一种电机定子铁芯自动外叠装方法及其装置技术领域
本发明涉及发电机定子铁芯生产制造领域，特别是一种电机定子铁芯自动外叠装方法及其装置。
背景技术
铁芯是发电机定子的重要组成部分，其质量好坏对发电机的性能起着至关重要的作用，故对其制造过程提出了非常严格的要求。
在国内，发电机定子铁芯叠装作业普遍采用手工生产方式，即在发电机机座外,人工将冲片、铁片、通风槽板以及补偿片等按照一定的顺序和数量叠装成一个个分段，再将不同的分段吊进机座内组合成整体。从已公开和发表的技术文献分析，余平等发表于《东方电机》2005年第3期‘发电机定子铁芯外装压工艺分析’以及雷秀群等发表于《机电技术》2013年第3期‘大型汽轮发电机定子铁芯装压工艺的探讨’均对定子铁芯外叠装手工作业技术方案有较详细的阐述，并认为手工叠装作业工序众多、过程复杂，在工厂实际运用时，存在以下诸多难点：
1) 人工重复相同动作将很薄（不大于0.5mm）的冲片叠至6~7米高，劳动强度大；
2) 一台机组仅允许一组操作人员（约2-4人）叠装，为单线程工作，生产周期长；
3) 操作人员的技术水平和工作责任心有差异，容易发生冲片叠装出错，且出错率较高。
由于叠片过程要求无粉尘操作，且叠片与压紧过程交替进行，容易使操作者长时间处于高强度工作之中，一方面带来了人身安全问题，另一方面造成叠片过程不可控以及叠片质量无法保证的问题。
发明内容
本发明目的在于：解决现有的技术质量问题，提出一种电机定子铁芯自动外叠装方法及其装置，通过机械化、自动化和标准化的动作完成铁芯的叠装，有效减小人为失误造成的误差，而且能够保证叠装环境的无尘要求，还能够提高叠装效率。
本发明采用的技术方案如下：
一种电机定子铁芯自动外叠装装置，包括：工作台、机器人、对中台、叠装定位台和冲片料盘，所述工作台中心处设有叠装定位台，所述工作台等分为三部分，每一部分均设有机器人，所述机器人端部设有末端吸盘，所述机器人周围设有对中台、冲片料盘、铁片料盘、废料盘、通风槽板料盘和补偿片料盘，这样可以对机器人预先设计运动程序，根据不同的产品，选择不同的参数，只需要把物料备好，就可以使机器人按既定的程序实现，从而可以替代人工的单调重复的工作。
本发明的一种电机定子铁芯自动外叠装装置，所述对中台处还设有视觉检测装置，所述视觉检测装置的信号采集为4个工业级相机，这样的设置可以通过视觉检测装置对冲片进行外观检测，防止不合格物料进行叠装，从而可以保证叠装质量。
本发明的一种电机定子铁芯自动外叠装装置，所述冲片料盘与工作台之间还设有滑轨，所述冲片料盘上设有移动装置，可在滑轨上移动，一般情况下，滑轨的末端是伸出到工作台外部的，这样的设置是为了保证上料安全，因为冲片的使用量比较大，而且是采用吊装，设置于外部可以防止吊装操作失误对叠装装置造成损坏。
本发明的一种电机定子铁芯自动外叠装装置，所述冲片料盘旁边还设有第二冲片料盘，这样的设置是因为冲片的使用量大，取用频率比较高，如果设置一个料盘，会造成取用与上料干涉，而且也没有足够的时间对物料进行整理。这样设置考虑了机器人取用的方便性，不会影响装叠的正常进行。
本发明的一种电机定子铁芯自动外叠装装置，所述机器人、视觉检测装置、冲片料盘和对中台的动作通过控制器的协调控制，可以使各部分的动作统一协调，从而使精准自动，提高了叠装精度。
本发明的一种电机定子铁芯自动外叠方法，包括以下步骤：
步骤1、校准及调整叠装定位台
利用合像水平仪、直角尺、塞尺检测和校正叠装定位台的定位误差，采用四点测量法衡量叠装定位台的水平度，在叠装定位台上选取同一圆周上互成90°的4个点作为测量参考点，测量该4点的水平度，调整并保证同一直径方向上的两点，其水平度相差小于0.1mm，为衡量定位元件与叠装定位台基面的垂直度，采用1级直角尺从定位元件左侧、正面、右侧三处位置进行标定，以0.02mm的塞尺不过为标准；
步骤2、机器人运动路径规划
根据机器人各轴的行程范围特点，优化叠装路径并有效防止各机器人作业时的干涉，冲片、铁片、通风槽板以及补偿片料盘放置在每个机器人的1/4至3/4的工作行程范围内，且逆时针依次布置补偿片料盘、通风槽板料盘、铁片料盘以及冲片料盘；
步骤3、来料检查及上料
对冲片、铁片、通风槽板以及补偿片进行外观检查，保证来料质量，并根据叠装要求在料盘上正确上料，来料检查无缺陷后，按顺序整齐放置在对应料盘的中间位置，其位置误差不超过5%，高度不超过500mm；
步骤4、二次定位及再次检查
经过来料检查后，将物料放置在料盘上，通过机器人从料盘上抓取料后，放入对中台，通过对中台上设置的定位机构将物料推至标准位置，实现二次定位，在这个过程中，通过视觉检测装置将冲片分成4块区域利用4个相机分别拍照获得实时图像，工控主机具备高速处理能力，将实时图像迅速和标准冲片图像进行灰度比对，自拍照后0.5秒内给出对比结果，从而判断冲片是否有划痕、掉漆、卷边、缺角等缺陷，如有缺陷将冲片放到废料台上，再取一片新料继续；
步骤5、铁芯自动叠装
工作台圆周均布的3个机器人单个负责120°范围3张铁芯片叠装，相邻两张铁芯冲片间隔40°，每层冲片间错开1/2张片，其对称中心与叠装定位台半径重合，机器人从对中台上将冲片抓起，运动到距叠装目标位置800～900mm的高度，再下降至叠装目标位置，放下冲片，利用末端执行机构，推动冲片沿导向元件运动，并在冲片齿顶接触到定位元件后，以冲片内圆和下线槽内侧作为定位基准，再通过定位机构的作用使冲片装配到位，完成一次叠装；
本发明的一种电机定子铁芯外叠装方法，所述步骤4中，机器人抓料通过手爪装置实现，所述手爪装置包括：整体框架，所述整体框架上方与机器人连接有法兰、接线盒、气动换向阀组件、颜色传感器和距离传感器，在所述整体框架下方根据冲片形状和大小分布有三组气动吸盘组件，所述整体框架后方布置有一组向后伸出气缸组件和一组向下伸出气缸组件，所述气动换向阀组件为电磁换向阀组件，具有输入控制信号和输出状态信号的功能，所述换向阀与具有上下浮动机构的气动吸盘组件直接连通。
本发明的一种电机定子铁芯叠装方法，所述步骤5中，冲片定位通过叠装定位台实现，所述叠装定位台包括：堆放冲片的叠装平台和用于冲片准确定位的分向定位圆筒机构，所述分向定位圆筒机构位于叠装平台中心，所述分向定位圆筒机构，包括由定位棒和导向定位块组成的定位机构，由导向块以及限位零部件组成的导向机构，以及由气缸组成的动力机构，所述定位圆筒机构通过定位块与导向机构相连，所述定位棒均匀分布于同一圆周，且安装在定位块两端，叠装时与冲片两齿顶接触，定位块与冲片下线槽内侧接触，导向机构在气缸的控制下带动定位机构沿着圆周径向伸出和缩回，这样实现叠装时定位元件的精确定位。
本发明的一种电机定子铁芯叠装方法，所述步骤4中，所述二次定位，当冲片放上对中平台后，通过平台上的气缸推动冲片到达限位块后，停止推动，并通过传感器检测位置是否到位，并判断是否有粘片。
由于采用了上述的技术方案，本发明的有益效果是：提出一种电机定子铁芯自动外叠装方法及其装置，通过机械化、自动化和标准化的动作完成铁芯的叠装，有效减小了人为因素造成的误差，而且能够保证叠装环境的无尘要求，还能够提高叠装效率，并且可以有效的分离不合格物料。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的叠装装置的示意图；
图中标记
1-工作台、2-叠装定位台、3-机器人、4-末端吸盘、5-冲片料盘、6-滑轨、7-铁片料盘、8-废料盘、9-通风槽板料盘、10-补偿片料盘、11-对中台、12-控制器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示为本发明一种电机定子铁芯自动外叠装装置的实施例，如图1所示一种电机定子铁芯自动外叠装装置，包括：工作台1、机器人3、对中台11、叠装定位台2和冲片料盘5，所述工作台1中心处设有叠装定位台14，所述工作台1等分为三部分，每一部分均设有机器人3，所述机器人3端部设有末端吸盘4，所述机器人3周围设有对中台11、冲片料盘5、铁片料盘7、废料盘8、通风槽板料盘9和补偿片料盘10，这样可以对机器人预先设计运动程序，根据不同的产品，选择不同的参数，只需要把物料备好，就可以使机器人按既定的程序实现，从而可以替代人工的单调重复的工作，所述对中台11处还设有视觉检测装置，所述视觉检测装置的信号采集为4个工业级相机，这样的设置可以通过视觉检测装置对冲片进行外观检测，防止不合格物料进行叠装，从而可以保证叠装质量，所述冲片料盘5与工作台1之间还设有滑轨6，所述冲片料盘5上设有移动装置，可在滑轨6上移动，一般情况下，滑轨的末端是伸出到工作台外部的，因为冲片的使用量比较大，而且是采用吊装，设置于外部可以防止吊装操作失误对叠装装置造成损坏，所述冲片料盘5旁边还设有第二冲片料盘51，这样的设置是因为冲片的使用量大，取用频率比较高，如果设置一个料盘，会造成取用与上料形成干涉，而且也没有足够的时间对物料进行整理，所以这样考虑了机器人取料的方便性不会影响装叠的正常进行，所述机器人3、视觉检测装置、冲片料盘5和对中台11的动作通过控制器12协调控制，这样的设置可以使各部分的动作有一个统一协调，从而使动作相互配合，动作精准实现自动化，提高叠装精度。
本发明的电机定子铁芯叠装方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、校准及调整叠装定位台-
利用合像水平仪、直角尺、塞尺检测和校正叠装定位台的定位误差，采用四点测量法衡量叠装定位台的水平度，在叠装定位台上选取同一圆周上互成90°的4个点作为测量参考点，测量该4点的水平度，调整并保证同一直径方向上的两点，其水平度相差小于0.1mm，为衡量定位元件与叠装定位台基面的垂直度，采用1级直角尺从定位元件左侧、正面、右侧三处位置进行标定，以0.02mm的塞尺不过为标准；
步骤2、机器人运动路径规划
根据机器人各轴的行程范围特点，优化叠装路径并有效防止各机器人作业时的干涉，冲片、铁片、通风槽板以及补偿片料盘放置在每个机器人的1/4至3/4的工作行程范围内，且逆时针依次布置补偿片料盘、通风槽板料盘、铁片料盘以及冲片料盘；
步骤3、来料检查及上料
对冲片、铁片、通风槽板以及补偿片进行外观检查，保证来料质量，并根据叠装要求在料盘上正确上料，来料检查无缺陷后，按顺序整齐放置在对应料盘的中间位置，其位置误差不超过5%，高度不超过500mm；
步骤4、二次定位及再次检查
经过来料检查后，将物料放置在料盘上，通过机器人从料盘上抓取料后，放入对中台，通过对中台上设置的定位机构将物料推至标准位置，实现二次定位，在这个过程中，通过视觉检测装置将冲片分成4块区域利用4个相机分别拍照获得实时图像，工控主机具备高速处理能力，将实时图像迅速和标准冲片图像进行灰度比对，自拍照后0.5秒内给出对比结果，从而判断冲片是否有划痕、掉漆、卷边、缺角等缺陷；
步骤5、铁芯自动叠装
工作台圆周均布的3个机器人单个负责120°范围3张铁芯片叠装，相邻两张铁芯片间隔40°，每层冲片间错开1/2张片，其对称中心与叠装定位台半径重合，机器人从对中台上将冲片抓起，运动到距叠装目标位置800～900mm的高度，再下降至叠装目标位置，放下冲片，利用末端执行机构，推动冲片沿导向元件运动，并在冲片齿顶接触到定位元件后，以冲片内圆和下线槽内侧作为定位基准，再通过定位机构的作用使冲片装配到位，完成一次叠装，所述步骤4中，机器人抓料通过手爪装置实现，所述手爪装置包括：整体框架，所述整体框架上方与机器人连接有法兰、接线盒、气动换向阀组件、颜色传感器和距离传感器，在所述整体框架下方根据冲片形状和大小分布有三组气动吸盘组件，所述整体框架后方布置有一组向后伸出气缸组件和一组向下伸出气缸组件，所述气动换向阀组件为电磁换向阀组件，具有输入控制信号和输出状态信号的功能，所述换向阀与具有上下浮动机构的气动吸盘组件直接连通，所述步骤5中，冲片定位通过叠装定位台实现，所述叠装定位台包括：堆放冲片的叠装平台和用于冲片准确定位的分向定位圆筒机构，所述分向定位圆筒机构位于叠装平台中心，所述分向定位圆筒机构，包括由18根定位棒和9个导向定位块组成的定位机构，由9个导向块以及限位零部件组成的导向机构，以及由9个气缸组成的动力机构，所述定位圆筒机构通过定位块与导向机构相连，所述18根定位棒均匀分布于同一圆周，且安装在定位块两端，叠装时与冲片两齿顶接触，定位块与冲片下线槽内侧接触，导向机构在气缸的控制下带动定位机构沿着圆周径向伸出和缩回，这样实现叠装时的精确定位，所述步骤4中，所述二次定位，当冲片放上对中平台后，通过平台上的气缸推动冲片到达限位块后，停止推动，并通过传感器检测位置是否到位，并判断是否有粘片。
实现过程的具体描述，发电机定子铁芯自动外叠装方法，是采用沿圆周均布的3个工业机器人利用二次定位方式逐层在叠装定位台上叠装9张相同的冲片、铁片、通风槽板以及补偿片，最终达到工艺过程所要求的高度；
叠装路径规划：根据发电机定子铁芯叠装工艺要求，在单个机器人附近合理分布冲片、铁片、通风槽板以及补偿片料盘位置；结合视觉检测装置、对中台和叠装定位台的结构尺寸和所在位置，规划出单个机器人叠装路径；在叠装定位台上进行冲片叠装定位粗调，其结果用于修正局部叠装路径，通过设置机器人每层同步开始控制信号，使3个机器人在完成一层叠装之后同步进行下一层冲片叠装；
具体来说，由于机器人各轴的行程范围限制，为优化叠装路径并有效防止各机器人作业时的干涉，冲片、铁片、通风槽板以及补偿片料盘放置在每个机器人的1/4~3/4的工作行程范围内，且逆时针依次布置补偿片料盘、通风槽板料盘、铁片料盘以及冲片料盘。另外，叠装过程中，机器人要频繁抓取正常冲片，并放置到对中台上，故冲片料盘应布置在距离对中台和机器人最近的位置；一般地，设置两个冲片料盘，一个用于叠装取料，另一个则进行备料，两个料盘配合来保障送料的连续。
机器人叠装路径详细描述为：机器人先从冲片料盘上抓取冲片，经空间运动到对中台位置，将冲片放在对中台上进行二次定位；待冲片对中后，机器人将冲片再次抓起，运动到距叠装目标位置800~900mm的高度，再下降至叠装目标位置，放下冲片，利用末端执行机构，推动冲片沿导向元件运动，并在冲片齿顶接触到定位元件后，执行机构停止动作。在路径规划之前需要测量各组件的空间尺寸，以给机器人预留活动空间裕量，防止机器人与视觉检测装置、对中台以及叠装定位台发生碰撞。
按照上述过程进行叠装路径的规划，之后可利用冲片模板来实现机器人抓取冲片点的精确对位，记录此时的对位点，通过对位点倒推机器人在叠装定位台的放片点以及对中台的抓取点，以修改局部叠装路径。
校准叠装定位台：利用合像水平仪、直角尺、塞尺等工具检测和校正叠装定位台的定位误差。具体的，本发明采用四点测量法衡量叠装定位台的水平度，即在叠装定位台上选取同一圆周上互成90°的4个点作为测量参考点，测量该4点的水平度，调整并保证同一直径方向上的两点，其水平度相差小于0.1mm。为衡量定位元件与叠装定位台基面的垂直度，采用1级直角尺（规格800*600mm）从定位元件左侧、正面、右侧三处位置进行标定，以0.02mm的塞尺不过为标准。
来料检查：对冲片、铁片、通风槽板以及补偿片进行外观检查，保证来料质量，并根据叠装要求在料盘上正确上料。具体的，人工检查冲片、铁片、通风槽板等来料后是否有大面积的漆膜脱落、划痕、缺角、卷边等缺陷，以及冲片标记孔位置是否正确，防止不合格片进入叠装。来料检查无缺陷后，按顺序整齐放置在对应料盘的中间位置，其位置误差不超过5%，高度不超过500mm。
采用机器人进行二次抓取自动叠装：来料检查后，控制机器人记录各个料盘的抓取点和抓取高度，之后按照步骤（1）设定的路径进行自动叠装。本发明采用“逐层分段、补偿片微调高度”的机器人自动叠装方式来实现冲片的精确叠装，具体的：
沿圆周均布的3个机器人单个负责120°范围3张铁芯片叠装，相邻两张铁芯片间隔40°，每层冲片间错开1/2张片，其对称中心与叠装定位台半径重合。分段叠装下面叠一层通风槽板，中间叠50~70层冲片，上面叠一层铁片，如此重复8~10段；期间根据铁芯的分段压缩量和设计高度，事先规划每隔补偿片的添加位置，以微调分段铁芯高度。
机器人叠装单张冲片时，先进行校片，即准备一张冲片模板，利用圆圈标识机器人手爪的吸取装置位置；来料准备妥当后，将其放在各来料最上面；移动机器人及手爪装置，对准冲片模板上的标识，记录下此时手爪装置的空间位置和抓取高度。进行冲片二次对中时，即机器人先抓取料盘上定位误差较大的冲片，放置在对中台上，待对中台对冲片进行二次定位后，再将其抓起进行叠装，以此消除冲片在料盘上的位置误差及机器人运动关节的部分间隙保证叠装前机器人能精确抓片。最后进行叠装定位过程，将冲片内圆和下线槽内侧作为定位基准，当冲片到达叠装定位平台后，通过机器人手爪装置尾部推力杆沿叠装平台径向推动冲片，并在叠装平台引导机构作用下，使冲片接触到定位机构，从而实现单张冲片的准确叠装定位。
一层铁芯片叠装完，在同步信号控制下，3个机器人同时进行下一层冲片叠装，按照先前规定的叠装路径和叠装动作快速精确叠装，当叠装高度达到预设补偿高度时，机器人自动抓取补偿片进行叠装；当叠装高度达到预设分段高度时，机器人依次抓取铁片和通风槽板进行自动叠装；当叠装高度达到预设分叠装高度时，机器人停止叠装，并回到叠装路径起始点。
根据发电机定子铁芯冲片结构特点和外叠装工艺流程，设计了一种发电机定子铁芯冲片自动外叠装装置，包括机器人手爪装置、机器人控制系统、上料小车、对中平台、叠装定位台、视觉检测装置、PLC系统及人机界面。
所述叠装定位台包括在指定位置堆放冲片的叠装平台和用于冲片准确定位的分向定位圆筒机构。其中叠装平台包括叠装基础板和叠装支持板，分向定位圆筒机构位于叠装平台中心，包括由18根定位棒和9个导向定位块组成的定位机构，由9个导向块以及限位零部件组成的导向机构，以及由9个气缸组成的动力机构。定位机构通过定位块与导向机构相连，其18根定位棒均匀分布于同一圆周，且安装在定位块两端，叠装时与冲片两齿顶接触，起主要定位作用；定位块与冲片下线槽内侧接触，起辅助定位作用。导向机构在气缸的控制下带动定位机构沿着圆周径向伸出和缩回，这样既可以实现叠装时的精确定位，又可以在叠装完成后让出起吊空间。
铁芯冲片自动外叠装装置的控制体系采用上、下位机结构，上位机采用PLC系统与人机界面，下位机为机器人控制系统。PLC系统与机器人控制系统、叠装定位台、对中台、视觉检测装置、上料小车等实时进行通讯，并在人机界面实现叠装状态实时显示、分叠装参数设置以及上料信号、视觉检测信号、对中信号以及叠装同步信号控制等。机器人控制系统控制机器人本体和手爪装置，其内部存储有机器人叠装运动轨迹和信号处理程序，控制机器人本体及手爪装置按预定叠装路径和预定抓取方式动作。
所述机器人手爪装置，包括机器人本体和气动手爪装置，通过法兰使机器人本体末端与气动手爪装置连接。气动手爪装置包括一整体框架、在该框架上方与机器人连接的法兰、接线盒、气动换向阀组件、颜色传感器和距离传感器，在该框架下方根据冲片形状和大小分布有三组气动吸盘组件，在该框架后方布置有一组向后伸出气缸组件和一组向下伸出气缸组件。气动换向阀组件为电磁换向阀组件，具有输入控制信号和输出状态信号的功能，与具有上下浮动机构的气动吸盘组件直接连通。采用激光位移传感器，实现来料高度的精确探测。采用RGB数位光纤感测器，用于判断料盘上来料是否使用完。
所述对中平台，包括一个基础板，基础板上方的2个限位块、2个接近传感器、防负压胶带以及基础板前方一个气缸组件，其中2个限位块呈“八”字分布，“八”字开口与基础板前方交汇处安装气缸组件；接近传感器安装在限位块内侧，且低于基础板一定距离，用于检测冲片对中时的位置误差，判断冲片是否有粘片；防负压胶带沿限位块方向每隔一定距离粘贴在基础版上，解决冲片与基础板因负压牢牢粘在一起的问题。
所述视觉检测装置，包括安装在对中平台上方的4个工业级相机、1台工控主机、1个显示器，1个键盘和鼠标，1个检测软件。视觉检测装置将冲片分成4块区域利用4个相机分别拍照获得实时图像，工控主机具备高速处理能力，将实时图像迅速和标准冲片图像进行灰度比对，自拍照后0.5秒内给出对比结果，从而判断冲片是否有划痕、掉漆、卷边、缺角等缺陷。
本发明的有益效果：机器人叠装过程安全、连续、稳定，在有效保证叠装的一致性和稳定性的前提下大量节约人力成本、返工成本以及管理成本；定子铁芯叠装周期减少1/3，生产效率将显著提高；可实现定子铁芯叠装过程的自动化和数字化，提高叠装作业的信息化水平；将操作者从繁琐、枯燥的叠装工作中解放出来，明显降低操作者的劳动强度和安全风险。本发明提出的方法和装置使叠装后的燃气轮发电机定子铁芯尺寸精确、质量高于人工叠装，其余各项性能指标满足技术要求，相对人工有较大的优势。
以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。