變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與分析

張君義 唐日強(qiáng) 王自鵬

（許繼變壓器有限公司，河南 許昌 461000）

1 變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方案

1.1 變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂的主要構(gòu)成

在新型變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)中主要包括四桿以及五桿機(jī)構(gòu)、減速裝置、基座、傳動(dòng)裝置、電機(jī)以及旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)等部件（見(jiàn)圖1）。

圖1 機(jī)械臂機(jī)構(gòu)示意圖

其中在四桿以及五桿機(jī)構(gòu)的所有桿件通過(guò)滾珠絲桿副和轉(zhuǎn)動(dòng)副相互連接在一起[1]。同時(shí)基座利用絞制螺栓來(lái)連接大臂。此外手爪和手腕部分與小臂相連。在混聯(lián)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)中，其四桿機(jī)構(gòu)的大臂通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副和I、II以及III號(hào)桿件連接在一起，其中III號(hào)桿件僅能以大臂頂端為中心旋轉(zhuǎn)。而混聯(lián)機(jī)械臂五桿機(jī)構(gòu)的IV號(hào)桿件則可以繞B點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，且I和IV號(hào)桿件通過(guò)滾珠絲杠副連接在一起，V號(hào)桿件能夠在IV號(hào)桿件方向進(jìn)行伸縮動(dòng)作。而其他桿件則均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)相互連接。混聯(lián)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)中的I號(hào)桿件和大臂鉸接的C點(diǎn)位置則通過(guò)法蘭和減速器以及旋轉(zhuǎn)步進(jìn)機(jī)相互連接。這樣在變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂運(yùn)行時(shí)，機(jī)械臂就能夠在基座電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，其中Ⅰ號(hào)桿件主要是在減速器以及旋轉(zhuǎn)進(jìn)步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，然后其通過(guò)II號(hào)桿件的傳導(dǎo)作用帶動(dòng)III號(hào)桿件以大臂頂端為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而使小臂也產(chǎn)生同步的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。另外小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)還會(huì)受到絲桿傳動(dòng)裝置以及V號(hào)桿件的推拉作用影響，從而初步定位抓取目標(biāo)位置[2]。在變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂工作過(guò)程中應(yīng)保持絲桿傳動(dòng)裝置和旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的同步性，也就是在旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)在沿順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，要求絲桿傳動(dòng)裝置應(yīng)同步縮短；而在旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)在沿逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，則要求絲桿傳動(dòng)裝置必須同步伸長(zhǎng)。

1.2 變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂設(shè)計(jì)的重要作用

1.2.1 能夠有效提高機(jī)械臂的靈活程度

由于新型變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)中綜合采用了四桿和五桿機(jī)構(gòu)型式，使機(jī)械臂在變壓器線圈套裝生產(chǎn)作業(yè)中的工作空間得到了明顯的擴(kuò)大。同時(shí)混聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也使機(jī)械臂動(dòng)作的靈活性得到了極大的改善，這樣機(jī)械臂和機(jī)械手就能夠更加精準(zhǔn)的完成套裝操作，提高了變壓器設(shè)備的生產(chǎn)加工質(zhì)量。

1.2.2 能夠有效提高套裝作業(yè)的自動(dòng)化程度

通過(guò)新型變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了變壓器線圈套裝作業(yè)的自動(dòng)化程度，不僅使工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度明顯減輕，而且改善了生產(chǎn)環(huán)境，降低了生產(chǎn)作業(yè)中的風(fēng)險(xiǎn)因素，同時(shí)也減少了人為因素對(duì)變壓器線圈套裝精度的影響，使生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量都得到了極大的提高，極大地增強(qiáng)了變壓器生產(chǎn)企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的核心競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 通過(guò)模態(tài)分析優(yōu)化變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂時(shí)，設(shè)計(jì)人員還要考慮振動(dòng)對(duì)機(jī)械臂實(shí)際工作性能的影響。如果振動(dòng)作用比較明顯時(shí)，機(jī)械臂會(huì)在動(dòng)載荷的影響下出現(xiàn)疲勞或者產(chǎn)生共振等問(wèn)題，不僅會(huì)造成機(jī)械臂使用壽命的縮短，而且還會(huì)導(dǎo)致部分零部件出現(xiàn)早期失效的情況。此外，振動(dòng)噪音還會(huì)對(duì)工作人員的健康造成不利的影響。因此設(shè)計(jì)人員需要通過(guò)模態(tài)分析來(lái)對(duì)變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的實(shí)際振動(dòng)特性進(jìn)行檢測(cè)分析，以防止機(jī)械臂的混聯(lián)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)特定振動(dòng)頻率或者是發(fā)生共振問(wèn)題[3]。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還可以利用模態(tài)分析來(lái)了解在不同動(dòng)載荷類型的影響下混聯(lián)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的具體響應(yīng)動(dòng)作，從而為其他動(dòng)力分析的控制參數(shù)估算求解提供可靠的參考依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。

在本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員主要是利用模態(tài)分析來(lái)對(duì)混聯(lián)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行分析研究，從而防止振動(dòng)作用對(duì)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的影響，優(yōu)化機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。由于在該新型變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方案中，主要是利用大臂來(lái)為整體結(jié)構(gòu)提供支撐，因此需要重點(diǎn)對(duì)該部件動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究分析[4]。

由于對(duì)機(jī)構(gòu)影響最為明顯的是低階振動(dòng)作用，因此需要重點(diǎn)分析其前4階振型。通過(guò)模態(tài)分析得出了大臂機(jī)構(gòu)前4階的位移的最大值和固有頻率。其中在1階次振型中，機(jī)構(gòu)的位移最大值約為4.12 mm，其固有頻率約為39.96 Hz；在2階次振型中機(jī)構(gòu)的位移最大值約為4.73 mm，其固有頻率約為68.21 Hz；在3階次振型中，大臂機(jī)構(gòu)的位移最大值約為4.26 mm，固有頻率約為183.36 Hz；而在4階次振型中，其位移的最大值為約4.72 mm，而固有頻率則液位289.45 Hz。此外，通過(guò)分析不同階次的振型圖發(fā)現(xiàn)，大臂機(jī)構(gòu)在1階振型圖中主要表現(xiàn)出上半部彎曲的振型特點(diǎn)，而大臂機(jī)構(gòu)在2階振型圖中主要表現(xiàn)出整體傾斜彎曲的振型特點(diǎn)。同時(shí)在3階振型圖中，大臂機(jī)構(gòu)主要呈現(xiàn)出上半部明顯彎曲的振型特點(diǎn)。另外大臂機(jī)構(gòu)在4階振型圖中主要呈現(xiàn)出其上半部輕微彎曲扭轉(zhuǎn)的特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)4階模態(tài)分析的研究發(fā)現(xiàn)，在振動(dòng)作用的影響下，變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)構(gòu)的大臂主要會(huì)發(fā)生彎曲變形或者扭轉(zhuǎn)等問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果采取適當(dāng)將機(jī)構(gòu)大臂厚度加大或者增加加強(qiáng)筋的設(shè)置等方式來(lái)提高大臂剛度。另外設(shè)計(jì)人員也可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂的大臂機(jī)構(gòu)型式進(jìn)行局部的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)控制機(jī)構(gòu)振動(dòng)幅度的目的，同時(shí)還可以有效降低機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的噪聲，從而減少生產(chǎn)環(huán)境中的噪聲污染，改善變壓器設(shè)備生產(chǎn)的工作環(huán)境，為工作人員的身心健康提供更好的保護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)機(jī)械臂相比，新型的變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂有效提高了承載能力以及剛度，擴(kuò)大了其在套裝變壓器線圈作業(yè)時(shí)的空間范圍，能夠靈活的完成多角度的套裝操作任務(wù)，同時(shí)其安裝的精度也得到了明顯的提升，極大地減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了變壓器設(shè)備生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，因此要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)新型變壓器線圈套裝用混聯(lián)機(jī)械臂的研究和推廣應(yīng)用，從而全面推動(dòng)我國(guó)變壓器設(shè)備生產(chǎn)向自動(dòng)化以及智能化方向發(fā)展。