變壓器線圈套裝用混聯機械臂的設計與分析

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機械臂的設計方案

1.1 變壓器線圈套裝用混聯機械臂的主要構成

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

圖1 機械臂機構示意圖

其中在四桿以及五桿機構的所有桿件通過滾珠絲桿副和轉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。在混聯機械臂機構中，其四桿機構的大臂通過轉動副和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。而混聯機械臂五桿機構的IV號桿件則可以繞B點旋轉，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動副實現相互連接?；炻摍C械臂機構中的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步進機相互連接。這樣在變壓器線圈套裝用混聯機械臂運行時，機械臂就能夠在基座電機的驅動下實現轉動，其中Ⅰ號桿件主要是在減速器以及旋轉進步電機的驅動下進行旋轉，然后其通過II號桿件的傳導作用帶動III號桿件以大臂頂端為中心進行旋轉，從而使小臂也產生同步的轉動動作。另外小臂的轉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機械臂工作過程中應保持絲桿傳動裝置和旋轉步進電機的同步性，也就是在旋轉步進電機在沿順時針方向進行旋轉時，要求絲桿傳動裝置應同步縮短；而在旋轉步進電機在沿逆時針方向進行旋轉的同時，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機械臂設計的重要作用

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機械臂的設計中綜合采用了四桿和五桿機構型式，使機械臂在變壓器線圈套裝生產作業中的工作空間得到了明顯的擴大。同時混聯機構的設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，提高了變壓器設備的生產加工質量。

1.2.2 能夠有效提高套裝作業的自動化程度

通過新型變壓器線圈套裝用混聯機械臂的設計，進一步提高了變壓器線圈套裝作業的自動化程度，不僅使工作人員的勞動強度明顯減輕，而且改善了生產環境，降低了生產作業中的風險因素，同時也減少了人為因素對變壓器線圈套裝精度的影響，使生產效率和生產質量都得到了極大的提高，極大地增強了變壓器生產企業在激烈的市場競爭中的核心競爭力，為企業創造了更大的經濟效益和社會效益。

2 通過模態分析優化變壓器線圈套裝用混聯機械臂設計

在設計變壓器線圈套裝用混聯機械臂時，設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疲勞或者產生共振等問題，不僅會造成機械臂使用壽命的縮短，而且還會導致部分零部件出現早期失效的情況。此外，振動噪音還會對工作人員的健康造成不利的影響。因此設計人員需要通過模態分析來對變壓器線圈套裝用混聯機械臂機構的實際振動特性進行檢測分析，以防止機械臂的混聯機構出現特定振動頻率或者是發生共振問題[3]。同時，設計人員還可以利用模態分析來了解在不同動載荷類型的影響下混聯機械臂機構的具體響應動作，從而為其他動力分析的控制參數估算求解提供可靠的參考依據，從而實現對變壓器線圈套裝用混聯機械臂設計方案的優化。

在本次設計中，設計人員主要是利用模態分析來對混聯機構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的影響，優化機械臂機構的動態特性。由于在該新型變壓器線圈套裝用混聯機械臂的設計方案中，主要是利用大臂來為整體結構提供支撐，因此需要重點對該部件動態特性進行研究分析[4]。

由于對機構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。通過模態分析得出了大臂機構前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現，大臂機構在1階振型圖中主要表現出上半部彎曲的振型特點，而大臂機構在2階振型圖中主要表現出整體傾斜彎曲的振型特點。同時在3階振型圖中，大臂機構主要呈現出上半部明顯彎曲的振型特點。另外大臂機構在4階振型圖中主要呈現出其上半部輕微彎曲扭轉的特點。

通過對4階模態分析的研究發現，在振動作用的影響下，變壓器線圈套裝用混聯機構的大臂主要會發生彎曲變形或者扭轉等問題，因此設計人員應根據模態分析結果采取適當將機構大臂厚度加大或者增加加強筋的設置等方式來提高大臂剛度。另外設計人員也可以根據實際情況對變壓器線圈套裝用混聯機械臂的大臂機構型式進行局部的調整，以實現控制機構振動幅度的目的，同時還可以有效降低機構在運行過程中的噪聲，從而減少生產環境中的噪聲污染，改善變壓器設備生產的工作環境，為工作人員的身心健康提供更好的保護。

3 結語

與傳統機械臂相比，新型的變壓器線圈套裝用混聯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時的空間范圍，能夠靈活的完成多角度的套裝操作任務，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，提高了變壓器設備生產的質量和效率，因此要進一步加強對新型變壓器線圈套裝用混聯機械臂的研究和推廣應用，從而全面推動我國變壓器設備生產向自動化以及智能化方向發展。