變壓器線圈套裝用混聯機械臂的設計與分析

摘要：本文設計了一種用于變壓器線圈套裝的混聯機械臂，采用基于四桿及五桿機構的混聯結構，顯著擴大機械臂的工作空間，通過支撐桿件的作用提高機械臂的額定負載，改善勞動條件，提高變壓器生產的自動化水平。對關鍵部件進行模態分析，避免振動危害。

關鍵詞：線圈套裝；混聯機械臂；模態分析

在硅鋼變壓器器身裝配工序中，需將上鐵厄拆下，進行線圈套裝工作。[1]對稍大容量變壓器而言，多采用行車吊運的方式進行套裝，安裝精度很大程度上依賴于操作人員的技能水平，且因廠房行車數量有限，該道工序的行車使用會與其他工序產生沖突。對小容量變壓器而言，多采用工業機械臂裝夾的方式，機械臂通常采用氣缸及電機作為驅動裝置，氣缸的行程不宜受到控制，且機械臂多采用懸臂梁的結構，限制了機械臂的工作載荷，在機械臂其他參數條件相同的情況下，造成裝夾線圈重量有限，不利于提高勞動生產效率。

對此，本文設計了一種用于變壓器線圈套裝的混聯機械臂，并對關鍵部件進行模態分析。

1 總體結構設計

圖1為機械臂機構簡圖，它由基座、電機、四桿與五桿機構、旋轉步進電機及減速裝置、絲桿傳動裝置組成，四桿與五桿機構的各桿件間以轉動副及滾珠絲杠副相聯接；大臂和基座之間通過絞制螺栓連接在一起；小臂上連接有手腕及手爪。在四桿機構中，桿件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及大臂以轉動副相聯接，桿件Ⅲ只能繞大臂頂端（A點）轉動。在五桿機構中，桿件Ⅳ、Ⅴ以滾珠絲杠副相聯接，其他桿件以轉動副相聯接，桿件Ⅳ可實現繞B點的轉動，桿件Ⅴ可沿桿件Ⅳ方向伸縮。旋轉步進電機與減速器裝置通過法蘭連接在大臂與桿件Ⅰ的鉸接處（C點）。

工作時，基座電機驅動機械臂整體旋轉，旋轉步進電機與減速器裝置驅動桿件Ⅰ轉動，并通過桿件Ⅱ驅動桿件Ⅲ繞大臂頂端轉動，最終帶動小臂轉動，與此同時，桿件Ⅴ通過絲桿傳動裝置拉動或推動小臂進一步轉動，對抓取目標進行初步定位。旋轉步進電機與絲桿傳動裝置應同步工作，即：當旋轉步進電機逆時針轉動時，絲桿傳動裝置應伸長動作；當旋轉步進電機進行順時針轉動時，絲桿傳動裝置應縮短動作。

四桿機構用于傳遞驅動小臂的動力，并且將驅動小臂的驅動源下置至靠近基座的位置，降低了整個執行機構的重心，對于減輕手臂的負荷有很重要的作用；五桿機構中的桿件對小臂起到支撐的作用，同時通過絲桿傳動裝置增大小臂在豎直平面內轉動角度，從而擴大了執行機構的運動范圍，且使用絲桿傳動，可以提高傳動的機械效率及運動精度，并且可以實現微進給及高速進給；再通過基座上的電機來驅動整個執行機構在水平面內轉動，從而擴大了機械手的運動空間，保證機械手在工作空間內能夠無死點工作。

（1）采用基于四桿及五桿機構的混合機構，顯著擴大了機械手的工作空間，增強了機械手的靈活性。

（2）可以實現線圈套裝工作，提高生產自動化水平，從而降低工人的勞動強度，減少勞動風險，改善勞動條件，提高生產效率，增強企業的競爭力。[2]

2 模態分析

在機械臂進行線圈套裝時，振動會影響其工作性能，嚴重時振動產生的動載荷還會造成機械臂共振和疲勞，降低使用壽命，甚至造成零、部件早期失效；振動產生的噪聲會危害操作人員的身心健康。[3]模態分析是用來確定結構的振動特性的一種技術，可以避免機構共振或以特定頻率進行振動，使工程師可以認識到結構對于不同類型的動力載荷是如何響應的，有助于在其它動力分析中估算求解控制參數。本文通過模態分析研究機械臂的振動特性，為其動態特性優化提供依據，避免其因振動造成的危害。在本文所設計的機械臂中，大臂起到了支撐整體結構的作用，研究它的動態特性是十分有益的。低階振型對結構的影響最大，這里取前六階振型進行分析。圖2圖3為大臂的前四階模態圖。下表給出了大臂的前四階頻率及最大位移。

在一階振型圖中，振型表現為大臂上半部分的彎曲；在二階振型圖中，振型表現為大臂的整體彎曲傾斜；在三階振型圖中，振型表現為大臂上半部分較大的彎曲；從四階振型圖來看，大臂的上半部分發生了輕微的扭轉和彎曲；綜上，從這四階模態分析圖中可以看出，大臂因振動發生的變形主要表現為大臂的扭轉及彎曲變形。通過添加加強筋、增加大臂厚度，甚至可以局部改變大臂結構，可以達到調整大臂的剛度，減小振幅，降低噪聲的目的。

參考文獻：

[1]江蘇宏源電氣有限責任公司.種用于變壓器線圈套裝的混聯機械臂[P].中國專利，201620484454.5，2017.3.8.

[2]江蘇大學.移動機器人雙四桿串聯執行機構[P].中國專利，201020678126，2011.8.10.

[3]張青元.拖拉機齒輪泵的輪齒應力分析及優化設計[D].楊凌：西北農林科技大學，2012.

作者簡介：丁楊（1991），女，江蘇南京人，本科，初級職稱，研究方向：變壓器研發、仿真與分析。