變壓器線圈套裝用混聯(lián)機械臂的設(shè)計與分析

摘要：本文設(shè)計了一種用于變壓器線圈套裝的混聯(lián)機械臂，采用基于四桿及五桿機構(gòu)的混聯(lián)結(jié)構(gòu)，顯著擴大機械臂的工作空間，通過支撐桿件的作用提高機械臂的額定負載，改善勞動條件，提高變壓器生產(chǎn)的自動化水平。對關(guān)鍵部件進行模態(tài)分析，避免振動危害。

關(guān)鍵詞：線圈套裝；混聯(lián)機械臂；模態(tài)分析

在硅鋼變壓器器身裝配工序中，需將上鐵厄拆下，進行線圈套裝工作。[1]對稍大容量變壓器而言，多采用行車吊運的方式進行套裝，安裝精度很大程度上依賴于操作人員的技能水平，且因廠房行車數(shù)量有限，該道工序的行車使用會與其他工序產(chǎn)生沖突。對小容量變壓器而言，多采用工業(yè)機械臂裝夾的方式，機械臂通常采用氣缸及電機作為驅(qū)動裝置，氣缸的行程不宜受到控制，且機械臂多采用懸臂梁的結(jié)構(gòu)，限制了機械臂的工作載荷，在機械臂其他參數(shù)條件相同的情況下，造成裝夾線圈重量有限，不利于提高勞動生產(chǎn)效率。

對此，本文設(shè)計了一種用于變壓器線圈套裝的混聯(lián)機械臂，并對關(guān)鍵部件進行模態(tài)分析。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為機械臂機構(gòu)簡圖，它由基座、電機、四桿與五桿機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)步進電機及減速裝置、絲桿傳動裝置組成，四桿與五桿機構(gòu)的各桿件間以轉(zhuǎn)動副及滾珠絲杠副相聯(lián)接；大臂和基座之間通過絞制螺栓連接在一起；小臂上連接有手腕及手爪。在四桿機構(gòu)中，桿件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及大臂以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)接，桿件Ⅲ只能繞大臂頂端（A點）轉(zhuǎn)動。在五桿機構(gòu)中，桿件Ⅳ、Ⅴ以滾珠絲杠副相聯(lián)接，其他桿件以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)接，桿件Ⅳ可實現(xiàn)繞B點的轉(zhuǎn)動，桿件Ⅴ可沿桿件Ⅳ方向伸縮。旋轉(zhuǎn)步進電機與減速器裝置通過法蘭連接在大臂與桿件Ⅰ的鉸接處（C點）。

工作時，基座電機驅(qū)動機械臂整體旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)步進電機與減速器裝置驅(qū)動桿件Ⅰ轉(zhuǎn)動，并通過桿件Ⅱ驅(qū)動桿件Ⅲ繞大臂頂端轉(zhuǎn)動，最終帶動小臂轉(zhuǎn)動，與此同時，桿件Ⅴ通過絲桿傳動裝置拉動或推動小臂進一步轉(zhuǎn)動，對抓取目標進行初步定位。旋轉(zhuǎn)步進電機與絲桿傳動裝置應(yīng)同步工作，即：當旋轉(zhuǎn)步進電機逆時針轉(zhuǎn)動時，絲桿傳動裝置應(yīng)伸長動作；當旋轉(zhuǎn)步進電機進行順時針轉(zhuǎn)動時，絲桿傳動裝置應(yīng)縮短動作。

四桿機構(gòu)用于傳遞驅(qū)動小臂的動力，并且將驅(qū)動小臂的驅(qū)動源下置至靠近基座的位置，降低了整個執(zhí)行機構(gòu)的重心，對于減輕手臂的負荷有很重要的作用；五桿機構(gòu)中的桿件對小臂起到支撐的作用，同時通過絲桿傳動裝置增大小臂在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動角度，從而擴大了執(zhí)行機構(gòu)的運動范圍，且使用絲桿傳動，可以提高傳動的機械效率及運動精度，并且可以實現(xiàn)微進給及高速進給；再通過基座上的電機來驅(qū)動整個執(zhí)行機構(gòu)在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，從而擴大了機械手的運動空間，保證機械手在工作空間內(nèi)能夠無死點工作。

（1）采用基于四桿及五桿機構(gòu)的混合機構(gòu)，顯著擴大了機械手的工作空間，增強了機械手的靈活性。

（2）可以實現(xiàn)線圈套裝工作，提高生產(chǎn)自動化水平，從而降低工人的勞動強度，減少勞動風險，改善勞動條件，提高生產(chǎn)效率，增強企業(yè)的競爭力。[2]

2 模態(tài)分析

在機械臂進行線圈套裝時，振動會影響其工作性能，嚴重時振動產(chǎn)生的動載荷還會造成機械臂共振和疲勞，降低使用壽命，甚至造成零、部件早期失效；振動產(chǎn)生的噪聲會危害操作人員的身心健康。[3]模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動特性的一種技術(shù)，可以避免機構(gòu)共振或以特定頻率進行振動，使工程師可以認識到結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力載荷是如何響應(yīng)的，有助于在其它動力分析中估算求解控制參數(shù)。本文通過模態(tài)分析研究機械臂的振動特性，為其動態(tài)特性優(yōu)化提供依據(jù)，避免其因振動造成的危害。在本文所設(shè)計的機械臂中，大臂起到了支撐整體結(jié)構(gòu)的作用，研究它的動態(tài)特性是十分有益的。低階振型對結(jié)構(gòu)的影響最大，這里取前六階振型進行分析。圖2圖3為大臂的前四階模態(tài)圖。下表給出了大臂的前四階頻率及最大位移。

在一階振型圖中，振型表現(xiàn)為大臂上半部分的彎曲；在二階振型圖中，振型表現(xiàn)為大臂的整體彎曲傾斜；在三階振型圖中，振型表現(xiàn)為大臂上半部分較大的彎曲；從四階振型圖來看，大臂的上半部分發(fā)生了輕微的扭轉(zhuǎn)和彎曲；綜上，從這四階模態(tài)分析圖中可以看出，大臂因振動發(fā)生的變形主要表現(xiàn)為大臂的扭轉(zhuǎn)及彎曲變形。通過添加加強筋、增加大臂厚度，甚至可以局部改變大臂結(jié)構(gòu)，可以達到調(diào)整大臂的剛度，減小振幅，降低噪聲的目的。

參考文獻：

[1]江蘇宏源電氣有限責任公司.種用于變壓器線圈套裝的混聯(lián)機械臂[P].中國專利，201620484454.5，2017.3.8.

[2]江蘇大學.移動機器人雙四桿串聯(lián)執(zhí)行機構(gòu)[P].中國專利，201020678126，2011.8.10.

[3]張青元.拖拉機齒輪泵的輪齒應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2012.

作者簡介：丁楊（1991），女，江蘇南京人，本科，初級職稱，研究方向：變壓器研發(fā)、仿真與分析。