全自動(dòng)變壓器鐵芯硅鋼片疊片裝置的研發(fā)

全自動(dòng)變壓器鐵芯硅鋼片疊片裝置的研發(fā)周彩玲;姜振軍;吳潤哲;熊樹生;羅源;李偉【摘要】針對(duì)目前變壓器鐵芯手工疊裝生產(chǎn)效率低下、質(zhì)量參差不齊的問題，設(shè)計(jì)了一套硅鋼片自動(dòng)疊片裝置進(jìn)行鐵芯的生產(chǎn).該裝置選用可移動(dòng)的基座、采用圓柱坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)模式、步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶和絲杠直線滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式、吸盤真空吸取的抓取方式，利用工控計(jì)算機(jī)結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制卡的方式對(duì)疊片過程進(jìn)行控制.并提出了檢測疊片效果的方式和多型號(hào)開發(fā)的模式，能夠帶來良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益.【期刊名稱】《現(xiàn)代機(jī)械》【年(卷)，期】2019(000)001【總頁數(shù)】5頁(P58-62)【關(guān)鍵詞】變壓器啟動(dòng)疊片;取件機(jī)械手;料倉布置;安全保障系統(tǒng)【作者】周彩玲;姜振軍;吳潤哲;熊樹生;羅源;李偉【作者單位】華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江安吉313302;浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江杭州310015;浙江江山變壓器股份有限公司，浙江江山324100;浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江杭州310027;浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江杭州I310027;浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江杭州I310027;浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江杭州310027【正文語種】中文【中圖分類】TH112;TH390引言變壓器行業(yè)是一個(gè)傳統(tǒng)的行業(yè)［1］，變壓器鐵芯作為變壓器的核心部分，它的質(zhì)量直接影響到變壓器的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和運(yùn)行的安全可靠，因此，它的制造技術(shù)改良和質(zhì)量控制十分重要。由于變壓器鐵芯疊裝制造工藝的特殊性，現(xiàn)有的鐵芯制造幾乎都采用手工疊裝硅鋼片的方式生產(chǎn)。以一臺(tái)10kV小型變壓器為例，鐵芯疊片工序由兩人操作，操作工在疊片過程中，均靠經(jīng)驗(yàn)和肉目艮觀察來保持疊裝精度，生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊［2］。人工鐵芯疊裝的弊端在自動(dòng)化生產(chǎn)飛速發(fā)展的今天逐步顯現(xiàn)，成為制約變壓器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的障礙［3］。同時(shí)，國內(nèi)外也沒有專門針對(duì)變壓器鐵芯疊裝的設(shè)備，只有加拿大MTM公司有類似設(shè)備，但不是完整的自動(dòng)疊片機(jī)器人。針對(duì)上述問題，本研究設(shè)計(jì)出一套以步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，采用嵌入式單片機(jī)控制，利用自動(dòng)取件器械手進(jìn)行變壓器鐵芯疊裝的自動(dòng)疊片裝置（以下簡稱疊片裝置），并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，經(jīng)過一系列振動(dòng)測試與試驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的裝置能夠達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的精度要求。1疊片裝置整體設(shè)計(jì)疊片裝置的設(shè)計(jì)思路是通過吸取一位移一放置等功能，在不損傷硅鋼片的情況下，實(shí)現(xiàn)將不同規(guī)格的硅鋼片快速而準(zhǔn)確地放置在指定位置上，從而高效地完成鐵芯的裝疊。本疊片機(jī)主要包括取件機(jī)械手、硅鋼片料倉夾具、堆疊工裝座及傳送滾筒、機(jī)架、控制系統(tǒng)及控制柜幾大部分。除電控柜外的整體裝置的三維模型（圖1），制作實(shí)物（圖2）。疊片裝置的中央位置為堆疊工裝座，用于固定待堆疊的鐵芯。堆疊工裝座固定在可隨滾筒移動(dòng)的平臺(tái)上，傳送滾筒將堆疊完畢的鐵芯傳送出中心位置。鐵芯兩側(cè)布置有兩個(gè)取件機(jī)械手，用于吸取、堆疊硅鋼片。取件機(jī)械手固定在可平移旋轉(zhuǎn)的基座上，由氣缸推動(dòng)，共四個(gè)工位。取件機(jī)械手的四周放置不同的料倉，料倉夾具用于存放待吸取的硅鋼片。所有電器控制系統(tǒng)布置在控制柜內(nèi)，并安裝有工控計(jì)算機(jī)用于操作工人操作。圖1疊片裝置整體結(jié)構(gòu)三維示意圖圖2疊片裝置整體結(jié)構(gòu)實(shí)物圖疊片裝置整體工作流程圖如圖3所示。開啟電源后，按照要求放入部件和堆疊工裝板，操作工人向料倉加入相應(yīng)的硅鋼片，啟動(dòng)機(jī)器，取件機(jī)械手回原點(diǎn)，輸送鏈滾筒把堆疊工裝座送入中央的堆疊工位，升降機(jī)把堆疊工裝座舉升到位，機(jī)械手按照預(yù)先設(shè)定好的程序順序堆疊硅鋼片，一個(gè)產(chǎn)品堆疊完成，機(jī)械手回原點(diǎn)停止工作，升降機(jī)返回，輸送滾筒送出已完成的產(chǎn)品，并把新的堆疊工裝座送入中央的堆疊工位。以此循環(huán)，直到人工停機(jī)。圖3疊片裝置疊片工作流程圖下面將分別就取件機(jī)械手、運(yùn)動(dòng)構(gòu)件設(shè)計(jì)、硅鋼片料倉布置方式、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和安全保障系統(tǒng)四部分對(duì)疊片裝置進(jìn)行詳細(xì)介紹。2取件機(jī)械手及運(yùn)動(dòng)構(gòu)件設(shè)計(jì)圖4取件機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖取件機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。取件機(jī)械手布置在鐵芯的兩側(cè)，共4個(gè)工位。機(jī)械手基座本身可以旋轉(zhuǎn)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；基座還可在導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)平移，由氣缸驅(qū)動(dòng)；機(jī)械大臂可以伸長縮短，由步進(jìn)電機(jī)及絲杠驅(qū)動(dòng)；吸盤軸可以上升下降，由氣缸驅(qū)動(dòng)；吸盤軸可以旋轉(zhuǎn)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。作為整個(gè)疊片裝置的核心部分，取件機(jī)械手設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)必須保證較高的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)運(yùn)動(dòng)的偏差和硅鋼片的放置精度也要保證。因此為保證平穩(wěn)性和高效率，設(shè)計(jì)主要從取件機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)模式、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式以及取件方式著手。1）運(yùn)動(dòng)模式運(yùn)動(dòng)模式主要有直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、極坐標(biāo)與關(guān)節(jié)式。結(jié)合變壓器鐵芯硅鋼片料倉的擺放位置、利用機(jī)械手進(jìn)行疊片的整體布局與機(jī)械手的功能要求，圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的構(gòu)造簡單，定位精度也比較高。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式對(duì)于不同位置動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的需求，應(yīng)采取不同的驅(qū)動(dòng)模式方式，以求在做到保證精度的同時(shí)盡可能提高運(yùn)行速度并減少成本。對(duì)于機(jī)械臂兩點(diǎn)式的運(yùn)動(dòng)，采用氣缸驅(qū)動(dòng)的方式；對(duì)于機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的方式；對(duì)于機(jī)械手的伸長和縮短，采用步進(jìn)電機(jī)配合絲杠的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。圖5氣缸結(jié)構(gòu)示意圖兩點(diǎn)式的運(yùn)動(dòng)，除了兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)外，沒有中間點(diǎn)位置，因此采用氣缸驅(qū)動(dòng)。一方面氣缸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力較大，另一方面在滿足精度的同時(shí)成本較低，易于控制。僅采用開關(guān)量控制，使相應(yīng)部件僅能停留在兩個(gè)特定的位置。如圖5所示。圖6步進(jìn)電機(jī)及絲杠對(duì)于長度方向上的運(yùn)動(dòng)，即機(jī)械手的伸長縮短，采用步進(jìn)電機(jī)配合絲杠的方式。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，即通過驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入端輸入的脈沖數(shù)量和頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的角度和速度控制，無需反饋信號(hào)，適用于短距離頻繁動(dòng)作。具有速度快(10-600mm/s),精度高(±0.5mm),控制簡單，成本低等特點(diǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)均適合本自動(dòng)疊片機(jī)的工作需要，如圖6所示［4］。而絲杠具有摩擦阻力小、傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，滿足疊片工藝在精度上的要求［5-6］。對(duì)于機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。取件方式氣缸一活塞桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手z方向上的運(yùn)動(dòng)，再利用吸取機(jī)構(gòu)和電感式接近開關(guān)通過真空吸取式取件。硅鋼片由于其表面光滑平整，質(zhì)量較小且分步均勻，采用真空吸取式的抓取方式可有效保證抓取的可靠性和準(zhǔn)確性，力度可控，還可保護(hù)硅鋼片外表面絕緣層，防止被破壞。如圖7所示。圖7真空吸盤及發(fā)生器吸取機(jī)構(gòu)由真空吸盤、抽氣管和真空發(fā)生器組成。當(dāng)電磁閥打開時(shí)，壓縮空氣就會(huì)進(jìn)入真空發(fā)生器的噴管，通過噴管高速噴射壓縮空氣在噴管出口處形成射流，從而產(chǎn)生卷吸流動(dòng)，進(jìn)而使吸附腔內(nèi)的壓力低于大氣壓，形成一定真空度［7］，于是吸盤便可以以真空吸取的方式抓取硅鋼片。電感式接近開關(guān)的工作原理是當(dāng)金屬物體靠近振蕩器的交變磁場時(shí)，振蕩將發(fā)生衰減甚至停振，這一變化被放大電路處理后成為開關(guān)信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)邏輯電路［8］，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測。電感式接近開關(guān)響應(yīng)頻率高，抗干擾性能好，廣泛用于工業(yè)控制中［9］。當(dāng)吸盤與硅鋼片剛接觸時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)將作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，用來控制吸盤抽氣閥門的開啟。3硅鋼片料倉布置方式硅鋼片料倉的布置將會(huì)影響到機(jī)械手的取件的效率，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程有很大的影響。因此，必須對(duì)料倉的布置進(jìn)行合理的排列，使得整體取件和移動(dòng)的時(shí)間最小，生產(chǎn)交攵率最高。為保證生產(chǎn)效率并防止兩個(gè)機(jī)械手互相干涉，以一個(gè)取件的同時(shí)另一個(gè)疊放的方式循環(huán)。不同硅鋼片料倉位置的設(shè)定以數(shù)量較多的片型放置在離機(jī)械手取料距離較近的位置（就近原則）為準(zhǔn)則。以型號(hào)為S11-M-250/10的鐵芯為例，該鐵芯共8級(jí)，第1級(jí)扼端厚度為188mm,而第8級(jí)厚度僅為16mm，因此第1級(jí)硅鋼片放置在距中央堆疊工位最近的料倉，而第8級(jí)硅鋼片則放置在距中央堆疊工位較遠(yuǎn)的位置。其料倉布置如圖8所示。當(dāng)檢測到某一料倉硅鋼片儲(chǔ)量低于下限值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提示操作工人加料，機(jī)械手自動(dòng)暫停取片。待加料完成后，操作工人重新啟動(dòng)機(jī)械手，疊片生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行。圖8S11-M-250/10硅鋼片料倉布置示意圖為保證疊裝精度以及取料的可靠性和準(zhǔn)確性，采用模具夾具定位與傳感器定位相結(jié)合的方式，以保證定位的效果。疊裝前，利用專用夾具即特制的料倉來確定放置硅鋼片的初始位置，這些特制的料倉可調(diào)整形狀以適應(yīng)不同料號(hào)的硅鋼片。疊裝時(shí)，采用相應(yīng)的傳感器來監(jiān)測機(jī)械手是否運(yùn)動(dòng)到了正確的疊放位置，并將監(jiān)測結(jié)果反饋給單片機(jī)控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)發(fā)出下一步運(yùn)動(dòng)的指令給機(jī)械手，以保證硅鋼片的疊裝精度。圖9為特殊設(shè)計(jì)的可調(diào)料倉。圖9可調(diào)料倉示意圖4運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是整個(gè)疊片裝置的大腦，它控制整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，包括基座的移動(dòng)，機(jī)械手的伸縮和抓取，并對(duì)反饋的數(shù)據(jù)作出邏輯判斷。同時(shí)必須具備運(yùn)算能力強(qiáng)大，操作步驟簡單，用戶界面友好等特點(diǎn)。依據(jù)上訴要求，該疊片裝置的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用工控計(jì)算機(jī)結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制卡的方式(PC-base)。工控計(jì)算機(jī)采用window操作系統(tǒng)，帶有可觸控的液晶顯示屏。此外，該操作系統(tǒng)內(nèi)還帶有用C++語言編寫的可執(zhí)行文件(.exe)，作為計(jì)算機(jī)控制程序，通用性強(qiáng)，操作工人學(xué)習(xí)成本低，使用方便。工控計(jì)算機(jī)控制界面如圖10所示。運(yùn)動(dòng)控制卡通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機(jī)的運(yùn)行速度，通過改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機(jī)的運(yùn)行位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖兩種方式。一種以太網(wǎng)8軸運(yùn)動(dòng)控制卡如圖11所示。圖10工控計(jì)算機(jī)控制界面圖11以太網(wǎng)8軸運(yùn)動(dòng)控制卡5安全保障系統(tǒng)疊片裝置生產(chǎn)依靠機(jī)械手自動(dòng)吸取疊放硅鋼片實(shí)現(xiàn)，但機(jī)械手的高速移動(dòng)可能會(huì)傷到未按照操作規(guī)范而靠近的操作工人，因此必須有相應(yīng)的安全措施來保障操作工人的人身安全。在疊片裝置的四周設(shè)立安全光柵，若有物體或人體進(jìn)入光柵范圍并被檢測到，則自動(dòng)疊片機(jī)就會(huì)立即停止工作，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)構(gòu)件立即鎖死，并發(fā)出警報(bào)，保證不會(huì)傷到靠近的人員或觸及靠近的物體。只有將報(bào)警消除，并解鎖機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部件，才能再次進(jìn)行生產(chǎn)。雙重安全保障系統(tǒng)可以有效防止人員傷亡和機(jī)器損壞，也能防止因不規(guī)范操作直接消除報(bào)警可能帶來的安全隱患。安全光柵如圖12所示，其布置形式如圖13所示。圖12安全光柵圖13安全光柵的布置形式6自動(dòng)疊片機(jī)試驗(yàn)在專門的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)疊片裝置進(jìn)行組裝試驗(yàn)。通過購買材料組裝樣機(jī)，同時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)過程分析處理，按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系列試驗(yàn)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)以對(duì)樣機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)和進(jìn)一步修改和優(yōu)化。6.1可靠性試驗(yàn)對(duì)已組裝好的樣機(jī)進(jìn)行工作測試。使其進(jìn)行24小時(shí)不間斷的連續(xù)工作，測試其工作的穩(wěn)定性，不同部件之間的相互干涉情況以及測試機(jī)械手與料倉之間的匹配聯(lián)系關(guān)系，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，作為初步評(píng)價(jià)的依據(jù)，并找出初始設(shè)計(jì)的不足，為進(jìn)一步修改和優(yōu)化做準(zhǔn)備。6.2生產(chǎn)精度試驗(yàn)在樣機(jī)進(jìn)行不間斷工作后，用相應(yīng)的測量工具對(duì)疊好的變壓器鐵芯進(jìn)行測量。測量不同位置，不同角度的疊裝誤差，利用統(tǒng)計(jì)和大數(shù)據(jù)的方法求出疊片裝置的平均生產(chǎn)精度，疊片的方差、最值，以評(píng)判疊片裝置的疊裝效果，為后續(xù)的改進(jìn)優(yōu)化提供源數(shù)據(jù)支持。7總結(jié)本文從改變變壓器鐵芯手動(dòng)疊裝這一現(xiàn)狀出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套高效的硅鋼片鐵芯自動(dòng)疊片裝置。疊片裝置采用圓柱坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)模式、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)與氣缸配合的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式和真空吸取式的取件方式，配套相關(guān)料倉、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和安全保障系統(tǒng)，使得該疊片裝置具備了實(shí)際生產(chǎn)能力，能夠在保證疊裝精度的同時(shí)提高生產(chǎn)效率。在樣機(jī)組裝完成后，按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行可靠性和生產(chǎn)精度試驗(yàn)。對(duì)疊片裝置的研究提升了我國相關(guān)行業(yè)的技術(shù)水平和競爭力，也帶來良好的社會(huì)效益。但存在的一些不足還有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】郭振巖.中國變壓器行業(yè)現(xiàn)狀及應(yīng)對(duì)措施[J].變壓器，2012(3):43-47.宋悠全.動(dòng)車組變壓器鐵心自動(dòng)疊片工藝研究[J].科技傳播，2013(22):155-156.朱峰，林吉靚.硅鋼片自動(dòng)疊片機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014⑺：4