一、项目研究的背景和意义
温州电机换向器产业集群是全国的半壁江山，其市场份额占全国的一半以上，现有企业100来家，较大规模的有10多家。企业辐射深圳、苏州、南京、福建等全国各地，年销售额在50亿元以上。近年来产品的科技含量逐步提高，获得国家创新基金项目、列入国家火炬计划项目。据不完全统计现有发明专利20多项，实用新型专利200多项，建有省级换向器试验室并为主参加电机换向器国家行业标准的制订，生产方式也从手工逐步实现半机械化。近来瑞安市博宇电器有限公司研发了智能数控电机换向器生产线并得到德国博世等公司的重视，多次来该公司考察商谈合作事宜。
并对产品进行模块化设计，包括结构设计、材料研发（如银铜合金、纳米材料、膜塑料的优选应用）、工艺的改进等。创造条件与国际知名电机企业如博世、大陆、博泽、德昌、日本电装及万宝至等在中国设立的生产基地合作，参与电机换向器产品设计开发，是换向器创名牌产品的技术前提。如瑞安为世界500强企业之一的博世公司配套而研发的换向器产品到达博世公司的噪音低、换向器在高速运转后外径变化量及换向片片间高低差及降低成本等方面的特殊要求。瑞安市在换向器产品设计方面也已积累了一些经验。
可以说瑞安电机换向器与世界同步转动。但与国外差距还较大，缺少高端、名牌产品。为此，在经济转型时期，瑞安电机换向器行业要抓住发展机遇，跟上时代步伐，实现机器换人创出高端产品，为瑞安经济发展作出贡献。
从产业链上看，换向器产品的下游行业为各大电机整机制造业，而电机的下游行业包含了几乎全部国民经济基础行业，而其中汽车行业、家用电器、电动工具、OA办公设备等是其典型及最主要的应用行业，通过对这四大应用领域需求的分析，可以看出未来市场对换向器的需求量是十分庞大且持续的。
1、汽车行业
汽车电机是汽车的核心零部件，在起动机、发电机、燃油泵、ABS系统、冷却散热系统、摇窗及雨刮等部件上均有应用。现代汽车尤其是高档轿车大量采用新机械、新设备，极大地促进了汽车微特电机的应用，相应地刺激了对换向器的需求。
美国汽车工业联盟预测，2015年全球汽车产量将超过9000万辆，全球汽车保有量到2015年预计超过12亿辆。
新兴市场，尤其是中国、澳大利亚等市场日益成为全球汽车产业发展的主要增长动力。中国汽车工业协会的数据显示，预计到2015年，产销量有望达到2500万辆，保有量达到约1.4亿辆。
总的来看，一台汽车出厂时需要使用换向器的电机平均数量为30个，车辆寿命平均约15年，在使用寿命内，油泵、雨刮、摇窗、起动机等零部件由于使用频繁，电机更换需求较高，更换需求的换向器数量约8个。
基于以上车辆保有量、产量数据，到2015年预计达到34.26亿只。按照每个汽车用换向器平均价格1.8/元计算，则2015年，全球来自汽车产业的换向器市场需求规模61.66亿元，其中中国市场需求规模达到14.85亿元。
2、家电行业
换向器作为家用电器的重要配套行业，伴随其发展进步一路成长。家电制造行业对换向器的需求主要来自于如洗衣机，吸尘器、搅拌机、豆浆机、果汁机等电动小家电，以及吹风机等个人护理电器。欧美日等成熟市场的高附加值产品更新换代需求，以及新兴市场消费者购买能力提升带来的新生需求，同时小型家电产品需求开始普及，成为推动家电行业成长的主要驱动因素，进而带动着其上游电机及换向器的需求不断增长。
中国已经成为名副其实的全球家电生产中心。中国家用电器协会的数据表明，中国制造的45类家电产品销量稳居全球第一，其中洗衣机、吸尘器及小家电产品分别超过全球产能的60%、85%、80%。预计到“十二五”期末，中国家电工业总产值将达到1.5万亿元，年均增长率达9.2%。
家电行业换向器整体需求规模。整体来看，全球来自包括洗衣机、吸尘器及电动小家电在内的家电行业的换向器需求量到2015年将达到24.15亿只，复合增长率为7.0%，相应的，需求规模也将从41.08亿元增长到52.69亿元。
中国家电行业的换向器需求占到了全球的80%以上。需求量及需求规模分别增长到20.33亿只和44.18亿只，年均增长速度均超过8%。
3、电动工具行业
电机是专业电动工具的心脏，电机制造技术体现厂家的核心技术水平，性能受到整体系统集成的影响，因此，不同性能和功能的电动工具对电机及电机组件包括换向器的性能要求也有所不同。据中国电器工业协会电动工具分会的资料，按照一台电动工具配备一台需使用换向器的电机测算，至2015年全球电动工具市场的换向器需求量将达到约3.30亿只。按照每个电动工具用换向器平均价格2.5元计算，则2015年全球换向器市场容量仅电动工具领域就达到8.24亿元，其中中国市场需求量及规模分别达到2.84亿只及7.11亿元。
4、OA办公设备行业
OA办公设备，即办公自动化设备，包括打印机、复印机、传真机、投影仪、碎纸机等，其动力装置基本都需要配备不同性能的电机，从而需配备不同类型的换向器。据中国模具工业协会预测，2015年将达到约14861万套，年均复合增长率为2.0%。中国OA办公设备制造业已经成功承接了国际产业转移，产量约占全球的70%以上。
按照一套OA办公设备配备两台需使用换向器的电机测算，2015年全球来自OA办公设备市场的换向器需求量将达到2.97亿只，若按照每个换向器平均价格0.6元计算，则2015年全球OA办公设备用换向器需求规模达到1.78亿元；中国OA办公设备用换向器市场需求量及需求规模将分别达到2.20亿只，1.32亿元。
全球及中国电机换向器行业需求规模及预测。
总体来看，电机换向器全球需求规模上来看，到2015年预计稳定增长到64.67亿只，复合增长率达到4.8%；需求规模也从2011年的103.03亿元增长至2015年的124.38亿元。
中国市场对电机换向器的需求量2015年33.62亿只，复合增长率为7.6%，明显高于全球水平，期间中国需求量占全球全球占比也从46.7%增长至52.0%；从需求规模上来看，2015年，市场规模及将分别达到67.46亿元及54.2%。
在全球换向器行业中，中国必将扮演着越来越重要的角色。
二、电机换向器产品结构分析
对产品进行结构设计、创造条件与国际知名电机企业如博世、大陆、博泽、德昌、日本电装及万宝至等在中国设立的生产基地合作，参与电机换向器产品设计开发，是换向器创名牌产品的技术前提。如我公司为世界500强企业之一的博世公司配套而研发的换向器产品达到博世公司的噪音低、换向器在高速运转后外径变化量及换向片片间高低差及降低成本等方面的特殊要求。瑞安市在换向器产品设计方面也已积累了一些经验。现将我们进行电机换向器产品结构设计进行研究分析如下。
换向器产品一般分为钩型和槽型两种，钩型换向器根据使用要求的不同对片数的要求不一样，当产品的片数较少，比如8片，10片，12片等时，钩部分的宽度和厚度比较大，弯曲成形时的应力很大，容易造成钩的根部与模塑料部分开裂，造成产品的不良，因此，采用如下设计：换向片底部燕尾部分与钩根部相连，在端面部分采取20度斜角，避免铜材料露出表面，由于弯曲时应力集中在换向片身上，从而避免了开裂问题。电机换向器按照结构一般分为壳式和插片式两种。前者铜材料成型前为整体式，依靠铣加工分片，后者成型前为片式，依靠云母片片间绝缘。常规的插片式结构采用的云母片是矩形结构，成型后因片间的挤压力固定在产品中，在电机高速转动时容易从产品中浮起或者飞出，对产品的质量影响很大。为预防此不合格现象再发生，该产品采用一种燕尾式结构云母片。云母片使用新结构后，加工成型后的产品中只存留很短的燕尾式云母片，不仅以压力固定其中，而且燕尾式结构从结构上大大增加了固定的稳定性，从而很好的解决了云母浮起的隐患，提高了产品性能的稳定性。
槽型换向器成型后有的产品台阶端面上会有一层比较薄的模塑料，采用插片式结构时，当台阶外径和工作面外径差距较大时，由于覆盖层的悬式结构和较薄的厚度，在压塑成型后的高温冷却时容易与端面分层，造成不良。针对以上不足，通过如下技术方案克服：采用新型云母片结构，在台阶端面部分开燕尾槽结构。这样成型后端面覆盖层不再是悬式结构，深入燕尾槽的模塑料能够产生足够的拉力使覆盖层与端面不分层，从而有效提高了产品质量稳定性。
传统的插片式槽型换向器台阶处都是采用实心的铜材料换向片，通过机加工铣槽工序加工焊线槽成型，不仅在成本上比较浪费，而且对插片式换向器产品共存的斜片问题没有任何帮助，当端面的模塑料结构比较特殊，需要定位成型时需要另外增加定位要素。因此，我司采用一种新型结构如下：在换向片顶部（成型后外圆部分）中心处增加拉槽，不仅减轻了投料成本，而且能很好的解决以上所述问题，大大提高产品的各项质量指标。尺寸较大的平面换向器一般采用冷挤压结构和插片式结构两种，因其换向片比较短，焊线比较粗大，当焊线与槽位出现偏差时换向片由于受到很大的轴向压力而开裂。
我们针对以上不足，方案如下：换向片底部材料向右伸出，以杠杆形式增加换向片轴向弯折强度，从结构上提高性能，另外焊线方向增加光滑过渡的模塑料，当焊线与槽位出现偏差时能有效纠正，且承担大部分所受到的轴向压力，有效解决此类产品的难题，提高装配性能。
如今的汽车换向器性能要求越来越高，对转速要求同样如此。汽车换向器的尺寸普遍较大，为满足要求一般都是采用加强环结构，包括玻璃纤维材料和锰钢材料两种。但尽管如此，依然难以满足越来越高的技术要求。因此，我司采用一种新型换向片结构，在换向片底部拉出双沟槽，使用冲孔结构能保证双沟槽每片保持完整的嵌入模塑料中，大大增强了换向片的径向拉力，提高了产品高温转速性能。此新型设计仅适用于尺寸较大的换向器产品。
一般插片式汽车用换向器换向片结构普遍采用云母片绝缘结构，换向片与云母片接触部分采用平面式直线结构，中心线部分开焊线槽焊线。此结构换向片铜材料在槽底部和槽顶部剩余厚度在槽深尺寸较大时相差较大，造成顶部铜材料的不必要的浪费，增加了产品的成本。采用本公司自主研发的一种实用新型的换向器的换向片，本实用新型目的在于满足产品性能的同时节约材料成本，减轻产品重量，提高产品性能。通过如下设计方案实现：不再采用符合换向片角度的侧面直线结构，在换向片顶部部分采用与中心线平行的结构，从而达到节省铜材投料，减轻换向片重量的目的。
汽车换向器的尺寸普遍较大，为满足越来越高的高温转速要求一般都是采用加强环结构，包括玻璃纤维材料和锰钢材料两种。一般的换向片结构加强环都是嵌入两端冲槽内，开槽时由于升高片较高，会产生很大的轴向压力，且压力部位集中在台阶顶部区域，而底部为悬梁结构，容易造成台阶向另一方向倾倒，产生倒排现象，另外台阶处集中了很大的质量，高速旋转时，悬梁结构也会承受很大的应力。因此，本实用专利的目的在于克服这些不足，采用如下设计：换向片底部自台阶端面伸出，避免产生悬梁结构，加强环嵌套在伸出部位，避免台阶重量落在换向片端面部位，从而有效解决以上问题，大大提高产品的结构稳定性。
1、电机换向器的设计方案探讨
多年来，我们设计了各种电机换向器，现将各种设计方案综合如下，供参考。
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、换向器采用的材料
2.1. 换向器用铜分两大类：
2.1.1 无氧铜或电解铜
无氧铜或电解铜主要用于除吸尘器及电动工具以外的换向器，例如，小家电电机，汽车启动马达用换向器上。
2.1.2 银铜合金
a. Ag-Cu 0.08% （万分之八）
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）
第二大类的银铜主要用于吸尘器及电动工具上： 吸尘器用（4） Ag-Cu 0.3% 的较多，因为吸尘器转速较高，通常在35000~55000之间（当前主流），换向承受的线速度较高，换向时的火花不断烧蚀换向器表面，造成换向器表面的温度急聚升高，在铜中增加一定含量的银后可以增加银铜合金的耐高温性，使得换向器表面不易造成变形，可以有效控制火花及浮排等不良的出现。电动工具用（2） Ag-Cu 0.1%的较多，百德、德昌、博世、牧田等基本都使用些含银量的换向器，并不是说含银量越高越好，好多人有一个误区就是认为换向器含银量越高越好，其实不是这样的，含银量高了以后，银铜合金的导电率ASL会下降，从换向本身来说也带来了负面的影响，表面不易形成有益的氧化膜，电动工具与吸尘器性质不一样，所以不能一概而论，况且，纯银现在的价格在2700元/Kg，一吨铜里多加2Kg银就等于成本多加了5000元，摊到每只换向器上也有几分钱到几角钱不等。当然还得取决于换向器本身的形状及结构以及电机的大小，百德外径大于28的产品基本会用（3）Ag-Cu 0.2%银铜。当然光有银铜了也不行，电木粉的材料以及换向器本身的结构也很关键，一款好的换向器决不是随手可以设计出来的，有一个地方不好，那在使用过程中都有可能出现火花，跳排，浮片等各种各样的问题。 换向器的硬度是一个非常非常关键的参数，这关系到与之配合的碳刷的配合性，配合得好可以抑制火花，增加寿命时间，反之则出现恶性不良失效的产生。
2.2. 电木粉（酚醛模塑料）
2.2.1 电木粉（又名酚醛模塑料）日文名称：纤维强化树脂成型材料。
电木粉（又名酚醛模塑料）：属于热固性塑料，以酚醛树脂为粘合剂，木粉为主要填料，辅以添加剂，通过热炼加工制备而成的粉粒状酚醛模塑料。适宜于模压成型和注塑成型，用于低压电器、普通生活用具、阻燃、耐热耐水的高强度电器配件和水润滑轴承及密封圈、高性能汽车零配件，交通电器的绝缘结构件和具有高频绝缘性的电讯、无线电绝缘零件等。
酚醛模塑料的分类介绍
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分 类 |
国家标准命名 |
企业命名 |
主要用途 |
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GB/T1404.1-2008P |
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直流串激电机换向器专用酚醛模塑料 |
PF(GF30+GG20).Q/M |
JM-6551 |
高速电机换向器 |
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通用类 |
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 |
低压电器、普通 生活用具等 |
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特种类 |
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、耐热耐水的高强度电器配件和水润滑轴承及密封圈 |
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电器类 |
PF(WD20+MD15).Q PF(WD20+PS30).X PF(WD30+MD20).XA无氨 PF(WD25+MD10~WD20+MD10).Q/M |
PF2A3-1601 PF2E2-3301 PF1A2-1501 PF2A4-161/161J UL |
高性能汽车零配件，交通电器的绝缘结构件和具有高频绝缘性的电讯、无线电绝缘零件 |
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阻燃耐热类 |
PF(GF25+GG25).X PF(GF20+GG30).X |
PF2C3-431 PF2C5-631 |
低压电器、仪表、 绝缘结构等 |
2.2.2 电木粉常见成型缺陷原因
a. 流纹：模具温度偏低；射速、射压不合理；料温偏低；浇口太厚、太宽；入料速度偏小。
b. 起泡：模具温度偏低；模具温度太高（伴有烧焦味）；料温太低；成型周期太快；电木粉含有杂质。
c. 充填不足：料量设定不够，射压、射速太小；射出时间不够；料温太低；模具排气不良。
d. 裂纹：动定模模温差大；模具温度太高或太低；开模、脱模速度太快；周期太长；模具本身不良；整形不当。
e. 制品缩水：定模温度太高；排槽太宽太厚；射出压力太大，速度太快。
2.3. 环氧换向器云母板
P9环氧换向器粉云母板是换向器制造商最常用的云母板。换向器云母板，P9环氧换向器粉云母板是由环氧树脂胶粘漆粘贴粉云母纸,经烘焙、压制加工而成的硬质板状绝缘材料。该制品厚度均匀，具有较高的电气性能。适于作工作温度130℃的直流电机换向器铜片间的绝缘。
3、进行电机换向器产品设计
对产品进行模块化设计，包括结构设计、材料研发（如银铜合金、纳米材料、膜塑料的优选应用）、工艺的改进等。创造条件与国内大型电机企业及国际知名电机企业如博世、大陆、博泽、德昌、日本电装及万宝至等在中国设立的生产基地合作，参与电机换向器产品设计开发，这是换向器创名牌产品的技术前提。
3.1、绝缘材料进行优化
材料优选PM6432，其为无氨绝缘材料，特点是韧性好，抗冲击，流动性好，易成型，尤其是在产品初步成型后的烘烤过程中，因是无氨材料，产品在烘烤中内应力极易消除，内部组织相对细密、稳定，能承受2000V/mm的电压负载，绝缘性能极佳，特别适合起动机的换向器使用。其价格比同类绝缘材料低15-20%。
3.2、优化结构设计
（1）在换向片与云母片接触部分采用平面式直线结构，中心线部分开焊线槽焊线。此结构换向片材料在槽底部和槽顶部剩余厚度在槽深尺寸较大时相差较大，造成铜材料的不必要的浪费，增加了成本。
（2）项目拟在换向片顶部部分采用与中心线平行的结构，从而达到节省铜材投料，减轻换向片重量的目的。
（3）为保证换向器在高温、高速运转下的强度和稳定性，项目产品采用的是对内孔加普通08F号钢的衬套和对换向片加固的工艺。加固圈采用玻璃钢制成，绝缘性能良好。内孔采用了“碗”形衬套，其衬套与电木粉良好的粘结，故而在转子压轴时其内孔过盈量可增加到0.08mm，从而杜绝了转子与换向器打滑现象，再加上模塑料是通过预热，在高温、高压的施加下迅速流入到换向片之间，使之固化成型后牢固的连为一体，保证了换向器整体的抗冲击能力。
3.3、汽车电机换向器本体成型工艺及模具设计
本部分对电机换向器本体压注成型工艺进行设计和模具结构设计及局部优化。项目分析了模具结构对换向器成型的影响进行了分析，通过理论分析与试验对电机换向器压注工艺参数进行优化设计。
3.4、电机换向器关键工序智能化制造设备的研究
3.4.1、电机换向器内孔、外圆加工专用机研发
（1）优化设计了换向器送料装置，通过电磁振动盘、可调式变轨等结构与光电等传感器实现了多类型电机换向器的准确送料。
（2）巧妙设计了换向器的输送、限位、装夹等装置装置，采用挡板与光电传感器结合实现电机换向器的定位，通过液压剪式机械手加持装置与对应夹具结合，实现了产品的夹取、装夹及卸料。在限位座内设有出料滑道，输料块整体呈“S”型并与主轴箱相对应。主轴箱内设有可伸缩的转轴，其靠近收送料机构一端设有环形凹槽，并使“C”型夹块的开口对准环形凹槽。
（3）采用伺服电机实现精确的位置控制和严格的速度同步运动控制设计。伺服驱动器通过在驱动器内部的电流环，速度环和位置环都进行了精确的控制技术和算法运算，在功能上可以进行精确的位置控制、扭矩控制、转速控制等，增加了运行的稳定性。
3.4.2、换向器双机头铣槽铣钩专用机研发
（1）通过电磁振动盘、可调式变轨等结构与光电等传感器实现了多类型电机换向器的准确送料。采用挡板与光电传感器结合实现电机换向器的定位，通过液压剪式加持装置与对应夹具结合，实现了产品的夹取、装夹及卸料。
（2）创新设计了刀轴和刀头组成的铣槽装置，刀轴由电机驱动且刀轴可在机架上上下移动，刀头切割方向与夹料装置平行，把原机改成为立式、一对机变革为一机、两道工序在一机内完成。
（3）采用PLC智能化触摸屏控制，产品使用机器代替人工作业，自动化程度高，降低劳动成本，增加安全系数，使生产效率更高。
3.4.3、换向器两位移动式砂光研磨专用机研发
（1）采用砂磨机和毛刷机组成砂光研磨装置提高了换向器的加工精度。研磨机构可在工作台上前后移动，两组毛刷机分别对应两组上、下夹头，两组毛刷机的毛刷轮形成夹角，具有自动控制装卸料、夹紧松开、能将产品无间隙加工好，通过机械手将换向器自动运送到上、下夹头，使研磨机构能对换向器的外圆进行研磨，减小了劳动强度，提高了产品质量和加工效率。
（2）工作台内设有研磨机构和多组上、下夹头及设有进料道、出料道和机械手架。机械手架两侧机械手在行程最大处分别与进料道、出料道相对应。
（3）设计自动控制装卸料、夹紧松开、加工能将产品无间隙加工好，通过机械手将换向器自动运送到上、下夹头，使得研磨机构能对换向器的外圆进行研磨，无需工人的手工操作，减小了工人的劳动强度也提高了工作效率，并且由于消除了人工带来的误差，使得加工出来的换向器精度更高。
（4）采用PLC智能化触摸屏控制，产品控制自动装料卸料，提高装夹的效率和精度，也减小了工人使用时的劳动强度，增加了运行的稳定性。
3.4.4、换向器液压三道模式弯钩专用机研发
全自动电机换向器液压三道模式弯钩专用机产品的弯钩冲压过程分三步完成，有效防止弯钩部折断，使生产效率更高。采用PLC智能化触摸屏控制，生产全过程由程序控制系统执行、自动控制装卸料、夹紧松开、加工，能将产品无间隙加工好。实行无人操作、杜绝操作人员的安全事故。
（1）优化设计了液压移位式三道模压弯钩机构，首个冲压装置的底座弯钩模腔为斜面，第二个冲压装置的底座为冲压装置的底座弯钩模腔为平面，第三个冲压装置的底座弯钩模腔为成型锥面，提高了产品加工的安全性，保证了产品质量。
（2）采用自动送料、夹紧松开的装卸料、加工，通过PLC智能化触摸屏控制，提高装夹的效率和精度，减小了劳动强度。
3.4.5、换向器绝缘耐压检测专用机研发
（1）通过多组夹头、机械手架和检测机构，实现了换向器的内圆面与外圆面的耐压性进行检测，解决了换向器内圆面难检测的问题，提高了检测的全面性，有效的防止不合格产品的产生。
（2）采用PLC智能化触摸屏控制，提高了装夹的效率和精度，产品控制自动装料卸料，提高装夹的效率和精度，减小了工人使用时的劳动强度，增加了运行的稳定性。
三、智能电机换向器生产设备的研究
3.1、电机换向器生产设备系统的设计
3.1.1. 数控电机换向器生产设备输送线的研发
3.1.1.1 振动盘
是将待加工的产品按照要求输送入自动装卸料装置。
3.1.1.2 自动装卸料装置（机械手）
由程序控制将相关机床加工好的产品卸下送到皮带并且将待加工的产品送入相关机床。
3.1.1.3 联络输送皮带
是为全部加工换向器的附属设备服务为主要目的设置的，在加工好内外圆的产品同期在输送皮带上同步完成检验工作。按工艺流程去满足加工产品机床的条件与要求；能够按照各道工序的相关要求、加工好产品，并且为产品在下一台机床上的加工做好相关的准备工作。
图1电机换向器生产线结构示意图
3.2. 整条生产设备系统模式设计
整条生产线系统模式设计。整条生产线产品包含有由六台机器组成，分别是全自动电机换向器内孔、外圆加工专用机；全自动电机换向器双机头铣槽铣钩专用机；全自动电机换向器液压三道模式弯钩专用机；全自动电机换向器两位移动式砂光、研磨专用机；全自动电机换向器绝缘耐压检测专用机。整机采用变频器技术的传动系统设计，通过对供电频率的转换来实现电动机运转速度率的自动调节，把50Hz的固定电网频改为30—130 Hz的变化频率并使电源电压适应范围达到142—270V，解决了由于电网电压的不稳定而影响电器工作的难题。 通过改变交流电频的方式实现交流电控制。产品采用伺服电机实现精确的位置控制和严格的速度同步运动控制设计，伺服驱动器通过在驱动器内部的电流环，速度环和位置环都进行了精确的控制技术和算法运算，在功能上可以进行精确的位置控制、扭矩控制、转速控制等。产品具有结构合理、性能优异、质量可靠、省料、生产成本低，性能稳定。产品已销国内多家电机制造公司使用，反映良好。
3.3、 智能控制系统设计开发
控制系统是本项目产品的核心，在控制系统设计中，除了需要开发单元设备的控制系统外，还需要对单元设备的集成、生产节拍的控制、工艺参数的专家数据库系统、统一的人机界面、网络接口及远程维护系统等进行深入研究。项目产品控制系统的总体结构如下图所示：
图2电机换向器智能控制系统示意图
3.3.1. 单元控制器与生产设备控制系统的集成结构
单元设备都有自身的控制系统，但组成生产线以后，单元的控制与生产线的总体控制、运动的协调和同步、节拍的设计和控制等等都需要重新设计；参数的下达、生产数据的上传也需要制订统一的协议；电器硬件和软件的接口也需要统一定义；此外，基于总线结构的执行层链接方式也需要重点关注。
3.3.2. 采用多种控制电机的传动和定位系统设计以及同步运动控制
在生产设备中，会涉及多种电机的协同运动控制，包括变频、步进、伺服以及多种气动部件、电磁铁部件的控制；开发多轴运动控制系统，完成多单元设备的协同同步控制，是本内容解决的关键问题。
3.3.3. 基于网络的故障诊断和远程维护系统
智能设备基于网络的远程诊断和维护系统是必备的配置。在项目中，将重点对网络及其可靠性、远程检测和维护的检测点和参数设置、检测方法和维护技术；工艺参数的保密技术等进行研究，选用合适的传感器、开发相应的技术和装置。
3.3.4. 智能集成控制软件设计和参数数字化设置界面开发
项目产品为智能模块化生产设备，需要开发一套适合快速配置的智能配置软件系统，用户在软件界面上就可以方便进行设备配置，经配置后，生产工艺参数，包括单元的生产节拍和整机生产节拍、单元设备之间以及整机的同步等都可以自动智能生成；生产工艺专家数据库自动维护。
同时还需要开发工艺参数的数字化设置，支持工艺参数通过网络的下载以及数据上传，预留ERP接口，便于今后的信息化和工业化的融合。
3.4、数控电机换向器生产设备的设计开发
3.4.1. 换向器内孔、外圆加工专用机
配套设计有自动控制装卸料、夹紧松开、加工能将产品无间隙加工好、并且即刻进行检验、防止产生批量不合格产品。
全自动电机换向器内孔外圆加工专用机创新设计换向器内孔外圆加工装置，能自动控制装卸料、夹紧松开，能将产品无间隙加工好、并且即刻进行检验、防止产生批量不合格产品，提高了装夹的效率和精度，减小了工人使用车床时的劳动强度。
3.4.1.1. 创新设计换向器内孔外圆加工装置。该装置包括工作台、车刀架、主轴箱和收送料机构。收送料机构包括限位座、输料块、进料滑道、推料板和收料杆，限位座内设有出料滑道，输料块整体呈“S”型并与主轴箱相对应。主轴箱内设有可伸缩的转轴，其靠近收送料机构一端设有环形凹槽，并使“C”型夹块的开口对准环形凹槽。这种结构使得收送料机构完全代替人工的装夹和卸料操作。而而工人在装夹时必定没有机械装置的精准度，从而所加工出来的换向器不易达到标准要求，加工出来的换向器废品较多。手工装夹的方式也由于需要进行对准等工序，使得工人在装夹换向器工件时效率较为低下、工人的劳动强度较高。
3.4.1.2. 创新设计自动控制装卸料、夹紧松开，能将产品无间隙加工好、并且即刻进行检验、防止产生批量不合格产品。
3.4.1.3. 采用伺服电机实现精确的位置控制和严格的速度同步运动控制设计。伺服驱动器通过在驱动器内部的电流环，速度环和位置环都进行了精确的控制技术和算法运算，在功能上可以进行精确的位置控制、扭矩控制、转速控制等，增加了运行的稳定性。
3.4.2. 换向器双机头铣槽铣钩专用机
全自动电机换向器双机头铣槽铣钩专用机，创新设计铣槽装置包括刀轴和设于刀轴上的刀头，刀轴由电机驱动且刀轴可在机架上上下移动，刀头切割方向与夹料装置平行，并采用一对机变革为一机、两道工序在一机内完成，设置两台机即满足生产线要求。产品具有自动上下料、自动定位的功能。
3.4.2.1. 创新设计一种电机换向器铣槽铣钩装置，包括工作台、送料皮带、收送料装置、机械手架、多个夹料装置、多个铣槽装置和出料道。该装置出料道连接送料皮带，收送料机构包括限位座、输料块、进料滑道、推料板和收料杆，限位座滑动连接工作台。输料块整体呈“S”型，工作台上设有对准出料滑道的托盘，机械手架可在工作台上左右移动。铣槽装置包括刀轴和设于刀轴上的刀头，刀轴由电机驱动且刀轴可在机架上上下移动，刀头切割方向与夹料装置平行。
而目前，电机换向器开槽的加工方式，依赖于人工上料、定位、取料，这种加工方式不仅工作人员劳动强度大，效率低下，且安全系数低，容易发生工伤事故，不利于提高生产效率。
3.4.2.2. 优化整机设计。原有洗钩洗槽机分为两台机加工、速度大慢满足不了生产线的要求、且多台机并联又难以解决装卸料的进行。因此把原机改成为立式、一对机变革为一机、两道工序在一机内完成，设置两台机即可满足生产线要求。
3.4.2.3. 采用PLC智能化触摸屏控制，产品使用机器代替人工作业，自动化程度高，降低劳动成本，增加安全系数，使生产效率更高。
3.4.3. 换向器两位移动式砂光研磨专用机
由于种种原因原有砂光、研磨机不便适合实现自动化、更是转盘大不易维护。为了实现自动化，设计为两位移动式的砂光研磨机。全自动电机换向器两位移动式砂光研磨专用机产品采用产品采用全自动换向器砂光研磨装置。其研磨机构由砂磨机和毛刷机组成，研磨机构可在工作台上前后移动，两组毛刷机分别对应两组上、下夹头，两组毛刷机的毛刷轮形成夹角，具有自动控制装卸料、夹紧松开、能将产品无间隙加工好，通过机械手将换向器自动运送到上、下夹头，使研磨机构能对换向器的外圆进行研磨，无需工人的手工操作，减小了工人的劳动强度也提高了工作效率，并且由于消除了人工带来的误差，提高换向器精度。
3.4.3.1. 创新设计全自动换向器砂光研磨装置。其包括工作台和传送皮带。工作台内设有研磨机构和多组上、下夹头及设有进料道、出料道和机械手架。机械手架两侧机械手在行程最大处分别与进料道、出料道相对应。研磨机构由砂磨机和毛刷机组成，研磨机构可在工作台上前后移动，两组毛刷机分别对应两组上、下夹头，两组毛刷机的毛刷轮形成夹角。
3.4.3.2. 创新设计自动控制装卸料、夹紧松开、加工能将产品无间隙加工好，通过机械手将换向器自动运送到上、下夹头，使得研磨机构能对换向器的外圆进行研磨，无需工人的手工操作，减小了工人的劳动强度也提高了工作效率，并且由于消除了人工带来的误差，使得加工出来的换向器精度更高。
3.4.3.3. 采用PLC智能化触摸屏控制，产品控制自动装料卸料，提高装夹的效率和精度，也减小了工人使用时的劳动强度，增加了运行的稳定性。
3.4.4. 换向器液压三道模式弯钩专用机
由于原有弯钩工序用冲床单项人工操作、人员事故多发、现设计为液压三道模压弯钩、全过程由程序控制系统执行。全自动电机换向器液压三道模式弯钩专用机产品的弯钩冲压过程分三步完成，有效防止弯钩部折断，使生产效率更高。并采用PLC智能化触摸屏控制，生产全过程由程序控制系统执行、自动控制装卸料、夹紧松开、加工，能将产品无间隙加工好。实行无人操作、杜绝操作人员的安全事故。
3.4.4.1. 创新设计换向器弯钩装置，其包括工作台、送料皮带、机械手架和多个冲压装置，工作台上设有对准托盘的进料轨道和对准送料皮带的出料轨道，机械手架可在工作台上左右移动。 冲压装置包括互相对应的底座和冲头，冲头可在机架上上下移动。首个冲压装置的底座弯钩模腔为斜面，第二个冲压装置的底座为冲压装置的底座弯钩模腔为平面，第三个冲压装置的底座弯钩模腔为成型锥面。
而目前，大部分换向器的弯钩工作依赖于工作人员一对一的生产方式，手动将换向器放入冲床的夹具中，再用冲床一次成型弯钩，上述换向器弯钩过程不能实现自动化生产，容易折断换向器弯钩部，工作效率低下，劳动强度大，同时也提高了生产成本。
3.4.4.2. 整机优化设计液压弯式三道模弯钩机；由于原有弯钩工序用冲床单项人工操作、人员事故多发、现阶段更改为液压移位式三道模压弯钩、全过程由程序控制系统执行、实行无人操作、杜绝操作人员的安全事故。
3.4.4.3. 创新设计自动控制装卸料、夹紧松开、加工能将产品无间隙加工好、并采用PLC智能化触摸屏控制，产品控制自动装料卸料，提高装夹的效率和精度，也减小了工人使用时的劳动强度。
3.4.5. 换向器绝缘耐压检测专用机
将工艺流程中产品的耐压、绝缘检验采用程序控制、自动进行检验工作、减少工作人员。全自动电机换向器绝缘耐压检测专用机能够将整条生产线工艺流程中产品的耐压、绝缘检验利用智能数控程序进行自动检测，也能自动对换向器的换向片进行绝缘检测及对换向器的内圆面与外圆面的耐压性进行检测。具有对加工完成的换向器进行全方面的绝缘耐压检测，并且对不合格的换向器进行提示。
3.4.5.1. 创新设计绝缘耐压检测装置。该新型装置能够自动对加工完成的换向器进行全方面的绝缘耐压检测，并且对不合格的换向器进行提示，加快了工作的效率，减小了工人的劳动强度。其包括工作台、传送皮带。工作台上设有多组夹头、机械手架和检测机构，检测机构内设有检测叉和通电的夹爪，检测叉和夹爪与夹头对应设置。
而现有的换向器绝缘检测装置，使用时，工人需要手动对换向器进行装夹，且在装夹完成后还需手动不断旋转夹头，使得探头能够接触整个换向器外圆面，这种使用方式效率比较慢且工人劳动强度较大，而换向器内外圆表面间也需要绝缘，就传统的绝缘检测装置来说不能对内外表面间的绝缘性进行检测。
3.4.5.2. 该产品能与全自动电机换向器生产线配套。将工艺流程中产品的耐压、绝缘检验利用智能数控程序、自动进行检验工作、减少操作人员。能够自动对换向器的换向片进行绝缘检测，也能对换向器的内圆面与外圆面的耐压性进行检测，防止产生批量不合格产品。
3.4.5.3. 采用PLC智能化触摸屏控制，提高了装夹的效率和精度，产品控制自动装料卸料，提高装夹的效率和精度，减小了工人使用时的劳动强度，增加了运行的稳定性。
四、电机换向器产业集群创新发展的建议
为了适应国际主流创新发展的方法，从产品设计、技术研发、品牌建立、规模扩张作为产学研的核心工作，培育企业具备较强竞争能力。近年来国外电机企业纷纷进入中国国内市场，国际知名电机企业如博世、大陆、博泽、德昌、日本电装及万宝至等大都在中国设立生产基地。他们立足与其合作。目前，从以下三方面作进行技术创新发展。
4.1、《智能数控电机换向器生产设备》提高无故障时间的研究
4.4.1、生产设备系统模式优化设计。优选合理的匹配参数，达到最佳的工作效果。
4.4.2、生产设备系统自动化控制设计，采用伺服电机实现精确的位置控制和严格的速度同步运动控制设计，伺服驱动器通过在驱动器内部的电流环，速度环和位置环都进行了精确的控制技术和算法运算，在功能上可以进行精确的位置控制、扭矩控制、转速控制等。
4.4.3、提高生产设备的可靠性研究。包含有由六台机器组成，分别是电机换向器内孔、外圆加工专用机；电机换向器双机头铣槽铣钩专用机；电机换向器三道模式油压弯钩专用机；电机换向器两位移动式砂光、研磨专用机；电机换向器绝缘检测专用机
为了适应国际主流创新发展的方法，我们从产品设计、技术研发、品牌建立、规模扩张作为产学研的核心工作，培育企业具备较强竞争能力。近年来国外电机企业纷纷进入中国国内市场，国际知名电机企业如博世、大陆、博泽、德昌、日本电装及万宝至等大都在中国设立生产基地。他们立足与其合作。目前，作为起步工作，从以下三方面作进行技术创新。
4.4.4、 进行电机换向器产品设计。对产品进行模块化设计，包括结构设计、材料研发（如银铜合金、纳米材料、膜塑料的优选应用）、工艺的改进等。创造条件与国内大型电机企业及国际知名电机企业如博世、大陆、博泽、德昌、日本电装及万宝至等在中国设立的生产基地合作，参与电机换向器产品设计开发，这是换向器创名牌产品的技术前提。
4.2、《智能数控电机换向器生产线》提高无故障时间的研究
4.2.1、整条生产线系统模式优化设计。优选合理的匹配参数，达到最佳的工作效果。
4.2. 2、整条生产线系统自动化控制设计，采用伺服电机实现精确的位置控制和严格的速度同步运动控制设计，伺服驱动器通过在驱动器内部的电流环，速度环和位置环都进行了精确的控制技术和算法运算，在功能上可以进行精确的位置控制、扭矩控制、转速控制等。
4,2.3、提高整条生产线设备的可靠性研究。包含有由六台机器组成，分别是电机换向器内孔、外圆加工专用机；电机换向器双机头铣槽铣钩专用机；电机换向器三道模式油压弯钩专用机；电机换向器两位移动式砂光、研磨专用机；电机换向器绝缘检测专用机。
4.2.4、对国内外电机换向器的现状及发展方向进行较深入的调研，为电机换向器的整体发展提供基础资料，掌握竞争情报。
温州市机械工程学会
2023.12.06