曹田野，徐志剛，王丙戌,鄭帥超

(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110179；2.東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819)

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大型鐵芯疊片機器人設(shè)計與優(yōu)化*

曹田野1,2，徐志剛1，王丙戌1,2,鄭帥超1,2

(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110179；2.東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819)

針對目前大型變壓器鐵芯疊片工藝效率低、自動化程度低的問題，設(shè)計了一種鐵芯疊片機器人，該機器人有四個機械臂、兩個工位，可快速、精確地將硅鋼片疊成要求的”E”字形鐵芯。橋架是疊片機器人的關(guān)鍵部件，利用有限元仿真軟ANSYS對橋架橫梁進行了截面尺寸優(yōu)化，使橫梁在滿足最大變形減小-12.1%的情況下，質(zhì)量減小-22.57%。

變壓器鐵芯；疊片機器人；尺寸優(yōu)化

0 引言

鐵芯是變壓器的重要部件，鐵芯由硅鋼片疊裝而成。變壓器鐵芯疊片機器人能提高變壓器疊片工藝效率，提高鐵芯疊片質(zhì)量，降低變壓器的空載損耗和噪音，同時降低操作工人的勞動量，改善工人勞動強度和勞動環(huán)境，對于變壓器生產(chǎn)廠商而言，自動疊片機的投入使用會使人工成本大幅降低。

國外有三家公司研制出了用于疊片的工業(yè)機器人，分別是德國喬格、瑞士阿爾斯通、加拿大MTM,由于技術(shù)保密原因，可以查到的關(guān)于國外疊片機器人的資料十分有限。在國內(nèi)，河南開封大學(xué)的朱峰，林吉靚設(shè)計了CZC-1型自動疊片機器人，該機器人使用大功率靜音空氣壓縮機作為動力源，機械結(jié)構(gòu)主要有機架、工作臺、主溜板、副溜板、導(dǎo)軌、機械手、料槽和疊片工作臺組成，可以實現(xiàn)JSZW3、6、10等型號的鐵芯硅鋼片的疊放，采用PLC進行控制[1]。浙江大學(xué)的章昱帆、蔣振軍采用TC55控制器對整個疊片過程進行控制，自動疊片機采用框架結(jié)構(gòu)，有三個平移自由度，其中X、Y兩個平移自由度分別由步進電機驅(qū)動同步帶型直線滑臺和絲杠型直線滑臺獲得，Z向平移自由度以氣缸作為動力源，抓手采用真空吸盤[2]。南車株洲公司的宋悠全對動車組變壓器鐵芯自動疊片機器人進行了研究，設(shè)計的疊片機器人由上料平臺、疊片工作臺、安全系統(tǒng)、分片取片裝置、疊片輸出裝置組成[3]。上述疊片機器人均只能對小型鐵芯進行疊裝。在變壓器中，大型變壓器的作用尤為重要，其高壓輸電的作用無可替代。目前國內(nèi)尚未見到對大型鐵芯自動疊片機器人的報道，而國外相關(guān)技術(shù)對外保密，設(shè)備價格不菲,因此對大型鐵芯自動疊片機器人進行研究十分必要。

1 疊片工藝介紹

疊片是將四垛堆放在一定位置的厚度只有0.25mm的硅鋼料片疊成“E”字型鐵芯，鐵芯由4部分組成，分別為豎直方向的左柱、中柱、右柱和水平方向的底軛。其中左柱和右柱形狀相同，在鐵芯中的位置對稱，中柱位于左柱和右柱中間位置，軛片和以上三柱垂直，圖1是某變壓器型號的鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖

疊片工藝的技術(shù)要求：窗寬M0≤±1mm，鐵芯厚度偏差≤±1mm，鐵芯起立后的柱片的傾斜度≤鐵芯總高度的0.4%,H0≤±1mm。

目前工廠的疊片現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 疊片現(xiàn)場

疊片時，4部分料片相對鐵芯的位置如圖3所示。

圖3 料片相對鐵芯位置

先將豎直方向的左柱、中柱和右柱疊放到相應(yīng)的位置，然后疊放軛柱。目前，這種型號的鐵芯的疊片工藝需要四人同時配合才能完成。

2 機械本體設(shè)計

自動疊片機器人用于大型變壓器的鐵芯疊片工序，鐵芯疊片機器人工作采用龍門橋架系統(tǒng)，主要由主龍門機架、橋架、四個疊片機械臂、兩個翻轉(zhuǎn)臺、兩臺運料AGV和用以安全措施的隔離網(wǎng)組成。由于直角坐標(biāo)機器人與其它機器人相比，具有以下優(yōu)勢：有X、Y、Z三個直線運動自由度、可重復(fù)編程、運動精度高、運動速度快、方便控制，非常適用于搬運物料，因此疊片機器人采用直角坐標(biāo)機器人的形式[4]。示意圖如圖4所示。

圖4 大型疊片機器人示意圖

自動疊片機器人工作站的工作原理為：首先橋架可沿著主龍門機架在兩個翻轉(zhuǎn)臺之間平移運動，位移反饋采用光柵尺，傳動方式為高精度齒輪齒條。當(dāng)橋架移動到一個疊裝臺上方時，橋架停止運動，運料AGV會停止在翻轉(zhuǎn)臺側(cè)邊位置。然后疊片機械臂按著根據(jù)控制系統(tǒng)計算的相對位置運動，抓取運料AGV的硅鋼片，將其疊放到翻轉(zhuǎn)臺上。疊片臂共有4個，其中三個用于疊放柱片，一個用于疊放軛片，只要更換機械臂末端的真空吸盤抓手，就可以適用不同規(guī)格的鐵芯。在疊放的過程中，高度檢測傳感器會實時檢測疊片高度，工控機接收高度傳感器傳回的數(shù)據(jù)并根據(jù)編制好的程序控制疊片機械臂在Y軸方向的高度。為了提高效率，龍門機器人設(shè)計為雙工位形式，工位一完成疊片工序時，橋架運動到工位二進行疊片，工位一由工人將鐵芯固定在翻轉(zhuǎn)臺上、然后繼續(xù)完成翻轉(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)90°、轉(zhuǎn)移疊好的鐵芯以及為下臺鐵芯的疊裝準(zhǔn)備等工作，疊片機器人按照這個節(jié)拍循環(huán)工作。圖5是疊片機械臂示意圖。

圖5 疊片機械臂

圖6是翻轉(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)前后的示意圖。

圖6 翻轉(zhuǎn)臺

硅鋼片厚度只有0.25mm～0.3mm, 因此在疊片機械手抓取硅鋼片的時候，兩片硅鋼片有可能粘連在一起，因此在運料AGV加上了硅鋼片分片裝置，硅鋼片分片裝置采用市場上成熟運用的磁力分張器。磁力分張器是利用同名磁極相互排斥的原理工作的，當(dāng)磁性材料靠近磁鐵時就會被磁化，磁化的材料極性相同，所以材料與材料之間產(chǎn)生互斥力，原來緊貼的材料就會分開。圖7是利用磁性分張器做的試驗。

圖7 磁性分張器分片試驗

3 橋架橫梁設(shè)計與尺寸優(yōu)化

橋架是疊片機器人一個重要的部件，橋架包含三根跨度達7m的橫梁，為箱形三梁橋架結(jié)構(gòu)，縱梁的橫截面同橫梁的橫截面相同。橋架如圖8所示。

圖8 橋架

四個疊片機械手安裝在橋架上，橋架的變形或者振動對機械手的疊片精度有極大的影響，因此對橋架加以研究十分必要，研究內(nèi)容包括兩點：①用SOLIDWORKS進行橫梁的設(shè)計，建立三維模型。②因為零件的抗彎、抗扭剛度和剛度除與其截面面積有關(guān)外，還取決于截面形狀。合理地改變截面形狀，增大慣性矩和截面系數(shù)，可提高機架的強度和剛度，從而充分發(fā)揮材料的作用[5-6]，因此采用ANSYS WORKBENCH的優(yōu)化模塊對梁的截面進行優(yōu)化，使其在質(zhì)量較小的情況下變形在可接受的范圍。

梁兩端的連接方式會對梁的受力及變形情況有較大的影響，在本文中梁的約束可簡化為兩端固定約束，為三次超靜定梁[7]。超靜定結(jié)構(gòu)較之相應(yīng)的靜定結(jié)構(gòu)由于存在多余約束，其內(nèi)力分布范圍大，峰值??；且剛度大，使變形小。機械臂的連接板與主梁的腹板相連通過導(dǎo)軌滑塊直線單元相連，所以力作用在橫梁的側(cè)方，梁在受到彎矩的同時受到扭矩，扭矩使梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，彎矩使梁產(chǎn)生撓度。因此采用抗扭剛度和抗彎剛度都較好的箱型梁。

對于一般機架，垂直方向的撓度與長度之比限制在1/500～1/1000，自動疊片機器人的精度要求高，所以將撓度與跨度之比設(shè)為1/12000。

力學(xué)模型按照隨后的三條規(guī)則建立：①齒輪齒條直線單元重量均勻施加在橫梁側(cè)邊。②疊片機械臂以集中力的方式施加在橫梁側(cè)邊。③兩個橫梁之間的載荷平均分配到兩個橫梁。

在橫梁的優(yōu)化中，目的是在某種類型載荷作用下，在滿足變形要求下發(fā)現(xiàn)使橫梁的質(zhì)量最小的截面尺寸，得到截面的哪些尺寸對剛度、質(zhì)量影響較大，然后對關(guān)鍵尺寸進行加強，對影響較小的尺寸進行削弱[8]。從橋架示意圖中可得到橫梁2的負載最大，如果橫梁2的的形變滿足要求，其余兩根橫梁的形變也會滿足要求，因此選擇橫梁2進行分析，橫梁2受到來兩部分力的作用，一部分是自身重力；另一部分是縱梁、機械臂以及直線單元的重量。橫梁的初始尺寸如下圖所示。

圖9 橫梁截面圖

B/mmH/mmt2/mmt3/mmt1/mm梁長度/mm質(zhì)量/mm3003001010107000659.4kg

表2 橫梁所受載荷

研究思路如下，首先利用ANSYS WORKBENCH靜力結(jié)構(gòu)分析工具對梁進行分析，然后將所得結(jié)果導(dǎo)入?yún)?shù)相關(guān)性優(yōu)化工具，得到輸入各個參數(shù)的重要程度，最后利用直接優(yōu)化分析工具，從一系列的由軟件按照正交試驗原理生成的設(shè)計點中選出最優(yōu)的設(shè)計點[9-10]。

梁的材料為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，密度是7.85g/cm3。劃分網(wǎng)格的單元數(shù)為82600，節(jié)點數(shù)為578790。網(wǎng)格質(zhì)量檢測工具檢測結(jié)果為網(wǎng)格質(zhì)量良好。靜力結(jié)構(gòu)模塊分析所得結(jié)果如圖10所示。

圖10 優(yōu)化前橫梁應(yīng)力應(yīng)變圖

從仿真結(jié)果可知，最大變形量約為0.533mm，出現(xiàn)在橫梁中部，從變形圖中可以觀察到變形的方向為Y向，即與重力作用的方向一致；最大應(yīng)力為出現(xiàn)在梁兩端,為21.829MPa。

利用參數(shù)相關(guān)性優(yōu)化分析工具得到的各參數(shù)關(guān)系如表3所示。

表3 線性關(guān)系表

表中的負數(shù)代表參數(shù)的使目標(biāo)減小，正數(shù)代表參數(shù)使目標(biāo)增加。從關(guān)系表中可得到以下結(jié)論：增加H對減小變形最有效；增加B雖然能減小變形，但是對質(zhì)量增加較大；增加t3既能使變形有效的較小，對質(zhì)量影響也不太大；t1對變形的影響系數(shù)為正，結(jié)合其較大的質(zhì)量影響系數(shù)，說明由于t1增加使質(zhì)量增速較快，增加的自身重量抵消了t1增加的剛度，但是t1不能過小，會造成局部失穩(wěn)。

輸入?yún)?shù)是B、t2、t1、H、t3，輸出參數(shù)是橫梁的最大總變形和質(zhì)量。根據(jù)參數(shù)相關(guān)性分析工具得出的結(jié)論設(shè)置參數(shù)變化范圍為：200mm≤B≤300mm，300mm≤H≤400mm，5mm≤t1,t2,t3≤15mm。

直接優(yōu)化分析工具設(shè)置生成的設(shè)計點數(shù)為120，從中選出3個候選設(shè)計點。

目標(biāo)為橫梁質(zhì)量最小，約束條件為橫梁最大總變形小于0.5mm。3個最優(yōu)候選點如表4所示。

表4 最優(yōu)候選點

3個候選點相對于初始點的變形和質(zhì)量且變形滿足約束條件，三個候選點相對初始數(shù)據(jù)的變形及質(zhì)量變化如表5所示。第一個候選點的質(zhì)量最小，因此選擇第一個候選點為依據(jù)作為橫梁截面尺寸，根據(jù)參數(shù)相關(guān)性分析工具的結(jié)論對第一個參考點的數(shù)據(jù)進行圓整，即對能使變形量減小的參數(shù)省略小數(shù)點后加一，對使變形量增大的參數(shù)直接省略小數(shù)，得到優(yōu)化的橫梁截面尺寸如表6所示。

表5 變形及質(zhì)量變化表

表6 優(yōu)化后橫梁截面尺寸表

對優(yōu)化后的橫梁進行仿真，得到其最大總變形和最大應(yīng)力，如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后橫梁應(yīng)力應(yīng)變圖

最大應(yīng)力為25.53MPa,最大總變形為0.412mm，滿足工程技術(shù)要求。

4 結(jié)論

首先對大型鐵芯疊片機器人的機械本體進行了設(shè)計，首次提出了采用四個機械手同時疊裝硅鋼片及將雙工位的方法用于疊片機器人，大大提高了疊片的效率。然后基于ANSYS WORKBENCH對關(guān)鍵部件橋架的橫梁進行尺寸優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的橫梁在質(zhì)量減少-22.57%的情況下，變形減少了12.1%。

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(編輯 李秀敏)

Design and Optimization of the Lamination Robot for Large Iron Cores

CAO Tian-ye1,2, XU Zhi-gang1, WANG Bing-xu1,2,ZHENG Shuai-chao1,2

(1.Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110179,China;2. College of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819,China)

With the problem of low efficiency, low-level automatization in lamination process of large transformer cores, the iron core lamination robot is proposed. The robot has four mechanical arms and two positions. It can quickly and accurately fold silicon steel sheets into the required "E"-shaped iron cores. The briage is the critical component of the lamination root, utilizing the finite element software ANSYS to make cross section size optimization of the cross beam, and the mass is reduced by-22.57% under the condition that the maximum total deformation is reduced by-12.1%.

iron core; lamination robot; size optimization

1001-2265(2017)06-0130-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.033

2016-08-24

“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備” 國家科技重大專項(2013ZX04001041；國家863計劃資助項目(2014AA041603)

曹田野(1991—)，男，河北保定人，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所碩士研究生，研究方向為激光焊接和機器人機構(gòu)學(xué)，(E-mail)caotianye66@163.com。

TH122;TG659

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