張君義 唐日強 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)機械臂的設(shè)計方案

1.1 變壓器線圈套裝用混聯(lián)機械臂的主要構(gòu)成

在新型變壓器線圈套裝用混聯(lián)機械臂機構(gòu)中主要包括四桿以及五桿機構(gòu)、減速裝置、基座、傳動裝置、電機以及旋轉(zhuǎn)步進電機等部件（見圖1）。

圖1 機械臂機構(gòu)示意圖

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

1.2 變壓器線圈套裝用混聯(lián)機械臂設(shè)計的重要作用

1.2.1 能夠有效提高機械臂的靈活程度

由于新型變壓器線圈套裝用混聯(lián)機械臂的設(shè)計中綜合采用了四桿和五桿機構(gòu)型式，使機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大。同時混聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計也使機械臂動作的靈活性得到了極大的改善，這樣機械臂和機械手就能夠更加精準的完成套裝操作，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)的自動化程度

通過新型變壓器線圈套裝用混聯(lián)機械臂的設(shè)計，進一步提高了變壓器線圈套裝作業(yè)的自動化程度，不僅使工作人員的勞動強度明顯減輕，而且改善了生產(chǎn)環(huán)境，降低了生產(chǎn)作業(yè)中的風(fēng)險因素，同時也減少了人為因素對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，極大地增強了變壓器生產(chǎn)企業(yè)在激烈的市場競爭中的核心競爭力，為企業(yè)創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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

在設(shè)計變壓器線圈套裝用混聯(lián)機械臂時，設(shè)計人員還要考慮振動對機械臂實際工作性能的影響。如果振動作用比較明顯時，機械臂會在動載荷的影響下出現(xiàn)疲勞或者產(chǎn)生共振等問題，不僅會造成機械臂使用壽命的縮短，而且還會導(dǎo)致部分零部件出現(xiàn)早期失效的情況。此外，振動噪音還會對工作人員的健康造成不利的影響。因此設(shè)計人員需要通過模態(tài)分析來對變壓器線圈套裝用混聯(lián)機械臂機構(gòu)的實際振動特性進行檢測分析，以防止機械臂的混聯(lián)機構(gòu)出現(xiàn)特定振動頻率或者是發(fā)生共振問題[3]。同時，設(shè)計人員還可以利用模態(tài)分析來了解在不同動載荷類型的影響下混聯(lián)機械臂機構(gòu)的具體響應(yīng)動作，從而為其他動力分析的控制參數(shù)估算求解提供可靠的參考依據(jù)，從而實現(xiàn)對變壓器線圈套裝用混聯(lián)機械臂設(shè)計方案的優(yōu)化。

在本次設(shè)計中，設(shè)計人員主要是利用模態(tài)分析來對混聯(lián)機構(gòu)的振動特性進行分析研究，從而防止振動作用對機械臂機構(gòu)的影響，優(yōu)化機械臂機構(gòu)的動態(tài)特性。由于在該新型變壓器線圈套裝用混聯(lián)機械臂的設(shè)計方案中，主要是利用大臂來為整體結(jié)構(gòu)提供支撐，因此需要重點對該部件動態(tài)特性進行研究分析[4]。

由于對機構(gòu)影響最為明顯的是低階振動作用，因此需要重點分析其前4階振型。通過模態(tài)分析得出了大臂機構(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，通過分析不同階次的振型圖發(fā)現(xiàn)，大臂機構(gòu)在1階振型圖中主要表現(xiàn)出上半部彎曲的振型特點，而大臂機構(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。同時在3階振型圖中，大臂機構(gòu)主要呈現(xiàn)出上半部明顯彎曲的振型特點。另外大臂機構(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。

通過對4階模態(tài)分析的研究發(fā)現(xiàn)，在振動作用的影響下，變壓器線圈套裝用混聯(lián)機構(gòu)的大臂主要會發(fā)生彎曲變形或者扭轉(zhuǎn)等問題，因此設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果采取適當將機構(gòu)大臂厚度加大或者增加加強筋的設(shè)置等方式來提高大臂剛度。另外設(shè)計人員也可以根據(jù)實際情況對變壓器線圈套裝用混聯(lián)機械臂的大臂機構(gòu)型式進行局部的調(diào)整，以實現(xiàn)控制機構(gòu)振動幅度的目的，同時還可以有效降低機構(gòu)在運行過程中的噪聲，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。

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)機械臂相比，新型的變壓器線圈套裝用混聯(lián)機械臂有效提高了承載能力以及剛度，擴大了其在套裝變壓器線圈作業(yè)時的空間范圍，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強度，提高了變壓器設(shè)備生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，因此要進一步加強對新型變壓器線圈套裝用混聯(lián)機械臂的研究和推廣應(yīng)用，從而全面推動我國變壓器設(shè)備生產(chǎn)向自動化以及智能化方向發(fā)展。