一种变压器铁心自动打叠装置及方法与流程

1.本发明属于变压器铁心生产技术领域，尤其涉及一种变压器铁心自动打叠装置及方法，该装置及方法能够自动进行大型变压器铁心叠积及检测。


背景技术：

2.铁心是电力变压器的基本部件，由铁心叠片、绝缘件和铁心结构件组成。铁心叠片由硅钢片叠积而成，目前铁心叠片的原料均为硅钢片卷料，卷料进厂后经纵剪加工线将硅钢片沿纵向剪切成各种宽度，再经横剪加工线将带料加工成所需要的形状，方可用于铁心叠积。铁心叠片是变压器的磁路，是能量转换的媒介，铁心叠积的质量直接影响到变压器的性能。
3.由于铁心叠片结构及尺寸多变、制作工艺复杂、质量要求高，现有的铁心叠积技术普遍采用手工叠装工艺。以一台220kv变压器的三相五柱式铁心为例，铁心叠片叠装工作需要8个人同时操作，靠人工测量和肉眼观察来控制铁心叠片的装配尺寸。人工作业的方式生产效率低，产品质量不易控制。因此，研发适用于各种结构尺寸铁心的铁心自动打叠装置及方法，可以极大提高铁心叠积效率，并更好的控制铁心叠积的质量，有着广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明提供一种大型变压器铁心自动打叠装置及方法，与现在变压器制造业常用的铁心叠积翻转台配合使用，可以用于不同结构尺寸铁心的硅钢片叠片的离线自动打叠和检测。本发明所采用的技术方案如下：
5.一种变压器铁心自动打叠装置，包括：固定于地面上的平行设置的一对固定支架，铁心叠积翻转台位于固定支架之间的地面上。所述的固定支架上设置有小双梁桁架和大双梁桁架，所述的小双梁桁架和大双梁桁架为长方体框架结构，小双梁桁架和大双梁桁架的宽度支撑框活动设置在固定支架上，在固定支架与小双梁桁架和大双梁桁架的连接部位设置有第一行走机构。硅钢片叠积时，小双梁桁架和大双梁桁架在固定支架上行走到翻转台上方的作业区域之后定位锁死，打叠期间不再移动。在小双梁桁架上设置有下铁轭打叠机构，下铁轭打叠机构用于将下铁轭硅钢片从原料放置架上抓取精准放置到产品位；在大双梁桁架上设置有芯柱打叠机构，芯柱打叠机构用于变压器芯柱、旁柱和上铁轭(叠上轭时)的硅钢片的叠积；所述的第一行走机构、下铁轭打叠机构和芯柱打叠机构分别与智能控制系统连接，智能控制系统通过第一行走机构控制小双梁桁架和大双梁桁架移动，并且控制下铁轭打叠机构和芯柱打叠机构动作、完成硅钢片的自动打叠。硅钢片叠积完成后，小双梁桁架和大双梁桁架向两边移开，让出翻转空间，行车通过吊带翻转吊梁将翻转台旋转90
°
，将打叠完成的铁心吊走。翻转台放平后再进行下一台产品的叠积作业。一般铁心打叠不叠上铁轭，少数情况需要叠积。此时芯柱打叠机构吸盘装置可以旋转90
°
，完成上铁轭叠积。
6.本装置可与常用铁心翻转台配合使用，离线自动打叠大型变压器铁心。硅钢片叠积完成后，小双梁桁架和大双梁桁架向两边移开，让出翻转空间，行车通过吊带翻转吊梁将
翻转台旋转90
°
，将打叠完成的铁心吊走，翻转台放平后再进行下一产品的叠积作业。目前国外铁心自动打叠主流是在线打叠，即和裁剪线联动，边裁边叠在线打叠。铁心自动离线打叠是裁剪线放料到原料坯上，需要时从原料坯上取料叠积，不会受裁剪线设备的干扰，可配多台叠积翻转台使用，效率高、灵活性好。
7.一种变压器铁心自动打叠方法，应用前述的一种变压器铁心自动打叠装置，包括以下步骤：
8.芯柱打叠机械手和下铁轭叠积机器人自动转换调整位姿，移动到原料坯上方，自动检测干涉情况，无干涉则自动下落，拍照识别，微调位姿、吸附、单双张检测、起升，进行移动及旋转到达叠片上方；自动判断干涉情况，无干涉则下落，下落到位后使硅钢片脱离吸盘装置，精准放置到位，测量叠厚，拍照判断，冲孔纠正，视觉检测叠积质量；进入自动取片、放片的自动循环，按设定工艺流程顺序分层铺放硅钢片。
9.本发明的有益效果：
10.该设备可实现二柱、三柱、四柱、五柱铁心的离线全自动叠积，可以极大提高铁心叠积效率与产品质量，减少人员与硅钢片的接触，提高了铁心制作过程的安全性与质量稳定性，具有非常广阔的应用场景。
11.本发明应用于变压器铁心制造，可以实现多种结构、尺寸铁心的离线自动叠积，结构紧凑，使用方便。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的属于本技术保护范围之内的附图。
13.图1为本发明实施例的自动打叠装置的整体结构立体示意图；
14.图2为本发明实施例的自动打叠装置的俯视图；
15.图3为本发明实施例的自动打叠装置的固定支架的结构示意图；
16.图4为本发明实施例的翻转台翻转后的状态示意图；
17.图5为本发明实施例的小双梁桁架安装下铁轭叠积机器人的主视图；
18.图6为本发明实施例的小双梁桁架安装下铁轭叠积机器人的俯视图；
19.图7为本发明实施例的大双梁桁架安装芯柱打叠机械手的主视图；
20.图8为本发明实施例的大双梁桁架安装芯柱打叠机械手的俯视图；
21.图9为本发明实施例的智能控制系统的电气原理图；
22.图10为本发明实施例的自动打叠方法的流程框图。
23.图中，1为固定支架，2为小双梁桁架，3为大双梁桁架，4为下铁轭打叠机构，5为芯柱打叠机构，6为翻转台，7为铁心芯柱，8为主横梁，9为垂直支撑杆，10为斜向支撑杆，11为第一长度支撑框，12为第一宽度支撑框，13为机器人底座，14为下铁轭叠积机器人，15为下铁轭叠积装置，16为第二宽度支撑框，17为第二长度支撑框，18为第二水平支撑杆，19为第二垂直伸缩杆，20为芯柱打叠机械手，21为智能控制系统。
具体实施方式
24.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
25.如图1所示，为本发明实施例的自动打叠装置的整体结构立体示意图；如图2所示，为本发明实施例的自动打叠装置的俯视图。一种变压器铁心自动打叠装置，包括：固定于地面上的平行设置的一对固定支架1，所述的固定支架1上设置有小双梁桁架2和大双梁桁架3，所述的小双梁桁架2和大双梁桁架3为长方体框架结构，小双梁桁架2和大双梁桁架3的宽度支撑框活动设置在固定支架1上，在固定支架1与小双梁桁架2和大双梁桁架3的连接部位设置有第一行走机构，在小双梁桁架2上设置有下铁轭打叠机构4，在大双梁桁架3上设置有芯柱打叠机构5，所述的第一行走机构、下铁轭打叠机构4和芯柱打叠机构5分别与智能控制系统21连接。
26.如图3所示，为本发明实施例的自动打叠装置的固定支架的结构示意图。所述的固定支架1包括：主横梁8、垂直支撑杆9和斜向支撑杆10，垂直支撑杆9的上端面与主横梁8的下端面固定连接，斜向支撑杆10以一定的倾斜角度与垂直支撑杆9的竖向侧面固定连接，垂直支撑杆9和斜向支撑杆10的下端面通过化学锚栓固定在地面上，地面已做过强化处理，垂直支撑杆9和斜向支撑杆10的组合可以提供强大可靠的支撑力。所述的第一行走机构包括直线导轨及齿条和行走伺服电机，直线导轨及齿条位于主横梁8的上侧面，行走伺服电机位于小双梁桁架2和大双梁桁架3的宽度方向的支撑框上，第一行走机构控制小双梁桁架2和大双梁桁架3在主横梁8上左右水平自动往复行走。
27.作为优选的实施例，所述的自动打叠装置还包括定位装置，所述的定位装置包括：设置在主横梁8上的定位点底座和设置在小双梁桁架2及大双梁桁架3的宽度方向的支撑框上的定位轴，当小双梁桁架2和大双梁桁架3在主横梁8上移动到位之后，定位轴自动穿入定位点底座中压紧锁死固定，用于精准定位及可靠锁定小双梁桁架2和大双梁桁架3的位置，给叠积机械手形成稳固支撑，便于控制叠积精度。本发明实施例中，在大双梁桁架3上设置了6个定位点，其中4个定位点用于铁心不同位置(具体位置适配不同长度的硅钢片)的打叠，1个定位点用于预叠，1个定位点用于末端定位；在小双梁桁架2上设置了3个定位点，分别用于打叠、预叠及末端定位。
28.作为优选的实施例，所述的自动打叠装置还包括安全装置，安全装置为机械防撞装置、电气防撞用接近开关、安全光栅和安全护栏，机械防撞装置、电气防撞用接近开关安装在主横梁8上保证小双梁桁架2和大双梁桁架3不会坠落及碰撞，固定支架1的四周设置有安全光栅和安全护栏等附件以防止有人误入打叠作业区域，固定支架1是安全光栅和安全护栏的支撑框架。机械手都配置有防撞机械装置(标准设置)，电气控制是plc编辑程序保证运行区域不会重叠。机械电子双配协调控制下铁轭打叠机构4和芯柱打叠机5运转时不发生碰撞；安全光栅及安全护栏等电气与机械式双控安全装置，避免人员意外进入操作区域；设置了多处急停按钮，防止错误指令的误运行。急停按钮是红色大机械按钮，设置在多个人员操作区域，方便有意外发生时，可以拍击停机，避免发生意外事故。
29.如图4所示，为本发明实施例的翻转台翻转后的状态示意图。铁心叠积翻转台6是现有产品，用于二柱/五柱变压器铁心的打叠、夹紧和铁心起立，是变压器制造业常用设备，由c型吊具、两种原料放置架、人工作业升降架、翻转吊梁、固定台面、翻转台面、工字支撑、
千斤顶等工装设备组成。本发明实施例中，翻转台6是用于铁心自动打叠的作业平台，主横梁8、垂直支撑杆9和斜向支撑杆10在翻转台6的两侧对称分布，与翻转台6之间留有间隙，避免翻转时发生碰撞。硅钢片叠放之后的铁心芯柱7和下铁轭，位于翻转台6的上面。铁心打叠完成之后，小双梁桁架2和大双梁桁架3可以向两侧行走移开，让出铁心翻转台6上部的供行车及吊梁进行翻转的空间，完成铁心的翻转工作，行车用吊带吊着翻转吊梁，将翻转台6的台面旋转90度，夹件的支座支撑在翻转台6的固定台面上，铁心由水平位翻转成垂直位，然后行车将铁心整体吊走。本发明实施例的用于铁心自动打叠的桁架式支撑机构，可直接与国内常用的翻转台产品配套使用。
30.如图5所示，为本发明实施例的小双梁桁架安装下铁轭叠积机器人的主视图；如图6所示，为本发明实施例的小双梁桁架安装下铁轭叠积机器人的俯视图。所述的小双梁桁架2包括：平行设置的两条第一宽度支撑框12、两条第一长度支撑框11和两套机器人底座13，两条第一宽度支撑框12和两条第一长度支撑框11围成一个长方形框体，两条两套机器人底座13的两端通过第二行走机构与两条第一长度支撑框11连接，下铁轭叠积机器人14的上端部与机器人底座13呈t字形连接，下铁轭叠积机器人14的下端部通过第一旋转机构与下铁轭叠积装置15连接，下铁轭叠积装置15可以围绕下铁轭叠积机器人14末端联结法兰作360度旋转、同时可以沿6轴方向移动。在两条第一长度支撑框11的内侧安装有机械防撞装置及电气防撞用接近开关等安全装置，保证下铁轭叠积机器人14不会与小双梁桁架2发生碰撞。机器人底座13、下铁轭叠积机器人14和下铁轭叠积装置15组成下铁轭打叠机构4。
31.进一步地，所述的下铁轭叠积机器人14为6轴加原装外部第7轴的倒挂机器人，整体安装在小双梁桁架2上,机器人原装外部第7轴含直线导轨、伺服电机等。采用倒挂机器人是受翻转台及叠积和原料放置位置所限，此种倒挂机器人行走轨迹最短，下部空间较大，与芯柱打叠机械手20协同作业比较方便。下铁轭叠积机器人14的旋转动作由机器人本身控制系统完成，本身有6轴，再加上原装长度方向整体移动的第7轴，控制系统可以实现7轴同步联动。机器人原装第7轴控制系统可以实现边沿13.5米跨度方向第7轴移动，边调整机器人6轴的位姿，同步性好。
32.如图7所示，为本发明实施例的大双梁桁架安装芯柱打叠机械手的主视图；如图8所示，为本发明实施例的大双梁桁架安装芯柱打叠机械手的俯视图。所述的大双梁桁架3包括：平行设置的两条第二宽度支撑框16、两条第二长度支撑框17和两条第二水平支撑杆18，两条第二宽度支撑框16和两条第二长度支撑框17围成一个长方形框体，两条第二水平支撑杆18的两端通过第三行走机构与两条第二长度支撑框17连接，第二垂直伸缩杆19的上端部通过第四行走机构与第二水平支撑杆18呈t字形连接，第二垂直伸缩杆19的下端部通过第二旋转机构与芯柱打叠机械手20连接，芯柱打叠机械手20可以围绕第二垂直伸缩杆19作360度旋转、同时可以沿x/y/z三轴方向移动，芯柱打叠机械手20上安装有芯柱硅钢片叠积装置。在两条第二长度支撑框17的内侧安装有机械防撞装置及电气防撞用接近开关等安全装置，保证芯柱打叠机械手20不会与大双梁桁架3发生碰撞。芯柱打叠机械手20用于变压器芯柱和旁柱硅钢片的自动叠积，芯柱打叠机械手20接收到原料坐标等信息后，自动调整位姿移动到原料坯上方并下落到位，吸附硅钢片原料，将单张硅钢片移动到产品位并落下，然后自动检测偏差并精准纠正到位，叠积精度满足要求后进入下一循环。第二水平支撑杆18、第二垂直伸缩杆19和芯柱打叠机械手20组成芯柱打叠机构5。
33.所述的智能控制系统21，采用分布式控制，西门子s7-1500做主站，et200s作为从站，采用profinet通讯方式，两套双横梁行走和温度湿度，以及光栅尺，各采用一个et200s分站。芯柱叠积三套桁架三轴位置控制，吸盘旋转，吸盘控制，分别采用一个分站。2个下铁轭叠积机器人采用一个分站。这种分站控制方式，可以把控制线路减少到最少，大大增加了运行的可靠性和稳定性，降低检修和调试工作量。智能控制系统21可采用西门子plc1500控制3个芯柱打叠机械手20以及2个下铁轭叠积机器人14协调运行，采用西门子工控机ipc477d实现人机交换和不同铁心结构的数据录入调整。智能控制系统21负责读取裁剪表、图纸等产品信息，结合温湿度无线远传信号进行系统标定及动作规划，叠积过程中接受自动检测系统的检测数据并进行计算处理并输出反馈。如图9所示，为本发明实施例的智能控制系统的电气原理图。
34.芯柱硅钢片叠积装置和下铁轭叠积装置上设置有吸盘装置，通过吸盘装置实现硅钢片的抓取与叠放。吸盘装置上安装有激光测量仪，自动测量夹件对角线等尺寸是否符合图纸及质检公差要求。吸盘装置上安装有工业相机，自动测量所有芯柱及下铁轭片，测量每片硅钢片两个定位孔坐标信息及叠积端面偏差。吸盘装置上安装有单双张检测仪，快速检测吸附张数。安装有测厚仪，自动测量叠积厚度。安装有单双张自动分离装置，起吊时自动抖动将多张分离成单张。
35.如图10所示，为本发明实施例的自动打叠方法的流程框图。一种变压器铁心自动打叠方法，应用前述的一种变压器铁心自动打叠装置，包括以下步骤：
36.s1、自动打叠作业开始之前，首先要进行前期准备工作。前期准备工作包括：将硅钢片裁剪表及图纸信息等输入智能控制系统21中，将大小双梁桁架自动开到翻转台翻转侧，让出吊放空间，方便吊装；在叠积用铁心翻转台6上，人工吊放升降工作台、原料放置架、工字支撑等工装及硅钢片原料(包括将芯柱硅钢片、旁柱硅钢片和下铁轭硅钢片放置到位)、夹件、拉板及绝缘件等零部件，安装工字支撑、千斤顶等底部辅助支撑工装。
37.s2、操作者撤出，安全门关闭，总电源接通，启动铁心自动打叠装置，设备开始自检。如果设备自检过程中出现问题，及时人工排除。设备自检的内容包括：
38.小双梁桁架2和大双梁桁架3在智能控制系统21的控制下行走到叠积区域上方定点位置，锁死定位，系统自动进行标定。定点位置说明：大双梁桁架3定点位置根据铁心高度(双梁桁架行走方向)选择适宜点位，小双梁桁架2只有一个固定点位(因下铁轭底部垫脚位置基本固定在一定区域内，翻转后才能支撑在固定翻转台上)。
39.大双梁桁架3上的三个芯柱打叠机械手20和小双梁桁架2上的两台下铁轭叠积机器人14自动模拟运行一下，确认工作范围覆盖原料放置及产品叠积位置要求且无干涉。
40.大双梁桁架3上的三个芯柱打叠机械手20，外侧一个移动到最外侧固定锁死，另外两个自动移动到夹件铺放的最外侧两个拉板工位，每个吸盘装置上的两个激光点投射到上下夹件拉板轴中心位置，吸盘装置起升到2米高度锁死定位，在吸盘装置下部放置适量安全防撞支柱。
41.安全门打开，总电源物理截断，确认吸盘装置锁死机构可靠，操作者进入。
42.s3、在正式开始自动打叠动作之前，人机协作，根据图纸要求投射激光点(利用蓄电池投射激光不需电源)，在激光点指示位置铺放夹件、拉板及绝缘件等。操作者撤出，安全门关闭，总电源接通。在正式开始自动打叠动作之前，人工铺放夹件、拉板及绝缘件等零部
件，人机协作铺放末级硅钢片，测量调整到位；测量所有芯柱及下铁轭片，测量第一层每片末级硅钢片两个定位孔坐标信息，做为复位定位坐标值。
43.s4、三个芯柱打叠机械手20的吸盘装置上安装的测量仪，自动测量夹件对角线等尺寸是否符合图纸及质检公差要求。安全门打开，总电源物理截断，三个芯柱打叠机械手20移开到安全位置，操作者进入。
44.s5、人机协作(激光投射指示)或人工铺放末级硅钢片，测量调整到位。操作者撤出，安全门关闭，总电源接通。
45.s6、吸盘装置上的工业相机自动测量所有芯柱及下铁轭片，测量每片硅钢片两个定位孔坐标信息，此坐标值在本项目产品叠积期间一般不再发生变化。
46.s7、芯柱打叠机械手20和下铁轭叠积机器人14自动转换调整位姿，移动到原料坯上方，自动检测干涉情况，无干涉则拍照识别、微调位姿、下落吸附、起升、单双张检测，进行移动及旋转，按叠积产品定位孔坐标信息到达叠片上方；自动判断干涉情况，无干涉则下落复位，下落到位后使硅钢片脱离吸盘装置，精准放置到位，测厚、识别、纠正、起升。
47.s8、进入自动取片、放片的自动循环，按顺序铺放硅钢片；期间实时判断铁心是否达到规定的厚度，如果否，转步骤s7，如果是，该自动打叠作业完成，人工进行夹件安装等铁心装配作业，将翻转台6的台面旋转90度，然后行车将铁心整体吊走。每接近叠积的额定叠厚，自动增加测厚动作及对比计算。两个拉杆式精密测量仪自动伸出，给叠积好的铁心施加一定压力，精密计算出每级厚度，方便增减片子满足级厚公差控制要求。与安装在侧面的激光测距仪测量值相互对照，避免测量误差。一般打叠区域要求恒温恒湿，但当温湿度变化超差时，金属构件会发生较大变形，此时控制系统自动增加标定频次，动态消除形变误差。
48.在整个自动打叠过程中，实时进行安全监测，包括电气、机械及视觉三重控制，避免任何意外造成的安全事故。采取自动避让、锁紧及定位装置，避免运行时碰撞人及设备等，所有装置设置超载避让结构，意外碰撞时自动避让。动作节拍可设定，并控制在安全范围内，装置设置电气与机械防碰及防坠落等每项安全措施至少要双保险。装置运行时，在安全范围边缘设接近开关及光幕等防护装置，靠近时声光报警，接近时自动停机。可拆卸防护栏具有足够刚性及安全防护区域范围，避免设备异常时造成意外损坏及伤害操作者。所有安全措施有电子及机械双保险。在允许操作者活动区域安装多个急停按钮，设置多重互锁，不符合安全允许条件的误操作命令不允许自动执行。危险区域用警戒色标识，设有光幕等安全装置，并安装防护栏，实现电气与机械双保险。设置人员靠近危险区域自动报警，进入危险区域自动停机的安全措施。
49.作为优选的实施例，本发明的一种变压器铁心自动打叠方法，还可以包括以下优化的方法，进一步作以下的步骤优化：
50.a.自动识别产品位两定位孔坐标值。下落过程中激光测距，首先控制减速下降，确保下落稳定，其次，给视觉系统发送拍照识别信号，并保证拍照瞬间物距及稳定性满足相机需求，确保识别精度；
51.b.自动识别硅钢片原料坐标信息传输给自动打叠装置，实现自动移动到指定位置，调整位姿精准定位，抓取硅钢片；在硅钢片抓取时，自动判断已抓取的硅钢片是单张还是双张，双张则采取进一步分张措施，确保单张后移动放片；
52.c.下落过程中激光测距，首先控制减速下降，确保下落稳定，并不会因下落速度过
快引起气流冲击，使下部已叠积硅钢片移位；
53.d.每放完一片硅钢片后，测叠厚，起升拍照判断是否允许纠正，自动纠正硅钢片的细微偏差；
54.e.每叠完一层的每张下铁轭硅钢片，自动纠正，两侧视觉装置自动检测芯柱与下铁轭45
°
拼接缝及端面叠积精度，自动检测拼接缝是否存在搭接且接缝是否小于2mm，端面叠积精度在0.5mm内；
55.f.操作者在叠积过程中任意设定暂停点，暂停条件为叠厚、用于手工加支撑或铺放铁心油道及做试验等需要人机协作的工作。
56.另外，数据可以通过mes系统或其它方式自动导入，并在办公室电脑进行运行模拟自检，消除程序运行可能存在的问题。可以将自动打叠过程中的所有质检尺寸，形成质检表格，可拷贝或上传。声光提示完成叠积工艺，自检合格。对温湿度等影响打叠质量的关键因素和时间节点进行基准标定，每班次前后各标定一次，可利用温湿度测量仪自动采集温湿度，定时将温差上传，温差每超过1度，系统自动进行标定一次。实时测量硅钢片放置的端面偏差超过设置标定值时，系统增加一次自动标定。
57.叠积完成后，大小双梁桁架向两侧移开，完成铁心装配，将工作台工装设备吊走，行车吊起铁心翻转台进行90
°
翻转，行车将成型铁心吊走。
58.最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。