章昱帆 ，姜振軍 ，熊樹生* ，郭寶圣 ，毛彬滔 ，黃曉波 ，李 偉

(1．浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江杭州310027;2．浙江江山變壓器股份有限公司，浙江江山324100;3．鎮(zhèn)江船艇學(xué)院動力指揮系，江蘇鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

變壓器行業(yè)是一個傳統(tǒng)的行業(yè)［1］，變壓器鐵心作為變壓器的核心部分，它的質(zhì)量直接影響到變壓器的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和運(yùn)行的安全可靠，因此它的制造技術(shù)改良和質(zhì)量控制十分重要。由于變壓器鐵心疊裝制造工藝的特殊性，現(xiàn)有的鐵心制造幾乎都采用手工疊裝硅鋼片的生產(chǎn)方式。以一臺10 KV 小型變壓器為例，鐵心疊片工序由兩人操作，工人按圖紙的鐵心疊積圖，兩片一疊，三級接縫疊積，兩人在同一鐵心柱(或鐵軛)的兩側(cè)逐級疊放。操作工在疊片過程中，均靠經(jīng)驗(yàn)和肉眼觀察來保持疊裝精度，生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊［2］。人工鐵心疊裝的弊端在自動化生產(chǎn)飛速發(fā)展的今天逐步顯現(xiàn)，成為制約變壓器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的障礙［3］。

針對上述問題，本研究設(shè)計(jì)出一套以步進(jìn)電機(jī)作為動力驅(qū)動，采用嵌入式單片機(jī)控制系統(tǒng)的硅鋼片自動疊片裝置(以下簡稱自動疊片機(jī))，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，經(jīng)過一系列振動測試與試驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的裝置能夠達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的精度要求。

1 自動疊片機(jī)的設(shè)計(jì)

自動疊片機(jī)作為一種用于自動化生產(chǎn)的裝置，通過“吸取—位移—放置”等功能，在不損傷硅鋼片的情況下，實(shí)現(xiàn)了將不同規(guī)格、不同大小的硅鋼片快速而準(zhǔn)確地放置在所指定的位置上。單片硅鋼片的實(shí)際位置與目標(biāo)位置的距離應(yīng)當(dāng)小于1 mm，這也是實(shí)際生產(chǎn)過程的疊片精度要求。疊片機(jī)主要由機(jī)架、三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)和運(yùn)動控制系統(tǒng)等部件組成，采用x-y-z 三維運(yùn)動模式，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動同步帶和絲杠直線滑臺來實(shí)現(xiàn)平移，利用氣缸-活塞桿實(shí)現(xiàn)垂直方向升降，采用吸盤真空吸取的方式進(jìn)行硅鋼片的抓取。

最終設(shè)計(jì)完成的裝置如圖1 所示。

圖1 自動疊片機(jī)

下面將針對機(jī)架、三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)和運(yùn)動控制系統(tǒng)這3 部分進(jìn)行介紹。

1．1 機(jī)架設(shè)計(jì)

自動疊片機(jī)的機(jī)架作為三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的支撐部件，必須能夠提供足夠的強(qiáng)度和剛度，使運(yùn)動機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中具備穩(wěn)定性，確保自動疊片機(jī)的運(yùn)行精度和定位準(zhǔn)確。另外機(jī)架需要提供硅鋼片的初始放置位置和相應(yīng)定位夾具，用來保證三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)取料過程的穩(wěn)定和精準(zhǔn)。

機(jī)架采用如圖1 所示的立方體框架結(jié)構(gòu)，搭建材料選用寬度為50 mm 的鋁型材，在滿足剛度和強(qiáng)度的要求下，重量較輕且可拆卸。機(jī)架上有若干個用于固定三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的安裝孔。在機(jī)架的底部固定著用于放置硅鋼片的底板，底板與鋁型材框架之間采用螺栓固定連接，底板材料選用厚度為8 mm 的鋼板。在底板上垂直立有4 根定位桿，其作用是提供硅鋼片的初始放置位置，并且限制硅鋼片滑移或轉(zhuǎn)動，確保三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的吸盤每次吸取硅鋼片時(shí)接觸相同位置，從而保證取料過程的精度。對于同類型硅鋼片，即使尺寸大小不同，但頂部角度相同，因此只要將其頂部兩條邊與四根定位桿靠緊，就可以確保取料過程不會出現(xiàn)硅鋼片的滑移或轉(zhuǎn)動。

1．2 三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)

目前主流的機(jī)械手運(yùn)動模式可分為直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、極坐標(biāo)與關(guān)節(jié)式?？紤]到硅鋼片疊片的整體布局和機(jī)械手的功能要求，疊片運(yùn)動軌跡為直線，因此采用x-y-z 三維直角坐標(biāo)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)較為簡單，也能滿足精度要求。三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)

3 個方向上的運(yùn)動機(jī)構(gòu)分別采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的同步帶型直線滑臺、絲杠型直線滑臺和氣壓驅(qū)動的氣缸—活塞桿。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，通過控制驅(qū)動信號的脈沖數(shù)和脈沖頻率來控制電機(jī)的速度和加速度，具有精度高、控制簡單、成本低等特點(diǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)均適合本自動疊片機(jī)的工作需要［4］。

x 方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的同步帶型直線滑臺，使用同步帶傳動能夠在保證運(yùn)動精度和效率的情況下控制成本。本研究采用的步進(jìn)電機(jī)為兩相，步進(jìn)角為1．8°，保持轉(zhuǎn)矩為1 N·m。同步帶安裝在直線滑臺下側(cè)，同步帶上固定有一塊同步帶滑塊，步進(jìn)電機(jī)通過帶動同步帶而使滑塊沿著滑臺方向直線運(yùn)動，同步帶滑塊與y 方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)—絲杠型直線滑臺固定。為了增加沿x 方向運(yùn)動的穩(wěn)定性，絲杠型直線滑臺上還固定有兩個滾珠滑塊，每個滾珠滑塊穿過各自的光軸，光軸固定在機(jī)架上。

根據(jù)變壓器鐵心疊片工藝，在y 方向上移動距離較短，該方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)采用絲杠型直線滑臺。本研究采用的步進(jìn)電機(jī)為兩相，步進(jìn)角為1．8°，保持轉(zhuǎn)矩為1 N·m。絲杠在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下帶動絲杠滑塊沿y方向運(yùn)動，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，具有摩擦阻力小、傳動效率高、運(yùn)動平穩(wěn)、反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，滿足疊片工藝在精度上的要求［5-6］。本研究采用的絲杠公稱直徑為20 mm，導(dǎo)程為4 mm，精度等級為7 級。

z 方向上的運(yùn)動機(jī)構(gòu)采用氣缸—活塞桿結(jié)構(gòu)，利用一小塊鋼板作為氣缸與絲杠滑塊的連接件，這樣氣缸能夠在x-y 方向上隨著絲杠滑塊而實(shí)現(xiàn)平移。氣缸的兩端各接有一根進(jìn)氣管，兩根進(jìn)氣管同時(shí)接入一個三通電磁閥，當(dāng)電磁閥線圈通電時(shí)，壓縮空氣通入氣缸上方的進(jìn)氣管，活塞桿下降;反之，當(dāng)電磁閥線圈斷電時(shí)，活塞桿上升。

考慮到硅鋼片表面光滑平整，質(zhì)量較小且分布均勻，采用真空吸取硅鋼片的方式不僅可以保護(hù)硅鋼片的表面絕緣層，還能克服磁吸式一次吸取多片硅鋼片的問題。

吸取機(jī)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 硅鋼片吸取機(jī)構(gòu)

在活塞桿末端固定有吸取機(jī)構(gòu)，吸盤引出抽氣管與真空發(fā)生器的吸附腔相連，真空發(fā)生器的噴管入口處通過氣管與一個電磁閥相連，電磁閥另一端接壓縮空氣。當(dāng)電磁閥線圈通電時(shí)，壓縮空氣就會進(jìn)入真空發(fā)生器的噴管，通過噴管高速噴射壓縮空氣，使噴管出口形成射流，從而產(chǎn)生卷吸流動，進(jìn)而使吸附腔內(nèi)壓力低于大氣壓，產(chǎn)生一定真空度［7］，于是吸盤開始抽氣以便抓取硅鋼片。所選真空發(fā)生器能產(chǎn)生約60 kPa的負(fù)壓，選用直徑為25 mm 的吸盤，兩個吸盤最大能吸取約0．8 kg 的硅鋼片。

在一側(cè)的吸盤上方安裝有一個電感式接近開關(guān)。電感式接近開關(guān)主要分為振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路三部分。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)金屬物體足夠接近這一磁場時(shí)，在金屬內(nèi)部會產(chǎn)生使振蕩衰減甚至停振的渦流。振蕩衰減甚至停振這一變化被放大電路處理后轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，用以驅(qū)動邏輯電路［8］，從而達(dá)到非接觸的檢測目的。電感式接近開關(guān)響應(yīng)頻率高，抗干擾性能好，廣泛用于工業(yè)控制中［9］。當(dāng)活塞桿下降至吸盤接觸到硅鋼片后，吸盤軸就會上升并觸發(fā)接近開關(guān)，這一信號作為運(yùn)動控制系統(tǒng)的輸入，用來控制吸盤抽氣的工作時(shí)刻。

1．3 運(yùn)動控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用TC55 運(yùn)動控制器，它配置高性能32 位CPU，驅(qū)動裝置采用細(xì)分步進(jìn)電機(jī)或交流伺服電機(jī)，配備液晶顯示器，全封閉觸摸式操作鍵盤。該系統(tǒng)具有可靠性高、精度高、噪音小、操作方便等特點(diǎn)?？煽刂?～3 個電機(jī)運(yùn)動，擁有16 路光電隔離輸入，8 路繼電器輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)、跳轉(zhuǎn)以及簡易PLC 等功能。

自動疊片機(jī)x-y 方向上的運(yùn)動機(jī)構(gòu)由相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，TC55 控制器通過對步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器脈沖輸入來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動。z 方向活塞桿的升降由三通電磁閥控制，三通電磁閥(以下稱電磁閥1)接線至TC55 控制器的1 號輸出口。吸盤抽氣由與真空發(fā)生器相連的電磁閥(以下稱電磁閥2)控制，電磁閥2 接線至TC55 控制器的2 號輸出口。接近開關(guān)接線至TC55 控制器的1 號輸入口。

完成硬件連接后，只需在TC55 控制器中加入控制程序就能夠?qū)崿F(xiàn)對疊片機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的控制，也即對整個疊片過程的操縱。對于單片硅鋼片的疊片控制流程如圖4 所示。

自動疊片機(jī)工作時(shí)需要首先啟動空壓機(jī)，壓縮空氣通過氣管分為兩路，一路進(jìn)入電磁閥1，另一路進(jìn)入電磁閥2。針對單片硅鋼片的疊片過程為:氣缸平移到取料位置正上方，活塞桿下降至吸盤接觸到硅鋼片，吸盤吸住硅鋼片，活塞桿上升，硅鋼片隨著氣缸平移到目標(biāo)位置，活塞桿下降至硅鋼片接觸到地面，吸盤放下硅鋼片，活塞桿上升，氣缸平移回到取料位置正上方。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

初步設(shè)計(jì)完成的自動疊片機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在一定的缺陷，這導(dǎo)致直線滑臺在平移以及活塞桿在上、下運(yùn)動過程中吸盤出現(xiàn)較為嚴(yán)重的振動，吸盤的大幅振動將會影響每次吸取硅鋼片的位置，進(jìn)而導(dǎo)致硅鋼片的實(shí)際放置位置與預(yù)先設(shè)定的位置有所不同，直接導(dǎo)致疊片精度下降。盡管在疊片機(jī)每一步動作后增加一段延時(shí)，等振動緩解后再進(jìn)行下一步可以保證精度，但是這將直接影響疊片效率，因此該措施并不可取。

圖4 單片硅鋼片的疊片控制流程圖

通過分析疊片機(jī)的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)存在的問題。優(yōu)化前疊片機(jī)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化前疊片機(jī)結(jié)構(gòu)

由于氣缸較長，而z 方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)僅僅通過小塊鋼板作為連接件與絲杠滑塊固定，并且絲杠滑塊的導(dǎo)輪與絲杠型直線滑臺之間存在一定間隙，z 方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)的重力產(chǎn)生了相對于絲杠的扭矩，進(jìn)而在疊片機(jī)的工作中使吸盤所在位置出現(xiàn)振動。

針對上述問題，本研究對疊片機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了兩方面的優(yōu)化。優(yōu)化后的疊片機(jī)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化后疊片機(jī)結(jié)構(gòu)

首先，本研究改變氣缸等z 方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)固定在絲杠型直線滑臺自由端的懸臂梁結(jié)構(gòu)，將氣缸安裝在兩根光軸中間。其次，本研究在氣缸另一側(cè)增加一條與y 方向平行的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上套有一個與氣缸固定連接的滑塊，該導(dǎo)軌作為絲杠型直線滑臺的從動部件，能夠?qū)崿F(xiàn)與之相同的運(yùn)動過程，并且對氣缸進(jìn)行了基座固定，能夠緩解疊片機(jī)工作過程中由于基座松動而產(chǎn)生的振動。

3 振動測試

為了驗(yàn)證自動疊片機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果，找出基座松動而產(chǎn)生的振動作用頻段，本研究分別對優(yōu)化前與優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動測試。將測點(diǎn)布置在靠近吸盤的鋁型材上，選用三向振動加速度傳感器來進(jìn)行x 和y 方向的振動加速度測量。疊片過程可分解為活塞桿升降和氣缸平移兩種工況，分別對這兩種工況進(jìn)行振動測試。實(shí)際測試的條件為:同步帶型直線滑臺的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為937．5 r/min，絲杠型直線滑臺的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 270 r/min。

活塞桿升降過程y 方向的振動測試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 升降階段y 方向振動對比

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，幾個振動波峰均有一定程度上的削弱，其中以100 Hz～175 Hz 頻段最為明顯，這表明y 方向上由于基座松動而產(chǎn)生的振動主要在該頻段起作用。

活塞桿升降過程x 方向的振動測試結(jié)果如圖8 所示。除了在30 Hz 左右，其他頻段結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的振動加速度均有所改善，在x 方向上，基座松動的影響主要體現(xiàn)在80 Hz～150 Hz。

圖8 升降階段x 方向振動對比

氣缸平移過程y 方向的振動測試結(jié)果如圖9 所示。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的振動削弱主要體現(xiàn)在50 Hz 以下的低頻區(qū)域和230 Hz 以上的高頻區(qū)域，這兩段也是基座松動的主要影響區(qū)域。

圖9 平移階段y 方向振動對比

氣缸平移過程x 方向的振動測試結(jié)果如圖10 所示。平移過程中由于基座松動而產(chǎn)生的振動主要體現(xiàn)在該方向上，作用范圍主要在80 Hz 以下和230 Hz 以上，并且振動加速度較y 方向更大。

若采用振動加速度均方根值作為振動加速度的有效值，可以反映出總振動能量的大?。?0］，其表達(dá)式為:

圖10 平移階段x 方向振動對比

式中:Aims—振動加速度均方根值(有效值)，a(t)—隨時(shí)間t 變化的振動加速度，T—振動周期。

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中所測數(shù)據(jù)均為離散信號，式(1)可以寫為:

式中:N—所測數(shù)據(jù)總量;n—第n 個數(shù)據(jù)。

本研究將所測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時(shí)域狀態(tài)下后代入式(2)，分別計(jì)算結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后活塞桿升降與氣缸平移兩階段各方向的振動加速度有效值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后振動加速度有效值對比

從表1 的計(jì)算結(jié)果可以看出，在每個工作過程和方向上，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的振動加速度有效值均顯著低于優(yōu)化前，即對疊片機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后能夠有效減少由于基座松動而產(chǎn)生的振動。

為了檢測結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的疊片機(jī)的疊片精度，本研究分別令優(yōu)化前后的疊片機(jī)完成單片硅鋼片的疊片流程，測量出硅鋼片的實(shí)際位置與目標(biāo)位置的距離，10組測試平均結(jié)果如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后單片疊片精度對比

從表2 的結(jié)果中可以看出，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的自動疊片機(jī)能夠滿足1 mm 的單片疊片精度要求。

4 結(jié)束語

本研究以改善變壓器鐵心手工疊裝這一現(xiàn)狀出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套硅鋼片自動疊片裝置。該裝置通過吸取—位移—放置等功能，實(shí)現(xiàn)了將不同規(guī)格、不同大小的硅鋼片準(zhǔn)確快速地放置在所指定的位置上。

本研究針對所設(shè)計(jì)的裝置z 方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)基座松動這一問題進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，經(jīng)過振動測試，找出了基座松動而產(chǎn)生的振動作用頻段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后能夠有效減少由于基座松動而產(chǎn)生的振動，達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的精度要求。

［1］郭振巖．中國變壓器行業(yè)現(xiàn)狀及應(yīng)對措施［J］． 變壓器，2012(3):43-47．

［2］宋悠全．動車組變壓器鐵心自動疊片工藝研究［J］．科技傳播，2013(22):155-156．

［3］朱 峰，林吉靚．硅鋼片自動疊片機(jī)的研究與設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014(7):43-48．

［4］劉寶志．步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究［D］． 濟(jì)南:山東大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，2010．

［5］劉 劍． 高速滾珠絲杠副綜合性能的試驗(yàn)研究［D］． 濟(jì)南:山東大學(xué)控制科學(xué)工程學(xué)院，2005．

［6］陳燁妍．精密滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)方法研究及試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)［D］．南京:南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2014．

［7］郭維強(qiáng)，蒲如平，韓秀杰，等．真空發(fā)生器抽吸機(jī)理與性能的分析研究［J］．真空，2003(6):54-56．

［8］吳曉娜． 接近開關(guān)的正確選用［J］． 中國科技信息，2008(14):162-163．

［9］錢金川，朱守敏．接近開關(guān)在自動化控制中的應(yīng)用［J］．江蘇電器，2006(5):30-35．

［10］JB/T 8689—1998，通風(fēng)機(jī)振動檢測及其限值［S］．北京:機(jī)械工業(yè)部機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化研究所，1998．