硅钢片柔性磁力分张方法研究

陆 犇，张泽民，朱晓军

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

电机制造过程中需要将硅钢片进行裁剪，或直接冲制成圆形、环形或扇形等形状，并进行去毛涂漆等加工工序。工序间硅钢片半成品需要按生产要求码垛整齐，以便于下一道工序的运输和使用。随着硅钢片制造的智能化水平不断提高,越来越多的冲剪和涂漆设备都采用机械手对硅钢片进行自动上料[1]。为了防止因硅钢片平整而造成片间真空吸附，从而产生多片硅钢片同时被送入设备，造成设备报警、故障和停机的情况，一般需采用磁性分张装置，利用磁铁在各层硅钢片中形成磁路，达到表面几张硅钢片之间同性相斥,分离出首张的硅钢片的作用[2]。

传统的磁性分张装置多采用机械硬连接方式，对于产品种类较多的情况，切换调整较为复杂、费时费力。同时，因硅钢片与磁性分张装置之间存在间隙，在复杂的工作环境中，由于前一片硅钢片上料时产生的摩擦、轻微撞击等原因，易造成后一片甚至多片硅钢片位置走动的问题。对于精度要求较高的自动化冲剪和涂漆设备来说，微小的位移都会造成设备不稳定，频繁报警和故障，甚至发生设备安全质量事故。因此亟需研究一种具有高柔性、自适应的磁性分张装置，以适应产品种类切换频繁生产线。

1 磁力分张原理

当磁性材料靠近磁铁时会被磁化，被磁化的材料具有相同的、且与靠近磁极相反的磁性，磁力分张就是利用了这种原理。将磁铁的N极或S极靠近一叠码垛整体的硅钢片，硅钢片被磁化且具有相同磁性，相互排斥。当排斥力大小足以克服硅钢片重量、相邻硅钢片之间的真空吸附力和磁铁对硅钢片产生的反作用力时，就会在片与片之间产生一定间隙，从而避免机械手抓片时误取两张的现象发生。

磁力分张后，因磁铁对硅钢片具有一定的吸附力，且磁场强度越大，吸附阻力越大。因此，需要选择合适的磁铁，在满足分张的前提下，还可以保证硅钢片能够顺利地被机械手抓起。对首张硅钢片进行受力分析如图1所示，假设抓取过程中，首张硅钢片只受机械手的提升力F，冲片重力mg和磁铁对硅钢片产生的摩擦阻力f作用，所以，机械手可以将首张硅钢片抓起的条件为：

F≥f+mg

根据Gieras等人的研究[3]，可以知道：

式中：kf为硅钢片相对于磁铁表面的摩擦系数；μ0为真空环境下的磁导率；Hy和Hz分别为竖直和水平方向的磁场强度；s为表面接触面积。

图1 硅钢片受力分析示意

根据使用磁铁为圆形或正方形，可以假设Hy=Hz=H，所以：

现场调试安装时，可以根据此公式估算磁场强度，从而选用合适的磁铁。

2 柔性磁力分张方案设计

柔性磁力分张装置主要包含三个部分：支撑装置、柔性连接装置和磁力分张器，其中柔性连接装置可以自适应不同形状和大小的硅钢片，便于根据产品切换进行快速调整。

支撑装置由上导轨、第一下导轨、第二下导轨、高低调节杆共同组成，可以实现全向调节，如图2所示。定义硅钢片两个相对的面分别为第一定位面和第二定位面，分别沿着两个定位面对称布置两块N极、两块S极，共四块磁铁，用于片间分张和辅助定位。上导轨和第一下导轨之间，上导轨与第二下导轨之间均通过高低调节杆枢轴连接。上导轨与高低调节杆之间，第一下导轨与高低调节杆之间，第二下导轨与高低调节杆之间，均采用螺丝接头固定，方便快速松开和紧固，而且不需要使用专用工具。为了防止磁路在硅钢片以外的地方形成，减少磁性分张损耗，全向调节支架都采用抗磁材料，如不锈钢和铝合金。

磁力分张器采有四块特殊磁铁组成，其中两块磁铁的N极和两块磁铁的S极用于磁化硅钢片。

柔性连接装置主体为不锈钢编织管。采用四段等长的不锈钢编织管分别将全向调节支架和N极、S极磁铁连接起来，这种柔性连接方式可以保证N极、S极磁铁在X轴、Y轴、Z轴三个方向上进行较大范围的移动，同时圆形的高低调节杆可以围绕Z轴自转，以适应不同形状的硅钢片，如长方形、菱形和梯形等。这样的定位方式，起到自动适应硅钢片的形状和调节N极磁铁和S极磁铁位置的作用。不同于传统的机械硬连接方式和定位方式，采用不锈钢编织管柔性连接全向调节支架和N极、S极磁铁，有助于消除N极、S极磁铁和硅钢片之间的接触间隙，加大的N极、S极磁铁可以进一步提升定位效果，极大地提高自动化设备上料的位置精度，并大大改善硅钢片内磁路的均布质量，从而提高分张效果和稳定性，保证设备持续稳定运行。

图2 柔性磁力分张装置图

3 试验及分析

磁铁与支撑装置之间采用柔性不锈钢编织管连接，以便于根据不同尺寸的产品做相应调整。N极磁铁和S极磁铁一般选用硬磁材料，长度a为70 mm，宽度b为70 mm，高度c为20 mm，但是磁力稍小，目的是让磁场更均匀地分布在硅钢片堆叠中，防止局部强磁产生的吸附效应，各硅钢片之间斥力更大，分开的距离更远，因此分张效果更好，现场布置如图3所示。

图3 现场调试图

另外，N极磁铁和S极磁铁的尺寸，尤其是高度c加大，大于硅钢片的厚度h后，N极磁铁和S极磁铁对向上或向下伸出硅钢片的部分，具有一定的定位和导向作用，保证在上料前硅钢片位置没有走动，而且N极磁铁和S极磁铁能在磁力作用下，自动随着硅钢片不断上料而向下移动，可持续分片，进一步提高硅钢片的上料位置度。

第一下导轨与N极磁铁之间、第二下导轨与S极磁铁之间均通过不锈钢编织管柔性连接，多次试验结果显示不锈钢编织管的长度在30 cm较为合适。试验过程中，采用不锈钢波纹管进行了相同试验，但由于硅钢片磁性分张装置依靠磁性自适应吸合，因此工作中可能会发生误操作导致不锈钢波纹管受力断裂。相比之下，不锈钢编织管的抗拉和抗扭能力更高，寿命较长。

磁铁的布置方法做了两种方案，方案一：N极、S极磁铁交叉布置，如图4a所示；方案2：N极、S极磁铁同侧布置，如图4b所示。经过试验对比，发现方案2布置方法结果较好。

图4 N极、S极磁铁布置方法

4 结语

经过现场长期使用，该柔性磁力分张装置能很好地适应产品种类多、大小形状的频繁变化，配合辅助的激光对中装置，有效地弥补了刚性硬连接磁力分张装置的不足。据不完全统计，使用柔性磁分张装置后的生产线效率提升了20%以上，设备报警停机时长降低了60%以上。

受限于柔性不锈钢编织管的定长度，同一长度的不锈钢编织管只能适应一定长度范围的产品。为了更好地扩大其使用范围，后期将根据产品形状和大小范围，配置不同长度的柔性不锈钢编织管，每种编织管可以保证分张装置在一定范围内实现柔性调整，以更好地适应公司产品种类较多的现状。