一、項目研究的背景和意義

溫州電機換向器產業集群是全國的半壁江山，其市場份額占全國的一半以上，現有企業100來家，較大規模的有10多家。企業輻射深圳、蘇州、南京、福建等全國各地，年銷售額在50億元以上。近年來產品的科技含量逐步提高，獲得國家創新基金項目、列入國家火炬計劃項目。據不完全統計現有發明專利20多項，實用新型專利200多項，建有省級換向器試驗室并為主參加電機換向器國家行業標準的制訂，生產方式也從手工逐步實現半機械化。近來瑞安市博宇電器有限公司研發了智能數控電機換向器生產線并得到德國博世等公司的重視，多次來該公司考察商談合作事宜。

并對產品進行模塊化設計，包括結構設計、材料研發（如銀銅合金、納米材料、膜塑料的優選應用）、工藝的改進等。創造條件與國際知名電機企業如博世、大陸、博澤、德昌、日本電裝及萬寶至等在中國設立的生產基地合作，參與電機換向器產品設計開發，是換向器創名牌產品的技術前提。如瑞安為世界500強企業之一的博世公司配套而研發的換向器產品到達博世公司的噪音低、換向器在高速運轉后外徑變化量及換向片片間高低差及降低成本等方面的特殊要求。瑞安市在換向器產品設計方面也已積累了一些經驗。

可以說瑞安電機換向器與世界同步轉動。但與國外差距還較大，缺少高端、名牌產品。為此，在經濟轉型時期，瑞安電機換向器行業要抓住發展機遇，跟上時代步伐，實現機器換人創出高端產品，為瑞安經濟發展作出貢獻。

從產業鏈上看，換向器產品的下游行業為各大電機整機制造業，而電機的下游行業包含了幾乎全部國民經濟基礎行業，而其中汽車行業、家用電器、電動工具、OA辦公設備等是其典型及最主要的應用行業，通過對這四大應用領域需求的分析，可以看出未來市場對換向器的需求量是十分龐大且持續的。

1、汽車行業

汽車電機是汽車的核心零部件，在起動機、發電機、燃油泵、ABS系統、冷卻散熱系統、搖窗及雨刮等部件上均有應用。現代汽車尤其是高檔轎車大量采用新機械、新設備，極大地促進了汽車微特電機的應用，相應地刺激了對換向器的需求。

美國汽車工業聯盟預測，2015年全球汽車產量將超過9000萬輛，全球汽車保有量到2015年預計超過12億輛。

新興市場，尤其是中國、澳大利亞等市場日益成為全球汽車產業發展的主要增長動力。中國汽車工業協會的數據顯示，預計到2015年，產銷量有望達到2500萬輛，保有量達到約1.4億輛。

總的來看，一臺汽車出廠時需要使用換向器的電機平均數量為30個，車輛壽命平均約15年，在使用壽命內，油泵、雨刮、搖窗、起動機等零部件由于使用頻繁，電機更換需求較高，更換需求的換向器數量約8個。

基于以上車輛保有量、產量數據，到2015年預計達到34.26億只。按照每個汽車用換向器平均價格1.8/元計算，則2015年，全球來自汽車產業的換向器市場需求規模61.66億元，其中中國市場需求規模達到14.85億元。

2、家電行業

換向器作為家用電器的重要配套行業，伴隨其發展進步一路成長。家電制造行業對換向器的需求主要來自于如洗衣機，吸塵器、攪拌機、豆漿機、果汁機等電動小家電，以及吹風機等個人護理電器。歐美日等成熟市場的高附加值產品更新換代需求，以及新興市場消費者購買能力提升帶來的新生需求，同時小型家電產品需求開始普及，成為推動家電行業成長的主要驅動因素，進而帶動著其上游電機及換向器的需求不斷增長。

中國已經成為名副其實的全球家電生產中心。中國家用電器協會的數據表明，中國制造的45類家電產品銷量穩居全球第一，其中洗衣機、吸塵器及小家電產品分別超過全球產能的60%、85%、80%。預計到“十二五”期末，中國家電工業總產值將達到1.5萬億元，年均增長率達9.2%。

家電行業換向器整體需求規模。整體來看，全球來自包括洗衣機、吸塵器及電動小家電在內的家電行業的換向器需求量到2015年將達到24.15億只，復合增長率為7.0%，相應的，需求規模也將從41.08億元增長到52.69億元。

中國家電行業的換向器需求占到了全球的80%以上。需求量及需求規模分別增長到20.33億只和44.18億只，年均增長速度均超過8%。

3、電動工具行業

電機是專業電動工具的心臟，電機制造技術體現廠家的核心技術水平，性能受到整體系統集成的影響，因此，不同性能和功能的電動工具對電機及電機組件包括換向器的性能要求也有所不同。據中國電器工業協會電動工具分會的資料，按照一臺電動工具配備一臺需使用換向器的電機測算，至2015年全球電動工具市場的換向器需求量將達到約3.30億只。按照每個電動工具用換向器平均價格2.5元計算，則2015年全球換向器市場容量僅電動工具領域就達到8.24億元，其中中國市場需求量及規模分別達到2.84億只及7.11億元。

4、OA辦公設備行業

OA辦公設備，即辦公自動化設備，包括打印機、復印機、傳真機、投影儀、碎紙機等，其動力裝置基本都需要配備不同性能的電機，從而需配備不同類型的換向器。據中國模具工業協會預測，2015年將達到約14861萬套，年均復合增長率為2.0%。中國OA辦公設備制造業已經成功承接了國際產業轉移，產量約占全球的70%以上。

按照一套OA辦公設備配備兩臺需使用換向器的電機測算，2015年全球來自OA辦公設備市場的換向器需求量將達到2.97億只，若按照每個換向器平均價格0.6元計算，則2015年全球OA辦公設備用換向器需求規模達到1.78億元；中國OA辦公設備用換向器市場需求量及需求規模將分別達到2.20億只，1.32億元。

全球及中國電機換向器行業需求規模及預測。

總體來看，電機換向器全球需求規模上來看，到2015年預計穩定增長到64.67億只，復合增長率達到4.8%；需求規模也從2011年的103.03億元增長至2015年的124.38億元。

中國市場對電機換向器的需求量2015年33.62億只，復合增長率為7.6%，明顯高于全球水平，期間中國需求量占全球全球占比也從46.7%增長至52.0%；從需求規模上來看，2015年，市場規模及將分別達到67.46億元及54.2%。

在全球換向器行業中，中國必將扮演著越來越重要的角色。

二、電機換向器產品結構分析

對產品進行結構設計、創造條件與國際知名電機企業如博世、大陸、博澤、德昌、日本電裝及萬寶至等在中國設立的生產基地合作，參與電機換向器產品設計開發，是換向器創名牌產品的技術前提。如我公司為世界500強企業之一的博世公司配套而研發的換向器產品達到博世公司的噪音低、換向器在高速運轉后外徑變化量及換向片片間高低差及降低成本等方面的特殊要求。瑞安市在換向器產品設計方面也已積累了一些經驗。現將我們進行電機換向器產品結構設計進行研究分析如下。

換向器產品一般分為鉤型和槽型兩種，鉤型換向器根據使用要求的不同對片數的要求不一樣，當產品的片數較少，比如8片，10片，12片等時，鉤部分的寬度和厚度比較大，彎曲成形時的應力很大，容易造成鉤的根部與模塑料部分開裂，造成產品的不良，因此，采用如下設計：換向片底部燕尾部分與鉤根部相連，在端面部分采取20度斜角，避免銅材料露出表面，由于彎曲時應力集中在換向片身上，從而避免了開裂問題。電機換向器按照結構一般分為殼式和插片式兩種。前者銅材料成型前為整體式，依靠銑加工分片，后者成型前為片式，依靠云母片片間絕緣。常規的插片式結構采用的云母片是矩形結構，成型后因片間的擠壓力固定在產品中，在電機高速轉動時容易從產品中浮起或者飛出，對產品的質量影響很大。為預防此不合格現象再發生，該產品采用一種燕尾式結構云母片。云母片使用新結構后，加工成型后的產品中只存留很短的燕尾式云母片，不僅以壓力固定其中，而且燕尾式結構從結構上大大增加了固定的穩定性，從而很好的解決了云母浮起的隱患，提高了產品性能的穩定性。

槽型換向器成型后有的產品臺階端面上會有一層比較薄的模塑料，采用插片式結構時，當臺階外徑和工作面外徑差距較大時，由于覆蓋層的懸式結構和較薄的厚度，在壓塑成型后的高溫冷卻時容易與端面分層，造成不良。針對以上不足，通過如下技術方案克服：采用新型云母片結構，在臺階端面部分開燕尾槽結構。這樣成型后端面覆蓋層不再是懸式結構，深入燕尾槽的模塑料能夠產生足夠的拉力使覆蓋層與端面不分層，從而有效提高了產品質量穩定性。

傳統的插片式槽型換向器臺階處都是采用實心的銅材料換向片，通過機加工銑槽工序加工焊線槽成型，不僅在成本上比較浪費，而且對插片式換向器產品共存的斜片問題沒有任何幫助，當端面的模塑料結構比較特殊，需要定位成型時需要另外增加定位要素。因此，我司采用一種新型結構如下：在換向片頂部（成型后外圓部分）中心處增加拉槽，不僅減輕了投料成本，而且能很好的解決以上所述問題，大大提高產品的各項質量指標。尺寸較大的平面換向器一般采用冷擠壓結構和插片式結構兩種，因其換向片比較短，焊線比較粗大，當焊線與槽位出現偏差時換向片由于受到很大的軸向壓力而開裂。

我們針對以上不足，方案如下：換向片底部材料向右伸出，以杠桿形式增加換向片軸向彎折強度，從結構上提高性能，另外焊線方向增加光滑過渡的模塑料，當焊線與槽位出現偏差時能有效糾正，且承擔大部分所受到的軸向壓力，有效解決此類產品的難題，提高裝配性能。

如今的汽車換向器性能要求越來越高，對轉速要求同樣如此。汽車換向器的尺寸普遍較大，為滿足要求一般都是采用加強環結構，包括玻璃纖維材料和錳鋼材料兩種。但盡管如此，依然難以滿足越來越高的技術要求。因此，我司采用一種新型換向片結構，在換向片底部拉出雙溝槽，使用沖孔結構能保證雙溝槽每片保持完整的嵌入模塑料中，大大增強了換向片的徑向拉力，提高了產品高溫轉速性能。此新型設計僅適用于尺寸較大的換向器產品。

一般插片式汽車用換向器換向片結構普遍采用云母片絕緣結構，換向片與云母片接觸部分采用平面式直線結構，中心線部分開焊線槽焊線。此結構換向片銅材料在槽底部和槽頂部剩余厚度在槽深尺寸較大時相差較大，造成頂部銅材料的不必要的浪費，增加了產品的成本。采用本公司自主研發的一種實用新型的換向器的換向片，本實用新型目的在于滿足產品性能的同時節約材料成本，減輕產品重量，提高產品性能。通過如下設計方案實現：不再采用符合換向片角度的側面直線結構，在換向片頂部部分采用與中心線平行的結構，從而達到節省銅材投料，減輕換向片重量的目的。

汽車換向器的尺寸普遍較大，為滿足越來越高的高溫轉速要求一般都是采用加強環結構，包括玻璃纖維材料和錳鋼材料兩種。一般的換向片結構加強環都是嵌入兩端沖槽內，開槽時由于升高片較高，會產生很大的軸向壓力，且壓力部位集中在臺階頂部區域，而底部為懸梁結構，容易造成臺階向另一方向傾倒，產生倒排現象，另外臺階處集中了很大的質量，高速旋轉時，懸梁結構也會承受很大的應力。因此，本實用專利的目的在于克服這些不足，采用如下設計：換向片底部自臺階端面伸出，避免產生懸梁結構，加強環嵌套在伸出部位，避免臺階重量落在換向片端面部位，從而有效解決以上問題，大大提高產品的結構穩定性。

1、電機換向器的設計方案探討

多年來，我們設計了各種電機換向器，現將各種設計方案綜合如下，供參考。

方案一：

                 

方案二：

方案三：

方案四：

方案五：

方案六：

方案七：

方案八：

2、換向器采用的材料

2.1. 換向器用銅分兩大類：

2.1.1 無氧銅或電解銅

無氧銅或電解銅主要用于除吸塵器及電動工具以外的換向器，例如，小家電電機，汽車啟動馬達用換向器上。

2.1.2 銀銅合金

a. Ag-Cu 0.08% （萬分之八）

b. Ag-Cu 0.1% （千分之一）

c. Ag-Cu 0.2% （千分之二）

d. Ag-Cu 0.3% （千分之三）

第二大類的銀銅主要用于吸塵器及電動工具上： 吸塵器用（4） Ag-Cu 0.3% 的較多，因為吸塵器轉速較高，通常在35000~55000之間（當前主流），換向承受的線速度較高，換向時的火花不斷燒蝕換向器表面，造成換向器表面的溫度急聚升高，在銅中增加一定含量的銀后可以增加銀銅合金的耐高溫性，使得換向器表面不易造成變形，可以有效控制火花及浮排等不良的出現。電動工具用（2） Ag-Cu 0.1%的較多，百德、德昌、博世、牧田等基本都使用些含銀量的換向器，并不是說含銀量越高越好，好多人有一個誤區就是認為換向器含銀量越高越好，其實不是這樣的，含銀量高了以后，銀銅合金的導電率ASL會下降，從換向本身來說也帶來了負面的影響，表面不易形成有益的氧化膜，電動工具與吸塵器性質不一樣，所以不能一概而論，況且，純銀現在的價格在2700元/Kg，一噸銅里多加2Kg銀就等于成本多加了5000元，攤到每只換向器上也有幾分錢到幾角錢不等。當然還得取決于換向器本身的形狀及結構以及電機的大小，百德外徑大于28的產品基本會用（3）Ag-Cu 0.2%銀銅。當然光有銀銅了也不行，電木粉的材料以及換向器本身的結構也很關鍵，一款好的換向器決不是隨手可以設計出來的，有一個地方不好，那在使用過程中都有可能出現火花，跳排，浮片等各種各樣的問題。 換向器的硬度是一個非常非常關鍵的參數，這關系到與之配合的碳刷的配合性，配合得好可以抑制火花，增加壽命時間，反之則出現惡性不良失效的產生。

2.2. 電木粉（酚醛模塑料）

2.2.1 電木粉（又名酚醛模塑料）日文名稱：纖維強化樹脂成型材料。

電木粉（又名酚醛模塑料）：屬于熱固性塑料，以酚醛樹脂為粘合劑，木粉為主要填料，輔以添加劑，通過熱煉加工制備而成的粉粒狀酚醛模塑料。適宜于模壓成型和注塑成型，用于低壓電器、普通生活用具、阻燃、耐熱耐水的高強度電器配件和水潤滑軸承及密封圈、高性能汽車零配件，交通電器的絕緣結構件和具有高頻絕緣性的電訊、無線電絕緣零件等。

酚醛模塑料的分類介紹

分 類	國家標準命名	企業命名	主要用途
	GB/T1404.1-2008P
直流串激電機換向器專用酚醛模塑料	PF(GF30+GG20).Q/M	JM-6551	高速電機換向器
通用類	PF(WD45+MD10~ WD50+MD5).Q PF(WD40+MD15~WD45+MD10).Q/M PF(WD35+MD10~WD40+MD15).Q/M	PF2A1-131 PF2A2-141/141J UL PF2A2-151/151J UL	低壓電器、普通 生活用具等
特種類	PF(SS30+LF15+CD10).X PF(SS30+LF15+CD10).X PF(GF30+GG20).X PF(GF30+GG20).X	PF2S1-5802 PF2S1-441 PF2E6-985J UL PF2E6-985J（C）	阻燃、耐熱耐水的高強度電器配件和水潤滑軸承及密封圈
電器類	PF(WD20+MD15).Q PF(WD20+PS30).X PF(WD30+MD20).XA無氨 PF(WD25+MD10~WD20+MD10).Q/M	PF2A3-1601 PF2E2-3301 PF1A2-1501 PF2A4-161/161J UL	高性能汽車零配件，交通電器的絕緣結構件和具有高頻絕緣性的電訊、無線電絕緣零件
阻燃耐熱類	PF(GF25+GG25).X PF(GF20+GG30).X	PF2C3-431 PF2C5-631	低壓電器、儀表、 絕緣結構等

2.2.2 電木粉常見成型缺陷原因

a. 流紋：模具溫度偏低；射速、射壓不合理；料溫偏低；澆口太厚、太寬；入料速度偏小。

b. 起泡：模具溫度偏低；模具溫度太高（伴有燒焦味）；料溫太低；成型周期太快；電木粉含有雜質。

c. 充填不足：料量設定不夠，射壓、射速太小；射出時間不夠；料溫太低；模具排氣不良。

d. 裂紋：動定模模溫差大；模具溫度太高或太低；開模、脫模速度太快；周期太長；模具本身不良；整形不當。

e. 制品縮水：定模溫度太高；排槽太寬太厚；射出壓力太大，速度太快。

2.3. 環氧換向器云母板

P9環氧換向器粉云母板是換向器制造商最常用的云母板。換向器云母板，P9環氧換向器粉云母板是由環氧樹脂膠粘漆粘貼粉云母紙,經烘焙、壓制加工而成的硬質板狀絕緣材料。該制品厚度均勻，具有較高的電氣性能。適于作工作溫度130℃的直流電機換向器銅片間的絕緣。

3、進行電機換向器產品設計

對產品進行模塊化設計，包括結構設計、材料研發（如銀銅合金、納米材料、膜塑料的優選應用）、工藝的改進等。創造條件與國內大型電機企業及國際知名電機企業如博世、大陸、博澤、德昌、日本電裝及萬寶至等在中國設立的生產基地合作，參與電機換向器產品設計開發，這是換向器創名牌產品的技術前提。

3.1、絕緣材料進行優化

材料優選PM6432，其為無氨絕緣材料，特點是韌性好，抗沖擊，流動性好，易成型，尤其是在產品初步成型后的烘烤過程中，因是無氨材料，產品在烘烤中內應力極易消除，內部組織相對細密、穩定，能承受2000V/mm的電壓負載，絕緣性能極佳，特別適合起動機的換向器使用。其價格比同類絕緣材料低15-20%。

3.2、優化結構設計

（1）在換向片與云母片接觸部分采用平面式直線結構，中心線部分開焊線槽焊線。此結構換向片材料在槽底部和槽頂部剩余厚度在槽深尺寸較大時相差較大，造成銅材料的不必要的浪費，增加了成本。

（2）項目擬在換向片頂部部分采用與中心線平行的結構，從而達到節省銅材投料，減輕換向片重量的目的。

（3）為保證換向器在高溫、高速運轉下的強度和穩定性，項目產品采用的是對內孔加普通08F號鋼的襯套和對換向片加固的工藝。加固圈采用玻璃鋼制成，絕緣性能良好。內孔采用了“碗”形襯套，其襯套與電木粉良好的粘結，故而在轉子壓軸時其內孔過盈量可增加到0.08mm，從而杜絕了轉子與換向器打滑現象，再加上模塑料是通過預熱，在高溫、高壓的施加下迅速流入到換向片之間，使之固化成型后牢固的連為一體，保證了換向器整體的抗沖擊能力。

3.3、汽車電機換向器本體成型工藝及模具設計

本部分對電機換向器本體壓注成型工藝進行設計和模具結構設計及局部優化。項目分析了模具結構對換向器成型的影響進行了分析，通過理論分析與試驗對電機換向器壓注工藝參數進行優化設計。

3.4、電機換向器關鍵工序智能化制造設備的研究

3.4.1、電機換向器內孔、外圓加工專用機研發

（1）優化設計了換向器送料裝置，通過電磁振動盤、可調式變軌等結構與光電等傳感器實現了多類型電機換向器的準確送料。

（2）巧妙設計了換向器的輸送、限位、裝夾等裝置裝置，采用擋板與光電傳感器結合實現電機換向器的定位，通過液壓剪式機械手加持裝置與對應夾具結合，實現了產品的夾取、裝夾及卸料。在限位座內設有出料滑道，輸料塊整體呈“S”型并與主軸箱相對應。主軸箱內設有可伸縮的轉軸，其靠近收送料機構一端設有環形凹槽，并使“C”型夾塊的開口對準環形凹槽。

（3）采用伺服電機實現精確的位置控制和嚴格的速度同步運動控制設計。伺服驅動器通過在驅動器內部的電流環，速度環和位置環都進行了精確的控制技術和算法運算，在功能上可以進行精確的位置控制、扭矩控制、轉速控制等，增加了運行的穩定性。

3.4.2、換向器雙機頭銑槽銑鉤專用機研發

（1）通過電磁振動盤、可調式變軌等結構與光電等傳感器實現了多類型電機換向器的準確送料。采用擋板與光電傳感器結合實現電機換向器的定位，通過液壓剪式加持裝置與對應夾具結合，實現了產品的夾取、裝夾及卸料。

（2）創新設計了刀軸和刀頭組成的銑槽裝置，刀軸由電機驅動且刀軸可在機架上上下移動，刀頭切割方向與夾料裝置平行，把原機改成為立式、一對機變革為一機、兩道工序在一機內完成。

（3）采用PLC智能化觸摸屏控制，產品使用機器代替人工作業，自動化程度高，降低勞動成本，增加安全系數，使生產效率更高。

3.4.3、換向器兩位移動式砂光研磨專用機研發

（1）采用砂磨機和毛刷機組成砂光研磨裝置提高了換向器的加工精度。研磨機構可在工作臺上前后移動，兩組毛刷機分別對應兩組上、下夾頭，兩組毛刷機的毛刷輪形成夾角，具有自動控制裝卸料、夾緊松開、能將產品無間隙加工好，通過機械手將換向器自動運送到上、下夾頭，使研磨機構能對換向器的外圓進行研磨，減小了勞動強度，提高了產品質量和加工效率。

（2）工作臺內設有研磨機構和多組上、下夾頭及設有進料道、出料道和機械手架。機械手架兩側機械手在行程最大處分別與進料道、出料道相對應。

（3）設計自動控制裝卸料、夾緊松開、加工能將產品無間隙加工好，通過機械手將換向器自動運送到上、下夾頭，使得研磨機構能對換向器的外圓進行研磨，無需工人的手工操作，減小了工人的勞動強度也提高了工作效率，并且由于消除了人工帶來的誤差，使得加工出來的換向器精度更高。

（4）采用PLC智能化觸摸屏控制，產品控制自動裝料卸料，提高裝夾的效率和精度，也減小了工人使用時的勞動強度，增加了運行的穩定性。

3.4.4、換向器液壓三道模式彎鉤專用機研發

全自動電機換向器液壓三道模式彎鉤專用機產品的彎鉤沖壓過程分三步完成，有效防止彎鉤部折斷，使生產效率更高。采用PLC智能化觸摸屏控制，生產全過程由程序控制系統執行、自動控制裝卸料、夾緊松開、加工，能將產品無間隙加工好。實行無人操作、杜絕操作人員的安全事故。

（1）優化設計了液壓移位式三道模壓彎鉤機構，首個沖壓裝置的底座彎鉤模腔為斜面，第二個沖壓裝置的底座為沖壓裝置的底座彎鉤模腔為平面，第三個沖壓裝置的底座彎鉤模腔為成型錐面，提高了產品加工的安全性，保證了產品質量。

（2）采用自動送料、夾緊松開的裝卸料、加工，通過PLC智能化觸摸屏控制，提高裝夾的效率和精度，減小了勞動強度。

3.4.5、換向器絕緣耐壓檢測專用機研發

（1）通過多組夾頭、機械手架和檢測機構，實現了換向器的內圓面與外圓面的耐壓性進行檢測，解決了換向器內圓面難檢測的問題，提高了檢測的全面性，有效的防止不合格產品的產生。

（2）采用PLC智能化觸摸屏控制，提高了裝夾的效率和精度，產品控制自動裝料卸料，提高裝夾的效率和精度，減小了工人使用時的勞動強度，增加了運行的穩定性。

三、智能電機換向器生產設備的研究

3.1、電機換向器生產設備系統的設計

3.1.1. 數控電機換向器生產設備輸送線的研發

3.1.1.1 振動盤

是將待加工的產品按照要求輸送入自動裝卸料裝置。

3.1.1.2 自動裝卸料裝置（機械手）

由程序控制將相關機床加工好的產品卸下送到皮帶并且將待加工的產品送入相關機床。

3.1.1.3 聯絡輸送皮帶

是為全部加工換向器的附屬設備服務為主要目的設置的，在加工好內外圓的產品同期在輸送皮帶上同步完成檢驗工作。按工藝流程去滿足加工產品機床的條件與要求；能夠按照各道工序的相關要求、加工好產品，并且為產品在下一臺機床上的加工做好相關的準備工作。

圖1電機換向器生產線結構示意圖

3.2. 整條生產設備系統模式設計

整條生產線系統模式設計。整條生產線產品包含有由六臺機器組成，分別是全自動電機換向器內孔、外圓加工專用機；全自動電機換向器雙機頭銑槽銑鉤專用機；全自動電機換向器液壓三道模式彎鉤專用機；全自動電機換向器兩位移動式砂光、研磨專用機；全自動電機換向器絕緣耐壓檢測專用機。整機采用變頻器技術的傳動系統設計，通過對供電頻率的轉換來實現電動機運轉速度率的自動調節，把50Hz的固定電網頻改為30—130 Hz的變化頻率并使電源電壓適應范圍達到142—270V，解決了由于電網電壓的不穩定而影響電器工作的難題。 通過改變交流電頻的方式實現交流電控制。產品采用伺服電機實現精確的位置控制和嚴格的速度同步運動控制設計，伺服驅動器通過在驅動器內部的電流環，速度環和位置環都進行了精確的控制技術和算法運算，在功能上可以進行精確的位置控制、扭矩控制、轉速控制等。產品具有結構合理、性能優異、質量可靠、省料、生產成本低，性能穩定。產品已銷國內多家電機制造公司使用，反映良好。

3.3、 智能控制系統設計開發

控制系統是本項目產品的核心，在控制系統設計中，除了需要開發單元設備的控制系統外，還需要對單元設備的集成、生產節拍的控制、工藝參數的專家數據庫系統、統一的人機界面、網絡接口及遠程維護系統等進行深入研究。項目產品控制系統的總體結構如下圖所示：

圖2電機換向器智能控制系統示意圖

3.3.1. 單元控制器與生產設備控制系統的集成結構

單元設備都有自身的控制系統，但組成生產線以后，單元的控制與生產線的總體控制、運動的協調和同步、節拍的設計和控制等等都需要重新設計；參數的下達、生產數據的上傳也需要制訂統一的協議；電器硬件和軟件的接口也需要統一定義；此外，基于總線結構的執行層鏈接方式也需要重點關注。

3.3.2. 采用多種控制電機的傳動和定位系統設計以及同步運動控制

在生產設備中，會涉及多種電機的協同運動控制，包括變頻、步進、伺服以及多種氣動部件、電磁鐵部件的控制；開發多軸運動控制系統，完成多單元設備的協同同步控制，是本內容解決的關鍵問題。

3.3.3. 基于網絡的故障診斷和遠程維護系統

智能設備基于網絡的遠程診斷和維護系統是必備的配置。在項目中，將重點對網絡及其可靠性、遠程檢測和維護的檢測點和參數設置、檢測方法和維護技術；工藝參數的保密技術等進行研究，選用合適的傳感器、開發相應的技術和裝置。

3.3.4. 智能集成控制軟件設計和參數數字化設置界面開發

項目產品為智能模塊化生產設備，需要開發一套適合快速配置的智能配置軟件系統，用戶在軟件界面上就可以方便進行設備配置，經配置后，生產工藝參數，包括單元的生產節拍和整機生產節拍、單元設備之間以及整機的同步等都可以自動智能生成；生產工藝專家數據庫自動維護。

同時還需要開發工藝參數的數字化設置，支持工藝參數通過網絡的下載以及數據上傳，預留ERP接口，便于今后的信息化和工業化的融合。

3.4、數控電機換向器生產設備的設計開發

3.4.1. 換向器內孔、外圓加工專用機

配套設計有自動控制裝卸料、夾緊松開、加工能將產品無間隙加工好、并且即刻進行檢驗、防止產生批量不合格產品。

全自動電機換向器內孔外圓加工專用機創新設計換向器內孔外圓加工裝置，能自動控制裝卸料、夾緊松開，能將產品無間隙加工好、并且即刻進行檢驗、防止產生批量不合格產品，提高了裝夾的效率和精度，減小了工人使用車床時的勞動強度。

3.4.1.1. 創新設計換向器內孔外圓加工裝置。該裝置包括工作臺、車刀架、主軸箱和收送料機構。收送料機構包括限位座、輸料塊、進料滑道、推料板和收料桿，限位座內設有出料滑道，輸料塊整體呈“S”型并與主軸箱相對應。主軸箱內設有可伸縮的轉軸，其靠近收送料機構一端設有環形凹槽，并使“C”型夾塊的開口對準環形凹槽。這種結構使得收送料機構完全代替人工的裝夾和卸料操作。而而工人在裝夾時必定沒有機械裝置的精準度，從而所加工出來的換向器不易達到標準要求，加工出來的換向器廢品較多。手工裝夾的方式也由于需要進行對準等工序，使得工人在裝夾換向器工件時效率較為低下、工人的勞動強度較高。

3.4.1.2. 創新設計自動控制裝卸料、夾緊松開，能將產品無間隙加工好、并且即刻進行檢驗、防止產生批量不合格產品。

3.4.1.3. 采用伺服電機實現精確的位置控制和嚴格的速度同步運動控制設計。伺服驅動器通過在驅動器內部的電流環，速度環和位置環都進行了精確的控制技術和算法運算，在功能上可以進行精確的位置控制、扭矩控制、轉速控制等，增加了運行的穩定性。

3.4.2. 換向器雙機頭銑槽銑鉤專用機

全自動電機換向器雙機頭銑槽銑鉤專用機，創新設計銑槽裝置包括刀軸和設于刀軸上的刀頭，刀軸由電機驅動且刀軸可在機架上上下移動，刀頭切割方向與夾料裝置平行，并采用一對機變革為一機、兩道工序在一機內完成，設置兩臺機即滿足生產線要求。產品具有自動上下料、自動定位的功能。

3.4.2.1. 創新設計一種電機換向器銑槽銑鉤裝置，包括工作臺、送料皮帶、收送料裝置、機械手架、多個夾料裝置、多個銑槽裝置和出料道。該裝置出料道連接送料皮帶，收送料機構包括限位座、輸料塊、進料滑道、推料板和收料桿，限位座滑動連接工作臺。輸料塊整體呈“S”型，工作臺上設有對準出料滑道的托盤，機械手架可在工作臺上左右移動。銑槽裝置包括刀軸和設于刀軸上的刀頭，刀軸由電機驅動且刀軸可在機架上上下移動，刀頭切割方向與夾料裝置平行。

而目前，電機換向器開槽的加工方式，依賴于人工上料、定位、取料，這種加工方式不僅工作人員勞動強度大，效率低下，且安全系數低，容易發生工傷事故，不利于提高生產效率。

3.4.2.2. 優化整機設計。原有洗鉤洗槽機分為兩臺機加工、速度大慢滿足不了生產線的要求、且多臺機并聯又難以解決裝卸料的進行。因此把原機改成為立式、一對機變革為一機、兩道工序在一機內完成，設置兩臺機即可滿足生產線要求。

3.4.2.3. 采用PLC智能化觸摸屏控制，產品使用機器代替人工作業，自動化程度高，降低勞動成本，增加安全系數，使生產效率更高。

3.4.3. 換向器兩位移動式砂光研磨專用機

由于種種原因原有砂光、研磨機不便適合實現自動化、更是轉盤大不易維護。為了實現自動化，設計為兩位移動式的砂光研磨機。全自動電機換向器兩位移動式砂光研磨專用機產品采用產品采用全自動換向器砂光研磨裝置。其研磨機構由砂磨機和毛刷機組成，研磨機構可在工作臺上前后移動，兩組毛刷機分別對應兩組上、下夾頭，兩組毛刷機的毛刷輪形成夾角，具有自動控制裝卸料、夾緊松開、能將產品無間隙加工好，通過機械手將換向器自動運送到上、下夾頭，使研磨機構能對換向器的外圓進行研磨，無需工人的手工操作，減小了工人的勞動強度也提高了工作效率，并且由于消除了人工帶來的誤差，提高換向器精度。

3.4.3.1. 創新設計全自動換向器砂光研磨裝置。其包括工作臺和傳送皮帶。工作臺內設有研磨機構和多組上、下夾頭及設有進料道、出料道和機械手架。機械手架兩側機械手在行程最大處分別與進料道、出料道相對應。研磨機構由砂磨機和毛刷機組成，研磨機構可在工作臺上前后移動，兩組毛刷機分別對應兩組上、下夾頭，兩組毛刷機的毛刷輪形成夾角。

3.4.3.2. 創新設計自動控制裝卸料、夾緊松開、加工能將產品無間隙加工好，通過機械手將換向器自動運送到上、下夾頭，使得研磨機構能對換向器的外圓進行研磨，無需工人的手工操作，減小了工人的勞動強度也提高了工作效率，并且由于消除了人工帶來的誤差，使得加工出來的換向器精度更高。

3.4.3.3. 采用PLC智能化觸摸屏控制，產品控制自動裝料卸料，提高裝夾的效率和精度，也減小了工人使用時的勞動強度，增加了運行的穩定性。

3.4.4. 換向器液壓三道模式彎鉤專用機

由于原有彎鉤工序用沖床單項人工操作、人員事故多發、現設計為液壓三道模壓彎鉤、全過程由程序控制系統執行。全自動電機換向器液壓三道模式彎鉤專用機產品的彎鉤沖壓過程分三步完成，有效防止彎鉤部折斷，使生產效率更高。并采用PLC智能化觸摸屏控制，生產全過程由程序控制系統執行、自動控制裝卸料、夾緊松開、加工，能將產品無間隙加工好。實行無人操作、杜絕操作人員的安全事故。

3.4.4.1. 創新設計換向器彎鉤裝置，其包括工作臺、送料皮帶、機械手架和多個沖壓裝置，工作臺上設有對準托盤的進料軌道和對準送料皮帶的出料軌道，機械手架可在工作臺上左右移動。 沖壓裝置包括互相對應的底座和沖頭，沖頭可在機架上上下移動。首個沖壓裝置的底座彎鉤模腔為斜面，第二個沖壓裝置的底座為沖壓裝置的底座彎鉤模腔為平面，第三個沖壓裝置的底座彎鉤模腔為成型錐面。

而目前，大部分換向器的彎鉤工作依賴于工作人員一對一的生產方式，手動將換向器放入沖床的夾具中，再用沖床一次成型彎鉤，上述換向器彎鉤過程不能實現自動化生產，容易折斷換向器彎鉤部，工作效率低下，勞動強度大，同時也提高了生產成本。

3.4.4.2. 整機優化設計液壓彎式三道模彎鉤機；由于原有彎鉤工序用沖床單項人工操作、人員事故多發、現階段更改為液壓移位式三道模壓彎鉤、全過程由程序控制系統執行、實行無人操作、杜絕操作人員的安全事故。

3.4.4.3. 創新設計自動控制裝卸料、夾緊松開、加工能將產品無間隙加工好、并采用PLC智能化觸摸屏控制，產品控制自動裝料卸料，提高裝夾的效率和精度，也減小了工人使用時的勞動強度。

3.4.5. 換向器絕緣耐壓檢測專用機

將工藝流程中產品的耐壓、絕緣檢驗采用程序控制、自動進行檢驗工作、減少工作人員。全自動電機換向器絕緣耐壓檢測專用機能夠將整條生產線工藝流程中產品的耐壓、絕緣檢驗利用智能數控程序進行自動檢測，也能自動對換向器的換向片進行絕緣檢測及對換向器的內圓面與外圓面的耐壓性進行檢測。具有對加工完成的換向器進行全方面的絕緣耐壓檢測，并且對不合格的換向器進行提示。

3.4.5.1. 創新設計絕緣耐壓檢測裝置。該新型裝置能夠自動對加工完成的換向器進行全方面的絕緣耐壓檢測，并且對不合格的換向器進行提示，加快了工作的效率，減小了工人的勞動強度。其包括工作臺、傳送皮帶。工作臺上設有多組夾頭、機械手架和檢測機構，檢測機構內設有檢測叉和通電的夾爪，檢測叉和夾爪與夾頭對應設置。

而現有的換向器絕緣檢測裝置，使用時，工人需要手動對換向器進行裝夾，且在裝夾完成后還需手動不斷旋轉夾頭，使得探頭能夠接觸整個換向器外圓面，這種使用方式效率比較慢且工人勞動強度較大，而換向器內外圓表面間也需要絕緣，就傳統的絕緣檢測裝置來說不能對內外表面間的絕緣性進行檢測。

3.4.5.2. 該產品能與全自動電機換向器生產線配套。將工藝流程中產品的耐壓、絕緣檢驗利用智能數控程序、自動進行檢驗工作、減少操作人員。能夠自動對換向器的換向片進行絕緣檢測，也能對換向器的內圓面與外圓面的耐壓性進行檢測，防止產生批量不合格產品。

3.4.5.3. 采用PLC智能化觸摸屏控制，提高了裝夾的效率和精度，產品控制自動裝料卸料，提高裝夾的效率和精度，減小了工人使用時的勞動強度，增加了運行的穩定性。

四、電機換向器產業集群創新發展的建議

為了適應國際主流創新發展的方法，從產品設計、技術研發、品牌建立、規模擴張作為產學研的核心工作，培育企業具備較強競爭能力。近年來國外電機企業紛紛進入中國國內市場，國際知名電機企業如博世、大陸、博澤、德昌、日本電裝及萬寶至等大都在中國設立生產基地。他們立足與其合作。目前，從以下三方面作進行技術創新發展。

4.1、《智能數控電機換向器生產設備》提高無故障時間的研究

4.4.1、生產設備系統模式優化設計。優選合理的匹配參數，達到最佳的工作效果。

4.4.2、生產設備系統自動化控制設計，采用伺服電機實現精確的位置控制和嚴格的速度同步運動控制設計，伺服驅動器通過在驅動器內部的電流環，速度環和位置環都進行了精確的控制技術和算法運算，在功能上可以進行精確的位置控制、扭矩控制、轉速控制等。

4.4.3、提高生產設備的可靠性研究。包含有由六臺機器組成，分別是電機換向器內孔、外圓加工專用機；電機換向器雙機頭銑槽銑鉤專用機；電機換向器三道模式油壓彎鉤專用機；電機換向器兩位移動式砂光、研磨專用機；電機換向器絕緣檢測專用機

為了適應國際主流創新發展的方法，我們從產品設計、技術研發、品牌建立、規模擴張作為產學研的核心工作，培育企業具備較強競爭能力。近年來國外電機企業紛紛進入中國國內市場，國際知名電機企業如博世、大陸、博澤、德昌、日本電裝及萬寶至等大都在中國設立生產基地。他們立足與其合作。目前，作為起步工作，從以下三方面作進行技術創新。

4.4.4、 進行電機換向器產品設計。對產品進行模塊化設計，包括結構設計、材料研發（如銀銅合金、納米材料、膜塑料的優選應用）、工藝的改進等。創造條件與國內大型電機企業及國際知名電機企業如博世、大陸、博澤、德昌、日本電裝及萬寶至等在中國設立的生產基地合作，參與電機換向器產品設計開發，這是換向器創名牌產品的技術前提。

4.2、《智能數控電機換向器生產線》提高無故障時間的研究

4.2.1、整條生產線系統模式優化設計。優選合理的匹配參數，達到最佳的工作效果。

4.2. 2、整條生產線系統自動化控制設計，采用伺服電機實現精確的位置控制和嚴格的速度同步運動控制設計，伺服驅動器通過在驅動器內部的電流環，速度環和位置環都進行了精確的控制技術和算法運算，在功能上可以進行精確的位置控制、扭矩控制、轉速控制等。

4,2.3、提高整條生產線設備的可靠性研究。包含有由六臺機器組成，分別是電機換向器內孔、外圓加工專用機；電機換向器雙機頭銑槽銑鉤專用機；電機換向器三道模式油壓彎鉤專用機；電機換向器兩位移動式砂光、研磨專用機；電機換向器絕緣檢測專用機。

4.2.4、對國內外電機換向器的現狀及發展方向進行較深入的調研，為電機換向器的整體發展提供基礎資料，掌握競爭情報。

溫州市機械工程學會

2023.12.06