面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系统和变压器铁芯，该面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系统可以通过机械臂和其上的抓取部自动抓取和安装硅钢片以构成变压器铁芯，通过图像采集部和标定板预先对抓取位姿进行标定，然后根据标定的位姿在实际抓取过程中计算抓取硅钢片位姿的差异量，从而修正抓取操作，实现对于硅钢片更加准确的抓取和安装。
【专利说明】面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及变压器【技术领域】，具体而言，涉及一种面向变压器铁芯制造的硅钢片 自动化叠装系统和一种变压器铁芯。
【背景技术】
[0002] 变压器铁芯的叠装是变压器制造过程中的重要环节。如图1A至图1D所示，常见 铁芯结构形式有单相三柱、单相四柱、三相三柱、三相五柱及单相双框式铁芯。变压器铁芯 叠装通常是数个轭\柱作为一个整体叠装制造。变压器的每个轭\柱铁芯，由大量几种不 同尺寸的硅钢片堆叠组成。不同宽度规格的硅钢片组成的铁芯的横截面近似为椭圆形。在 使用同一种规格的硅钢片形成的一段当中，各层之间通过多级步进结构，错开每层中的硅 钢片之间的边缘缝隙，避免形成连续的空隙。典型的硅钢片步进有5级步进、3级步进、2级 步进。
[0003] 在硅钢片堆叠组装过程中，要求硅钢片平整无损伤无变形、相邻的同一高度的硅 钢片无重合叠压、硅钢片之间缝隙控制在很小的范围内，否则会造成变压器铁损过大、几 何变形无法完场后续工序、机械强度不足等问题。
[0004] 生产过程中，通过硅钢片上的工艺定位孔保证每一片安放在期望的位置，并以胶 木块击打硅钢硅钢片边缘修正位置，令相邻两层对齐。在安放了一定厚度的硅钢硅钢片后， 暂停安装，使用特制的金属棒插入工艺定位孔形成的孔洞中检测这一部分的连贯程度、使 用胶木块击打这一部分的边缘保证竖直，并测量已经叠放的铁芯高度，检查是否符合要求 的范围。
[0005] 在现有技术中，硅钢片的层层堆叠主要由人工完成。当前生产中，面临人工叠装的 生产速度慢、需要间歇停止进行检测、效率有待提高、难以连续长时间生产、人力成本较高、 可能出现人为错误、可能出现人身安全事故等的问题。
[0006] 为了保证人工叠装的精度，需要在硅钢片上打孔用于工艺定位，用于辅助定位以 及生产过程中定期精度检查。由于工艺定位孔的存在，定位孔在变压器内部形成联通的空 间，造成变压器具有一定的固有磁阻，相应影响到变压器的损耗与效率。
[0007] 同时由于前述步进错开要求，每一层相同规格硅钢片上定位孔位置都不同，叠装 需要使用相同尺寸规格、但是不同定位孔的硅钢片按照特定顺序进行，对于硅钢片的剪切 环节、输送环节提出了附加的要求，一旦出错将影响到产品质量以及生产效率。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是，如何提高变压器铁芯中硅钢片的抓取和安装效 率，提高硅钢片的抓取和安装精度，降低人工成本和变压器的损耗。
[0009] 为此目的，本发明提出了一种面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系统，包 括：机械臂、控制单元、计算单元，其中，所述机械臂包括抓取部和位于所述抓取部一端的第 一图像采集部以及位于所述抓取部另一端的第二图像采集部；
[0010] 以所述中转区的中心为原点，以所述中转区所在平面为X〇y面，以竖直向上 为Z轴正方向建立空间直角坐标系中，所述控制单元控制所述抓取部移动至初始位姿 Rob(Xl，yi，Zl，0i)，使所述抓取部所在平面到所述中转区所在平面的距离为Zl，其中Xi，yi， Zi分别为空间直角坐标系中的x轴坐标、y轴坐标和z轴坐标，0i为所述抓取部相对于xoy 面内指定直线的偏转角，
[0011] 所述中转区为位于抓取部下方的水平操作平台，在所述中转区两侧的对称位置上 设置有可拆卸的第一标定板和第二标定板，所述第一标定板和第二标定板在所述抓取部位 于所述第一位置时，分别与所述第一图像采集部的成像范围和第二图像采集部的成像范围 相对应，所述第一标定板和第二标定板为全等的正方形的黑白相间的棋盘格，所述第一标 定板的右上角到所述第二标定板的右上角距离为S，且所述第一标定板中的格子与所述第 二标定板中的格子平行，且以通过所述中转区中心的预定直线为对称轴，
[0012] 所述控制单元控制所述第一图像采集部和第二图像采集部分别采集所述第一标 定板ImagaO和第二标定板的图像ImagbO,镜头畸变参数矩阵分别为Da和Db，单应性矩阵 分别为Ha和Hb，以所述第一标定板中的右上角为原点，以所述中转区所在平面为xoy面生 成直角坐标系Corda(X，y)，以所述第二标定板中的右上角为原点以所述中转区所在平面为 xoy面生成直角坐标系Cordb(x，y)，Corda(x，y)和Cordb(x，y)中的x轴和y轴正方向相 同；设统一坐标系Cord(x，y)中的坐标相对于Corda(x，y)不做变化，相对于Cordb(x，y)沿 y轴正方向平移距离S;
[0013] 所述控制单元控制所述抓取部抓取硅钢片，控制所述抓取部移动至位姿 Rob(Xl，yi，0, 0:)放下硅钢片，控制所述抓取部返回所述初始位置，控制所述第一图像采集 部和第二图像采集部分别采集娃钢片的图像Imagal和Imagbl，根据所述矩阵Da和Db去除 畸变，
【权利要求】
1. 一种面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系统，其特征在于，包括：机械臂、控 制单元、计算单元，其中， 所述机械臂包括抓取部和位于所述抓取部一端的第一图像采集部以及位于所述抓取 部另一端的第二图像采集部； 以中转区的中心为原点，以所述中转区所在平面为X0y面，以竖直向上为Z轴正方向建 立空间直角坐标系中，所述控制单元控制所述抓取部移动至初始位姿RoMx1,Y1,Z1,θJ， 使所述抓取部所在平面到所述中转区所在平面的距离为Z1，其中Xi, yi，^分别为空间直角 坐标系中的X轴坐标、y轴坐标和Z轴坐标，Θi为所述抓取部相对于xoy面内指定直线的 偏转角， 所述中转区为位于抓取部下方的水平操作平台，在所述中转区上两侧的对称位置设置 有可拆卸的第一标定板和第二标定板，所述第一标定板和第二标定板在所述抓取部位于所 述第一位置时，分别与所述第一图像采集部的成像范围和第二图像采集部的成像范围相对 应，所述第一标定板和第二标定板为全等的正方形的黑白相间的棋盘格，所述第一标定板 的右上角到所述第二标定板的右上角距离为S，且所述第一标定板中的格子与所述第二标 定板中的格子平行，且以通过所述中转区中心的预定直线为对称轴， 所述控制单元控制所述第一图像采集部和第二图像采集部分别采集所述第一标定板ImagaO和第二标定板的图像ImagbO，镜头畸变参数矩阵分别为Da和Db，单应性矩阵分别为 Ha和Hb，以所述第一标定板中的右上角为原点，以所述中转区所在平面为xoy面生成直角 坐标系Corda (X，y)，以所述第二标定板中的右上角为原点以所述中转区所在平面为xoy面 生成直角坐标系Cordb(X，y)，Corda(X，y)和Cordb(X，y)中的X轴和y轴正方向相同；设统 一坐标系Cord(X，y)中的坐标相对于Corda (X，y)不做变化，相对于Cordb (X，y)沿y轴正 方向平移距离S; 所述控制单元控制所述抓取部抓取硅钢片，控制所述抓取部移动至位姿Rob(Xl，yi，0,G1)放下硅钢片，控制所述抓取部返回所述初始位置，控制所述第一图像采集 部和第二图像采集部分别采集娃钢片的图像Imagal和Imagbl，根据所述矩阵Da和Db去除 畸变， Imagali =DaXImagal, Imagbl'=DbXImagbl， 获取娃钢片在111^31'和111^131'中顶角点的坐标？11(1￡11，7 ￡11)和？11(1131，7131)，所述 计算单元根据所述矩阵Ha和Hb将Pix(xal，yal)和Pix(xbl，ybl)换算为在坐标系Corda(x， y)和坐标系Cordb (X，y)中的坐标Corda (xal，yal)和Cordb (xbl，ybl)，将坐标Corda (xal，yal) 和Cordb(xbl，ybl)换算为在统一坐标系中的坐标Cord(xal，yal)和Cord(xbl，ybl); 所述控制单元控制所述抓取部从位姿RoMx1,Y1,0，ΘD抓取娃钢片返回所述初始位 置，控制所述抓取部沿中心所在轴线旋转角度ΔΘ到位姿R〇b(Xl，yi，Ζι，θ2)，控制所述抓 取部移动至位姿Rob(Xl，yi，0,Θ2)，将硅钢片放回所述中转区，控制所述抓取部返回所述 初始位置，控制所述第一图像采集部和第二图像采集部分别采集硅钢片的图像Imaga2和 Imagb2,根据所述矩阵Da和Db去除畸变， Imaga2, =DaXImaga2? Imagb2' =DbXImagb2， 获取娃钢片在Imaga2'和Imagb2'中顶角点的坐标Pix(xa2,ya2)和Pix(xb2,yb2)，所述 计算单元根据所述矩阵Ha和Hb将Pix(xa2,ya2)和Pix(xb2,yb2)换算为在坐标系Corda(x， y)和坐标系Cordb (X，y)中的坐标Corda (xa2，ya2)和Cordb (xb2，yb2)，将坐标Corda (xa2，ya2) 和Cordb(xb2,yb2)换算为在统一坐标系中的坐标Cord(xa2,ya2)和Cord(xb2,yb2); 所述计算单元计算Cord(xal，yal)和Cord(xbl，ybl)的中垂线方程E1，和Cord(xa2，ya2)和Cord(xb2,yb2)的中垂线方程E2，计算EjPlE2的交点坐标（X。，y。)，并将（X。，y。）换算为在统 一坐标系中的坐标Cord(x。，y。)，根据Cord(xal，yal)、Cord(xbl，ybl)和Cord(x。，y。）计算参 数L和M
设所述抓取部中心在所述中转区上投影的期待位置为Cord(xstd，ystd)，其中，
计算娃钢片的期待倾j
所述控制单元控制所述抓取部从所述中转区抓取硅钢片移动至位 姿Rob(X1,Y1,Z1,Θ2)，并沿空间直角坐标系的y轴方向平移Δ1至位姿 RoMxpydAhz1,θ2)，控制所述抓取部移动至位姿R〇b(X1JjA1，〇，θ2)放下娃钢片，控 制所述抓取部返回所述初始位置，控制所述第一图像采集部和第二图像采集部分别采集硅 钢片的图像Imaga3和Imagb3,根据所述矩阵Da和Db去除畸变， ImagaSi =DaXImaga3? Imagb3' =DbXImagb3， 获取娃钢片在Imaga3'和Imagb3'中顶角点的坐标Pix(xa3,ya3)和Pix(xb3,yb3)，所述 计算单元根据所述矩阵Ha和Hb将Pix(xa3,ya3)和Pix(xb3,yb3)换算为在坐标系Corda (x， y)和坐标系Cordb (X，y)中的坐标Corda (xa3,ya3)和Cordb (xb3,yb3)，将坐标Corda (xa3,ya3) 和⑶吨匕^又"换算为在统一坐标系中的坐标⑶^^^又^和⑶^^^又^^^所述抓取 部的中心在所述中转区的投影为Cord(x'。，y'。)，
所述控制单元控制所述抓取部移动至所述初始位置，控制所述第一图像采集部和第二 图像采集部分别采集娃钢片的图像ImagaA和ImagbB，根据所述矩阵Da和Db去除畸变， ImagAi =DaXImagaAi ImagB'=DbXImagbB， 获取娃钢片在ImagA'和ImagB'中边沿的坐标Pix(xa，ya)和Pix(xb，yb)，所述计算单 元根据所述矩阵Ha和Hb将Pix(xa，ya)和Pix(xb，yb)换算为在坐标系Corda(X，y)和坐标 系Cordb(x，y)中的坐标Corda(xa，ya)和Cordb(xb，yb)，将坐标Corda(xa，ya)和Cordb(xb，yb)换算为在统一坐标系中的坐标C〇rd(xa，ya)和Cord(xb，yb); 硅钢片的中心在所述中转区上投影的期待位置为Cord(Xc;u，yj，其中，
所述计算单元计算Cord(Xa^ycJ与Cord(xstd，ystd)的差值 Cord(ΔX，Δy) =Cord(xcu,ycu)-Cord(xstd,ystd), 计算所述控制单元的控制偏差量
计算硅钢片的表征倾角
计算所述表征倾角与所述期待倾角的差值Δθ=θ_-θ^， 所述控制单元控制所述抓取部从所述初始位置移动至位置 尺〇13(11+〇1，71+〇7,〇，01+八0)抓取娃钢片，并在目标安放位置为1? 〇13(1(|，7(|，2(|，0(|)时，控 制所述抓取部移动至位置Rob(Xtl+ΔX，yfΔy,Zci,Θ J安放抓取到的娃钢片形成铁芯。
2. 根据权利要求1所述的面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系统，其特征在 于，所述抓取部包括横梁，所述横梁下方设置有多个吸盘，用于抓取硅钢片。
3. 根据权利要求2所述的面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系统，其特征在 于，所述抓取部还包括：设置于所述横梁下方的可活动支架，其中，所述多个吸盘设置于所 述可活动支架下方，所述控制单元在控制所述抓取部抓取硅钢片时，控制所述可活动支架 两端向上弯曲，使抓取到的硅钢片两端随所述可活动支架两端向上弯曲，与水平面形成5° 至10°倾角。
4. 根据权利要求2所述的面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系统，其特征在 于，所述多个吸盘为可伸缩吸盘，所述控制单元在控制所述抓取部抓取硅钢片时，控制所述 横梁中部的吸盘伸长或控制所述横梁两端的吸盘收缩，使抓取到的硅钢片两端随所述可活 动支架两端向上弯曲，与水平面形成5°至10°倾角。
5. 根据权利要求2所述的面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系统，其特征在 于，所述抓取部还包括设置于所述横梁上的探杆，其中，所述探杆与所述横梁通过转轴连 接，且所述探杆与所述转轴垂直，并可通过所述转轴在垂直所述横梁的平面内转动，所述转 轴的轴线与所述横梁平行，且与所述多个吸盘所在平面平行，并与所述多个吸盘所在平面 相距h; 所述控制单元在控制所述抓取部抓取硅钢片时，控制所述探杆沿顺时针转动，获取所 述探杆的转动角Ci1，计算娃钢片在所述探杆顺时针方向的宽度W1=h/tan(arπ/2)，控 制所述探杆沿逆时针转动，获取所述探杆的转动角a2，计算硅钢片在所述探杆逆时针方向 的宽度W2=h/tan(α2-π/2)，计算硅钢片的宽度W=Wi+W2。
6. 根据权利要求5所述的面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系统，其特征在 于，还包括： 判断单元，将硅钢片的宽度W与预设宽度比较，判断误差是否处于预设范围内，若处于 预设范围以内，则使所述控制单元继续操作，若误差处于预设范围以外，则发出提示信息。
7. 根据权利要求5所述的面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系统，其特征在 于，所述控制单元根据硅钢片的厚度，由厚到薄控制所述抓取部抓取和安装硅钢片，以完成 铁芯从中心到一端的安装，然后在铁芯被压紧、固定和翻转后，控制由厚到薄控制所述抓取 部抓取和安装硅钢片，以完成铁芯从中心到另一端的安装。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系 统，其特征在于，还包括： 接近传感器，设置于所述抓取部，在所述抓取部接近硅钢片的过程中，判断所述抓取部 与硅钢片的距离，并在所述抓取部与硅钢片的距离小于安全距离时，向所述控制单元发送 减缓信号，使所述控制单元降低所述抓取部向硅钢片的接近速度。
9. 根据权利要求1至7中任一项所述的面向变压器铁芯制造的硅钢片自动化叠装系 统，其特征在于，还包括： 支撑部，包括多节支撑臂，用于支撑所述抓取部，并根据所述控制单元的指令控制所述 抓取部运动。
10. -种变压器铁芯，其特征在于，通过权利要求1至9中任一项所述的面向变压器铁 芯制造的硅钢片自动化叠装系统抓取和安装的硅钢片构成。
【文档编号】B65G61/00GK104444401SQ201410612785
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】邱建雄, 郝国栋, 郭璠, 邱玮, 唐琎, 罗兴赤 申请人:邱建雄