硅鋼片自動疊片裝置設計及結構優化研究

章昱帆 ，姜振軍 ，熊樹生* ，郭寶圣 ，毛彬滔 ，黃曉波 ，李 偉

(1．浙江大學能源工程學院，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．鎮江船艇學院動力指揮系，江蘇鎮江212003)

0 引 言

變壓器行業是一個傳統的行業［1］，變壓器鐵心作為變壓器的核心部分，它的質量直接影響到變壓器的技術性能、經濟指標和運行的安全可靠，因此它的制造技術改良和質量控制十分重要。由于變壓器鐵心疊裝制造工藝的特殊性，現有的鐵心制造幾乎都采用手工疊裝硅鋼片的生產方式。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)的兩側逐級疊放。操作工在疊片過程中，均靠經驗和肉眼觀察來保持疊裝精度，生產效率低下，產品質量參差不齊［2］。人工鐵心疊裝的弊端在自動化生產飛速發展的今天逐步顯現，成為制約變壓器產業發展的障礙［3］。

針對上述問題，本研究設計出一套以步進電機作為動力驅動，采用嵌入式單片機控制系統的硅鋼片自動疊片裝置(以下簡稱自動疊片機)，并對其進行結構優化，經過一系列振動測試與試驗，驗證所設計的裝置能夠達到實際生產的精度要求。

1 自動疊片機的設計

自動疊片機作為一種用于自動化生產的裝置，通過“吸取—位移—放置”等功能，在不損傷硅鋼片的情況下，實現了將不同規格、不同大小的硅鋼片快速而準確地放置在所指定的位置上。單片硅鋼片的實際位置與目標位置的距離應當小于1 mm，這也是實際生產過程的疊片精度要求。疊片機主要由機架、三維運動機構和運動控制系統等部件組成，采用x-y-z 三維運動模式，利用步進電機驅動同步帶和絲杠直線滑臺來實現平移，利用氣缸-活塞桿實現垂直方向升降，采用吸盤真空吸取的方式進行硅鋼片的抓取。

最終設計完成的裝置如圖1 所示。

圖1 自動疊片機

下面將針對機架、三維運動機構和運動控制系統這3 部分進行介紹。

1．1 機架設計

自動疊片機的機架作為三維運動機構的支撐部件，必須能夠提供足夠的強度和剛度，使運動機構在運行中具備穩定性，確保自動疊片機的運行精度和定位準確。另外機架需要提供硅鋼片的初始放置位置和相應定位夾具，用來保證三維運動機構取料過程的穩定和精準。

機架采用如圖1 所示的立方體框架結構，搭建材料選用寬度為50 mm 的鋁型材，在滿足剛度和強度的要求下，重量較輕且可拆卸。機架上有若干個用于固定三維運動機構的安裝孔。在機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動，確保三維運動機構的吸盤每次吸取硅鋼片時接觸相同位置，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硅鋼片的滑移或轉動。

1．2 三維運動機構

目前主流的機械手運動模式可分為直角坐標、圓柱坐標、極坐標與關節式?？紤]到硅鋼片疊片的整體布局和機械手的功能要求，疊片運動軌跡為直線，因此采用x-y-z 三維直角坐標的運動機構較為簡單，也能滿足精度要求。三維運動機構如圖2 所示。

圖2 三維運動機構

3 個方向上的運動機構分別采用步進電機驅動的同步帶型直線滑臺、絲杠型直線滑臺和氣壓驅動的氣缸—活塞桿。步進電機可以實現開環控制，通過控制驅動信號的脈沖數和脈沖頻率來控制電機的速度和加速度，具有精度高、控制簡單、成本低等特點，各項指標均適合本自動疊片機的工作需要［4］。

x 方向運動機構采用步進電機驅動的同步帶型直線滑臺，使用同步帶傳動能夠在保證運動精度和效率的情況下控制成本。本研究采用的步進電機為兩相，步進角為1．8°，保持轉矩為1 N·m。同步帶安裝在直線滑臺下側，同步帶上固定有一塊同步帶滑塊，步進電機通過帶動同步帶而使滑塊沿著滑臺方向直線運動，同步帶滑塊與y 方向運動機構—絲杠型直線滑臺固定。為了增加沿x 方向運動的穩定性，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，光軸固定在機架上。

根據變壓器鐵心疊片工藝，在y 方向上移動距離較短，該方向運動機構采用絲杠型直線滑臺。本研究采用的步進電機為兩相，步進角為1．8°，保持轉矩為1 N·m。絲杠在步進電機驅動下帶動絲杠滑塊沿y方向運動，將旋轉運動轉化成直線運動，具有摩擦阻力小、傳動效率高、運動平穩、反應迅速等優點，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，導程為4 mm，精度等級為7 級。

z 方向上的運動機構采用氣缸—活塞桿結構，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現平移。氣缸的兩端各接有一根進氣管，兩根進氣管同時接入一個三通電磁閥，當電磁閥線圈通電時，壓縮空氣通入氣缸上方的進氣管，活塞桿下降;反之，當電磁閥線圈斷電時，活塞桿上升。

考慮到硅鋼片表面光滑平整，質量較小且分布均勻，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。

吸取機構如圖3 所示。

圖3 硅鋼片吸取機構

在活塞桿末端固定有吸取機構，吸盤引出抽氣管與真空發生器的吸附腔相連，真空發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。當電磁閥線圈通電時，壓縮空氣就會進入真空發生器的噴管，通過噴管高速噴射壓縮空氣，使噴管出口形成射流，從而產生卷吸流動，進而使吸附腔內壓力低于大氣壓，產生一定真空度［7］，于是吸盤開始抽氣以便抓取硅鋼片。所選真空發生器能產生約60 kPa的負壓，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。

在一側的吸盤上方安裝有一個電感式接近開關。電感式接近開關主要分為振蕩器、開關電路及放大輸出電路三部分。振蕩器產生一個交變磁場，當金屬物體足夠接近這一磁場時，在金屬內部會產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換成開關信號，用以驅動邏輯電路［8］，從而達到非接觸的檢測目的。電感式接近開關響應頻率高，抗干擾性能好，廣泛用于工業控制中［9］。當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接近開關，這一信號作為運動控制系統的輸入，用來控制吸盤抽氣的工作時刻。

1．3 運動控制系統

控制系統采用TC55 運動控制器，它配置高性能32 位CPU，驅動裝置采用細分步進電機或交流伺服電機，配備液晶顯示器，全封閉觸摸式操作鍵盤。該系統具有可靠性高、精度高、噪音小、操作方便等特點?？煽刂?～3 個電機運動，擁有16 路光電隔離輸入，8 路繼電器輸出，能夠實現循環、跳轉以及簡易PLC 等功能。

自動疊片機x-y 方向上的運動機構由相應步進電機驅動，TC55 控制器通過對步進電機控制驅動器脈沖輸入來控制步進電機運動。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實現對疊片機運動機構的控制，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。

自動疊片機工作時需要首先啟動空壓機，壓縮空氣通過氣管分為兩路，一路進入電磁閥1，另一路進入電磁閥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 結構優化

初步設計完成的自動疊片機在結構上存在一定的缺陷，這導致直線滑臺在平移以及活塞桿在上、下運動過程中吸盤出現較為嚴重的振動，吸盤的大幅振動將會影響每次吸取硅鋼片的位置，進而導致硅鋼片的實際放置位置與預先設定的位置有所不同，直接導致疊片精度下降。盡管在疊片機每一步動作后增加一段延時，等振動緩解后再進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

通過分析疊片機的結構可以發現存在的問題。優化前疊片機構如圖5 所示。

圖5 優化前疊片機結構

由于氣缸較長，而z 方向運動機構僅僅通過小塊鋼板作為連接件與絲杠滑塊固定，并且絲杠滑塊的導輪與絲杠型直線滑臺之間存在一定間隙，z 方向運動機構的重力產生了相對于絲杠的扭矩，進而在疊片機的工作中使吸盤所在位置出現振動。

針對上述問題，本研究對疊片機的結構進行了兩方面的優化。優化后的疊片機構如圖6 所示。

圖6 優化后疊片機結構

首先，本研究改變氣缸等z 方向運動機構固定在絲杠型直線滑臺自由端的懸臂梁結構，將氣缸安裝在兩根光軸中間。其次，本研究在氣缸另一側增加一條與y 方向平行的導軌，導軌上套有一個與氣缸固定連接的滑塊，該導軌作為絲杠型直線滑臺的從動部件，能夠實現與之相同的運動過程，并且對氣缸進行了基座固定，能夠緩解疊片機工作過程中由于基座松動而產生的振動。

3 振動測試

為了驗證自動疊片機結構優化的效果，找出基座松動而產生的振動作用頻段，本研究分別對優化前與優化后的結構進行振動測試。將測點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行振動測試。實際測試的條件為:同步帶型直線滑臺的步進電機轉速為937．5 r/min，絲杠型直線滑臺的步進電機轉速為1 270 r/min。

活塞桿升降過程y 方向的振動測試結果如圖7 所示。

圖7 升降階段y 方向振動對比

結構優化后，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 方向的振動測試結果如圖8 所示。除了在30 Hz 左右，其他頻段結構優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 方向的振動測試結果如圖9 所示。結構優化后的振動削弱主要體現在50 Hz 以下的低頻區域和230 Hz 以上的高頻區域，這兩段也是基座松動的主要影響區域。

圖9 平移階段y 方向振動對比

氣缸平移過程x 方向的振動測試結果如圖10 所示。平移過程中由于基座松動而產生的振動主要體現在該方向上，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小［10］，其表達式為:

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)—隨時間t 變化的振動加速度，T—振動周期。

因為實驗中所測數據均為離散信號，式(1)可以寫為:

式中:N—所測數據總量;n—第n 個數據。

本研究將所測數據轉化為時域狀態下后代入式(2)，分別計算結構優化前、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，計算結果如表1所示。

表1 結構優化前、后振動加速度有效值對比

從表1 的計算結果可以看出，在每個工作過程和方向上，結構優化后的振動加速度有效值均顯著低于優化前，即對疊片機進行結構優化后能夠有效減少由于基座松動而產生的振動。

為了檢測結構優化后的疊片機的疊片精度，本研究分別令優化前后的疊片機完成單片硅鋼片的疊片流程，測量出硅鋼片的實際位置與目標位置的距離，10組測試平均結果如表2 所示。

表2 結構優化前、后單片疊片精度對比

從表2 的結果中可以看出，經過結構優化后的自動疊片機能夠滿足1 mm 的單片疊片精度要求。

4 結束語

本研究以改善變壓器鐵心手工疊裝這一現狀出發，設計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，實現了將不同規格、不同大小的硅鋼片準確快速地放置在所指定的位置上。

本研究針對所設計的裝置z 方向運動機構基座松動這一問題進行了結構優化，經過振動測試，找出了基座松動而產生的振動作用頻段。實驗結果表明，結構優化后能夠有效減少由于基座松動而產生的振動，達到實際生產的精度要求。

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