变压器线圈套装用混联机械臂的设计与分析

摘要：本文设计了一种用于变压器线圈套装的混联机械臂，采用基于四杆及五杆机构的混联结构，显著扩大机械臂的工作空间，通过支撑杆件的作用提高机械臂的额定负载，改善劳动条件，提高变压器生产的自动化水平。对关键部件进行模态分析，避免振动危害。

关键词：线圈套装；混联机械臂；模态分析

在硅钢变压器器身装配工序中，需将上铁厄拆下，进行线圈套装工作。[1]对稍大容量变压器而言，多采用行车吊运的方式进行套装，安装精度很大程度上依赖于操作人员的技能水平，且因厂房行车数量有限，该道工序的行车使用会与其他工序产生冲突。对小容量变压器而言，多采用工业机械臂装夹的方式，机械臂通常采用气缸及电机作为驱动装置，气缸的行程不宜受到控制，且机械臂多采用悬臂梁的结构，限制了机械臂的工作载荷，在机械臂其他参数条件相同的情况下，造成装夹线圈重量有限，不利于提高劳动生产效率。

对此，本文设计了一种用于变压器线圈套装的混联机械臂，并对关键部件进行模态分析。

1 总体结构设计

图1为机械臂机构简图，它由基座、电机、四杆与五杆机构、旋转步进电机及减速装置、丝杆传动装置组成，四杆与五杆机构的各杆件间以转动副及滚珠丝杠副相联接；大臂和基座之间通过绞制螺栓连接在一起；小臂上连接有手腕及手爪。在四杆机构中，杆件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及大臂以转动副相联接，杆件Ⅲ只能绕大臂顶端（A点）转动。在五杆机构中，杆件Ⅳ、Ⅴ以滚珠丝杠副相联接，其他杆件以转动副相联接，杆件Ⅳ可实现绕B点的转动，杆件Ⅴ可沿杆件Ⅳ方向伸缩。旋转步进电机与减速器装置通过法兰连接在大臂与杆件Ⅰ的鉸接处（C点）。

工作时，基座电机驱动机械臂整体旋转，旋转步进电机与减速器装置驱动杆件Ⅰ转动，并通过杆件Ⅱ驱动杆件Ⅲ绕大臂顶端转动，最终带动小臂转动，与此同时，杆件Ⅴ通过丝杆传动装置拉动或推动小臂进一步转动，对抓取目标进行初步定位。旋转步进电机与丝杆传动装置应同步工作，即：当旋转步进电机逆时针转动时，丝杆传动装置应伸长动作；当旋转步进电机进行顺时针转动时，丝杆传动装置应缩短动作。

四杆机构用于传递驱动小臂的动力，并且将驱动小臂的驱动源下置至靠近基座的位置，降低了整个执行机构的重心，对于减轻手臂的负荷有很重要的作用；五杆机构中的杆件对小臂起到支撑的作用，同时通过丝杆传动装置增大小臂在竖直平面内转动角度，从而扩大了执行机构的运动范围，且使用丝杆传动，可以提高传动的机械效率及运动精度，并且可以实现微进给及高速进给；再通过基座上的电机来驱动整个执行机构在水平面内转动，从而扩大了机械手的运动空间，保证机械手在工作空间内能够无死点工作。

（1）采用基于四杆及五杆机构的混合机构，显著扩大了机械手的工作空间，增强了机械手的灵活性。

（2）可以实现线圈套装工作，提高生产自动化水平，从而降低工人的劳动强度，减少劳动风险，改善劳动条件，提高生产效率，增强企业的竞争力。[2]

2 模态分析

在机械臂进行线圈套装时，振动会影响其工作性能，严重时振动产生的动载荷还会造成机械臂共振和疲劳，降低使用寿命，甚至造成零、部件早期失效；振动产生的噪声会危害操作人员的身心健康。[3]模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，可以避免机构共振或以特定频率进行振动，使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的，有助于在其它动力分析中估算求解控制参数。本文通过模态分析研究机械臂的振动特性，为其动态特性优化提供依据，避免其因振动造成的危害。在本文所设计的机械臂中，大臂起到了支撑整体结构的作用，研究它的动态特性是十分有益的。低阶振型对结构的影响最大，这里取前六阶振型进行分析。图2图3为大臂的前四阶模态图。下表给出了大臂的前四阶频率及最大位移。

在一阶振型图中，振型表现为大臂上半部分的弯曲；在二阶振型图中，振型表现为大臂的整体弯曲倾斜；在三阶振型图中，振型表现为大臂上半部分较大的弯曲；从四阶振型图来看，大臂的上半部分发生了轻微的扭转和弯曲；综上，从这四阶模态分析图中可以看出，大臂因振动发生的变形主要表现为大臂的扭转及弯曲变形。通过添加加强筋、增加大臂厚度，甚至可以局部改变大臂结构，可以达到调整大臂的刚度，减小振幅，降低噪声的目的。

参考文献：

[1]江苏宏源电气有限责任公司.种用于变压器线圈套装的混联机械臂[P].中国专利，201620484454.5，2017.3.8.

[2]江苏大学.移动机器人双四杆串联执行机构[P].中国专利，201020678126，2011.8.10.

[3]张青元.拖拉机齿轮泵的轮齿应力分析及优化设计[D].杨凌：西北农林科技大学，2012.

作者简介：丁杨（1991），女，江苏南京人，本科，初级职称，研究方向：变压器研发、仿真与分析。