔓燃 v 蔓燃 图2 1 绝缘纸形状 f i 9 2 1s h 印eo fn l ei n s u l a t i n gp 印e r 汽车起动机转子全自动上纸机的虚拟装配及运动仿真 2 1 2 上纸机工作流程 通过对国内外有关生产起动机厂家先进插纸工艺过程的分析发现，一般的上纸设备 工作流程都比较类似，一方面，大多数现有上纸设备都是依靠人工的方式先把转子安装 好，然后等待插纸；另一方面把绝缘纸通过送纸装置，送至切纸装置，切纸装置根据设 计不同的切纸长度把切断绝缘纸，等待插纸。完成转子槽插满绝缘纸后，再卸下转子， 完成插纸。 从以上分析可以看出，现有的上纸设备的自动化程度不高，而且利用人工安装转子 会对插纸精度产生影响，为了弥补这些不足，本文把自动上下料部分考虑到全自动上纸 机的设计中，并在转子通过举升模块举升到合适位置后，利用定初相位模块来保证插纸 的精度。其工作流程如图2 2 所示。 图2 2 全自动上纸机工作流程 f i 9 2 2t l l ew o r k i n gp r o c e s so ff u l l ya u t o m a t i ci i l s e np 印e rm a c h i n e 西华大学硕士学位论文 2 2 总体技术方案研究 在现代机电系统设计中，主要是综合运用电子、机械、液压气动以及控制技术等， 以系统整体为目标，然后研究系统各组成部分的相互联系，不过分强调具体机械结构， 分析系统整体性能要求，综合分析，综合评价，以获得最佳的设计方案的过程。 结合国内外自动上纸机的特点，在广泛收集同类上纸机相关资料的基础上提出了一 套全自动上纸机的总体设计方案，使其具有结构更紧凑、操作更方便、形式更新颖、工 作更高效等特点。通过对转子上纸工艺的充分理解与分析，为了实现全自动连续上纸的 总功能，我们把它分解成：送料模块、举升模块、顶紧模块、旋转模块、送纸模块、切 纸插纸模块、定位模块等7 个子功能模块【9 1 ，如图2 3 为全自动上纸机概念设计流程图。 图2 3 全自动上纸机概念设计流程图 f i 9 2 3t l l ec o n c 印t u a ld e s i 印p r o c e s so ff u l l ya u t o m a t i ci i l s e np 印e rm a c h i n e 9 汽车起动机转子全自动上纸机的虚拟装配及运动仿真 然后再选用不能的机构实现这些子功能模块的功能，如棘轮棘爪机构、连杆机构、槽轮 机构、凸轮机构等。实际上，实现不同的功能可以采用各种不同的原理，而且同一种也 可以选用不同的机构。随着科学技术的不断进步，更为了充分的体现创新设计的理念， 我们选用了把驱动元件和执行元件融为一体的具有很强可控性的广义执行机构。这种机 构不同以往传统的基本机构，而是由机、电、液以及磁等组成的具有更强可控性的机构。 并且在上纸机上使用磁感应传感器、光电传感器、以及p l c 控制器，从而使其能够在计 算机的控制下实现机械运动，以及信息的获取及处理与检测等，提高了上纸机的精度和 快速响应的能力，同时能够简化上纸机的结构。另一方面，我们在采用了把驱动原件和 执行原件融为一体的设计理念之后，简化了上纸机的传动链，减少了在机械传动过程中 的能量损耗，也符合绿色设计的要求。 全自动上纸机主要由送料模块、举升模块、定初相位模块、顶紧模块、旋转模块、 送纸模块、切纸插纸模块和框架部分等组成，其工序如下： 首先是送料举升。送料模块主要的作用是把从转子输送到举升的位置，其原理是利 用两个气缸同时运动来带动送料板一步步输送转子向前运动。当待加工的转子送至合适 的位置后，通过举升装置向上举升，在举升过程中，为了保证气缸举升到加工位置后， 转子与项尖和弹性夹平行，本机械设备选用防转的气缸作为举升气缸，并在气缸活塞上 套有调整块，具有纠偏的功能。 其次是定初相位顶紧。转子举升到位后，分别由两个气缸推动顶紧模块和分度插纸 等模块向转子移动，进行试顶紧，运动到位后，由定初相位模块搓动转子，使转子其中 一个槽对准插刀，确保插刀是插入转子槽中的，以避免对插刀的损坏，然后顶紧气缸和 弹性夹气缸同时运动，使弹性夹张开夹住转子轴，并顶紧。在这个工序的设计中，主要 的难点是定初相的问题，本机械设备中，采用气缸推动拨转组件来搓动转子，使转子槽 对准插刀。 再次是送纸切纸。送纸模块主要由立板、超越离合器、齿轮和压纸轮组成，其目的 是把卷纸压平后送至切纸装置。它主要包括手轮、立板、曲柄、连杆、超越离合器、齿 轮、主动轮、纸导轮和主轴等。装配后各轮之间必须平行以保证绝缘纸受力均匀平衡输 送。切纸模块则采用冲击气缸直接驱动切纸刀进行剪切，使结构大大简化，此设计十分 方便。因为冲击气缸能产生相当大的冲力，这时活塞将以极大的加速度向下运动，气体 的压力能转换为活塞的动能，利用此能量对工件冲击做功，以便剪断绝缘纸。 最后是插纸分度。旋转模块的主要功能是分度，把将要嵌入绝缘纸的起动机转子按 预期目标转动一个角度，以便于把绝缘纸正好以理想的方式嵌入转子槽中。即要求在一 西华大学硕士学位论文 个转子槽中嵌入绝缘纸后，转子按要求转动一个合适的角度，如此反复直到把绝缘纸嵌 满转子槽。 根据全自动上纸机性能和技术参数的特点，其设计思路应侧重于向组合化、通用化、 多功能集成化方向发展，使其成为具有一机多用的目的。基于以上思路，上述完成工序 的装置构成机器的基本性能框架，它包括了机器的几个主要功能模块( 图2 4 ) 。同时， 旋转模块和送料模块由于直接影响到整机上纸速度和精度等性能，成为全自动上纸机的 核心装置，尤其重要，因而作为设计研究的重点。从设计的角度来看每个部分的动作都 是相对独立，从装配的角度来看也是各为一体装配在机架上组合成一台完整的机器，显 出组合化设计的优势，即便于安装、调试，也便于对某一部件进行修改或更换，不至于 影响其它部件。为开发出功能合理、自动化程度高的全自动上纸机，在广泛查阅相关研 究资料并结合生产实践的基础上，本课题研究重点讨论了送料模块和旋转分度模块，完 成了全自动上纸机总体结构功能规划及整体设计方案。 图2 4 全自动上纸机功能结构图 f i 9 2 4t 1 1 e 缸l c t i o ns 仇l c t u r ec h a no ff u l l ya u t o m a t i ci i l s e np 印e rm a c h i n e 汽车起动机转子全自动上纸机的虚拟装配及运动仿真 2 3 主要功能模块的结构设计 2 3 1送料模块的结构设计 在加工起动机转子过程中，为了提高起动机的生产效率，节约企业的生产成本，不 仅仅要考虑单机的自动化，而且需要考虑建立起动机转子全自动化的生产线。即当一个 起动机转子槽中已经嵌满绝缘纸后，就像送料模块发出控制信号，由送料机构依次的送 入待加工的转子，并把加工好的转子送到合适的位置，由机械手转移到下一个工位。 在以往的设计中，送料机构的功能有很多机构可以实现，比如凸轮机构( 图2 5 ) 、 曲柄摇杆机构等。但是凸轮机构比较容易磨损，并且要设计出合适的凸轮曲线也很难， 还需要依赖高精度加工机床的保证。而不管是采用凸轮机构，还是曲柄摇杆机构其结构 都比较复杂，而且每步向前的距离也不能改变，为此，本文采用由p l c 控制两个气缸联 动的方式，由两个气缸的合成运动来实现转子的依次前进。送料功能实现的过程是送料 进出口两端的气缸向上托起送料板，向上托起的同时水平放置的气缸活塞杆伸出，使放 有起动机转子的送料板向前运动，到合适的位置后，托起气缸回缩，送料板向下运动， 使起动机转子放在固定的放料板上，此时水平气缸回缩，送料板回到初始位置，然后再 重复以上运动，把起动机转子一步步向前输送。 秽w 翮喜 上 幽匕勿 励 r ，l ，2 黝 1 端面凸轮2 盘形凸轮3 托架j 4 推杆5 托架6 电机辖子7 矩形运动轨迹j 图2 5 用凸轮机构实现送料 f i 9 2 5a c h i e v ef e c d i n gb yc 锄m e c h a n i 锄 根据上述送料功能实现的要求，本文对送料模块进行了结构设计( 总体结构如图 2 6 ) ，其主要由挡板、放料板、导向板、送料板和各个板的支撑零件及气缸连接部件 西华大学硕士学位论文 构成。 1 挡板2 放料板3 送料板4 轴承外圈5 接头6 气缸架1 7 连接架8 气缸架29 框架板 f l a b b 。=勘同 一 k 哪纩啊 一u _ ! 砬 翕d 0陵j c c d d 同鳋 甜 睁吲 i 一_ i j 。嗣一峰 翕 ： 图2 6 送料机构结构图 f i 9 2 6t l l es 仃u c t l l r ec l i a r to ff e e dm e c h a n i 锄 1 3 汽车起动机转子全自动上纸机的虚拟装配及运动仿真 2 3 2 旋转分度模块的结构设计 在机械设计中，有很多方式和机构可以实现分度功能，比如在以往起动机转子上纸 设备中常常以棘轮棘爪机构来实现分度的功能，由于在棘轮棘爪机构设计好后，就会按 其设计好的结构来确定转动的角度值，因此很难适应加工不同槽数的转子。而且棘轮棘 爪的制造精度就决定了起动机转子的分度精度，并且有累积误差的存在，分度越往后后 面误差就会越来越大。所以不能满足全自动上纸机的性能要求。另外，在一些自动化程 度不高的上纸设备中，也有采用步进电机来实现分度功能的，但是步进电机在启动频率 过高或负载过大时存在丢步或转堵等现象，响应不快，在转速较低时有振动现象，而且 步进电机本身是开环控制，所以控制精度不高等，终上所述，步进电机不能满足全自动 上纸机的要求。 最后是通过伺服电机来实现分度功能，我们发现伺服电机在自动控制系统中，由于 其控制方式是闭环控制，转子转动角度根据反馈值与目标值进行比较，进而调整转动角 度，所以伺服电机控制精度比开环控制的步进电机精度高，不会出现丢步或过冲的现象 控制性能更稳定。同时交流伺服电机为恒力矩输出，伺服电机运转非常平稳，即使在低 速时也不会出现振动现象，不但没有振动而且交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖 机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能( f f t ) ，可检测出机械的共振点便 于系统调整。伺服电机除了上述优点外，还有一个更重要的优点是动态响应能力很好， 加速性能较好，一般只需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。通过以上分析，我 们最终选用伺服电机来实现分度的功能。伺服电机旋转一个角度，通过同步带把运动传 递给汽车起动机转子。 为了能够把运动准确的传递到起动机转子，还需要有一个装置能够在旋转过程中， 始终夹紧转子，在夹紧的设计中，我们采用了比较典型机械式夹紧，首先是气缸推动螺 杆压缩弹簧，使弹性夹张开，起动机转子轴进入弹性夹内后，气缸回缩，利用弹簧的回 复力使弹性夹夹紧转子。分度模块结构如图2 7 所示。 1 4 西华大学硕士学位论文 1 小同步带2 皮带3 导筒4 弹性夹5 轴承6 大同步带 7 支撑底板8 弹簧9 螺杆1 0 气缸导筒1 1 卡板套1 2 垫圈 图2 7 旋转部分结构图 f i 9 2 7t 1 1 es 仃u c t u r ec h a no fr o t a t i l l gp a n 2 3 4 5 6 1 伺服电机的选择计算1 0 。1 3 】 由于全自动上纸机由于对伺服电机的快速响应和启停频率要求非常高，我们选择永 磁同步电机。根据伺服电机的选择原则，需要首先考虑负载通过机械传动系统折算到电 机轴的转矩，由于分度的时候只是为了实现转子的旋转运动，伺服电机带动的负载非常 小，可以忽略。故折算后的负载转矩丁，2 0 。 1 ) 计算负载折算到电机主轴上的惯量， 小叫讣 盟学 式中，一负载惯量； ，一皮带的惯量； ：一小同步轮的惯量； 汽车起动机转子全自动上纸机的虚拟装配及运动仿真 ，一大同步带轮的惯量； ，。一导筒的惯量； ，一弹性夹及螺杆的惯量； ，。一汽车起动机转子的惯量。 其中皮带宽度很窄，质量很小，故转动惯量可以忽略。即，= o 。 有钢质的大小同步带轮及导筒等圆柱体的惯量计算公式： ，= 0 7 8 d 4 三x 1 0 。6 堙佣2 式中；d 为圆柱体直径( c m ) ； l 为圆柱体长度( c m ) ； 把数据代入上式可以计算出： ，2 三o 7 8 2 5 4 2 5 1 0 6 7 6 1 7 1 0 - 6 堙c 7 ，2 2 厂，三0 7 8 9 4 1 5 1 0 _ o 7 6 7 6 3 7 1 0 6 置g c ，竹2 v o 厂暑o 7 8 6 4 1 4 5 1 0 - o 1 4 6 5 7 7 6 1 0 - o 惫2 c ，咒2 v4 o 厂，三0 7 8 2 2 4 1 8 5 1 0 o 3 3 8 0 3 1 0 一。盘2 伽z v ， o 厂，暑0 7 8 6 4 5 8 1 0 - o 5 8 6 3 1 0 1 0 - o 盘g c 7 竹2 v6 o 厂：7 6 1 7 + 翌垡坐箜婴善坠堕型1 0 ：2 4 0 5 5 8 1 0 s 堙嗍： ，f 2 z 。 2 ) 初选伺服电机的型号 根据换算到伺服电机轴上的负载转矩及负载惯量，我们初步选择西门子 1 f l 4 0 3 3 一o a f 2 1 一o a a o 步进电机，该电机最大静扭矩丁嘲= 3 8 m ，转子转动惯量 厂= 0 6 0 3 1 0 。4 极，z 2 。 ，m一 为了使伺服电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度，根据经验及参考同类设 备，有如下关系： 等扎及老“ 把前面计算的结果带入公式得： 垒： 2立：业咝：o 0 0 4 2l = 兰= 兰二= o 0 0 4 j 示蚓 _ = | = _ 蹲( - ) 口曲岍g n 删“蟹谴，上示硎 # 钾_ 洽 斓糕翻龃 一捆鲁嘲口犯 t 葛铀 图4 4 旋转部分虚拟装配模型 f i 9 4 4v 砷嗨l 触s 锄b l ym o d e l i n go ft l l er 0 蜥o np 矾 汽车起动机转子全自动上纸机的虚拟装配及运动仿真 上纸机主要的工作部分是实现把绝缘纸插到转子槽中，其工艺过程包括送纸、切纸、 插纸、旋转分度等，其工作部分结构如图4 5 。 图4 5 上纸机工作部分装配模型 f i 9 4 5v i n i 均】a s s 锄b l ym o d e l i i l go fw o r k i i l gp a r ti ni n s e r tp a p e rm a c h i i l e 西华大学硕士学位论文 依据虚拟装配技术的方法及步骤完成上纸机各个部件的虚拟装配以后，就可以进行 整体装配。上纸机虚拟总装配体如图4 6 所示。 码l 口测一上i 馒；= 二二二二= = 勺枷州i 暇认刖j