高壓帶電作業(yè)機器人絕緣輕型機械臂的研制

1、!#$%&$ %(#$)( *(!+,-. 年第 / 期0總第 1/. 期2山東電力技術(shù)33高壓帶電作業(yè)機器人絕緣輕型機械臂的研制%45678 9: 9; )684 ?;4a b ?67c; #de5李冬松， 戚暉， 孫玉田（ 山東電力研究院， 山東濟南,/-,）摘要： 提出了高壓帶電作業(yè)機器人絕緣輕型機械臂的設(shè)計方法， 解決了機械臂的高壓絕緣問題， 在滿足機械臂持重要求的基礎(chǔ)上大幅度降低了機械臂的重量， 使得機器人活動空間能夠滿足復(fù)雜線路環(huán)境的要求。關(guān)鍵詞： 帶電作業(yè)機器人； 絕緣輕型機械臂!#$%&$：f4 g; :9dhda ;c4 a45678 hi 9: d9=9;

2、685?;4a b ?67c; de5 j 59?k4a 68a5;di d9=9; 685?;698l &8 ;c4 =565 9:d4mc4a 48a ?9aj e95;?i ?67c;4a de5 h467c;l !9 d9=9; e9k4 5gm4 65 ag;4a ;9 m9eg?4n ?684 m98a6;698 h4?l()* +,%-#. c9; ?684 d9=9;o 685?;4a b ?67c; de5中圖分類號： pq,r文獻標識碼： #文章編號： 1-. b ss-r0,-.2-/ b 33 b -t/引言配電帶電作業(yè)技術(shù)是保證供電設(shè)備安全可靠運行，提高電網(wǎng)經(jīng)

3、濟效益和服務(wù)質(zhì)量的一個重要檢修手段， 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展， 社會對供電可靠性的要求越來越高，帶電作業(yè)的任務(wù)也越來越繁重。針對目前我國 1-qu 線路帶電作業(yè)工藝要求，以及作業(yè)環(huán)境的特點，研制一種適用于 1-vu 及以下高壓線路帶電作業(yè)機器人具有重要意義。該機器人可以替代人工完成作業(yè)頻率較高的帶電斷線、帶電接線、帶電更換絕緣子等作業(yè)任務(wù)，減輕作業(yè)人員的勞動強度，使作業(yè)人員與高壓電場完全隔離， 最大限度的保證作業(yè)人員的安全w1 b ,x。為了進一步提高產(chǎn)品化樣機的實用性，我們在實驗室樣機的基礎(chǔ)上進行了產(chǎn)品化樣機研制。0機器人組成機器人由斗臂車、絕緣機械臂、控制系統(tǒng)、工具系統(tǒng)組成。如圖 1 所示。斗

4、臂車：機器人升降系統(tǒng)采用目前通用的絕緣斗臂車改造，車體尺寸、升降系統(tǒng)活動空間、與絕緣斗臂車幾乎相同。圖 0帶點作業(yè)機器人絕緣機械臂： 由于工具的改進， 機械臂的末端負荷限制在 1/v7 以內(nèi)，活動范圍限制在 1l ,e 以內(nèi)，機械臂水平安裝，為左右手型，機械臂單臂重量小于 11-v7。 該機械臂外殼采用 1-vu 絕緣材料，可以有效防止機械臂相間短路?？刂葡到y(tǒng)：在已有機器人控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計出便于操作、 控制精度較高、 控制實時性較好的高壓帶電作業(yè)機器人控制系統(tǒng)。工具系統(tǒng)： 機器人工具系統(tǒng)包括斷線鉗、 剝皮器、機器人專用工具動力頭以及與之配套的導(dǎo)線接續(xù)金具。機器人專用工具的重量每件不

5、超過1-v7。考慮到機器人作業(yè)時機械臂搭接兩相造成相間短路，我們采用特殊工藝方法對機械臂進行絕!#$%&$ %(#$)( *(!+,-. 年第 / 期0總第 1/. 期2山東電力技術(shù)34緣處理，滿足 1-56 電壓等級的作業(yè)要求。同時由于機器人本體的重量是影響其作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵要素， 機械臂的減重設(shè)計非常重要。!機械臂絕緣工藝設(shè)計機器人帶電作業(yè)需要解決兩類絕緣問題， 一類是機器人對地絕緣， 另一類是防止機械臂搭接兩相造成相間短路。 機械臂的絕緣是整體絕緣方案的一個難點，也是實驗室樣機沒有解決的瓶頸問題之一。采用絕緣機械臂有以下優(yōu)點。7 機械臂滿足額定 1-56 絕緣，有效的防止了接

6、觸兩相可能造成的相間短路。8 由于機械臂可以直接接觸導(dǎo)線， 加大了作業(yè)空間， 提高了機器人的靈活性。9 不必再考慮 1-56 帶電作業(yè)安全距離，機械臂的長度可以縮小， 相應(yīng)的重量也可以減輕， 這樣就可以很好的控制機器人本體的重量和體積。經(jīng)過了大量的調(diào)研、 實驗， 我們認為采用絕緣噴涂方案是最有效的方法。噴涂的材料選用聚乙烯粉末，該材料可著色:可彎曲: 稍具延伸性，密度 -; 4 = -; /，無毒無味: 使用溫度可達 ?- = 1-；耐寒性好，在 a.-時仍有柔軟性； 化學(xué)穩(wěn)定性高， 耐磨性好， 吸水性極小，介電性能突出，擊穿電壓 , = ,?056 bcc2，附著力 , = 3 級，若涂層厚

7、度大于 -; 3cc 則可得到無氣孔的涂層。采用的噴涂方式為火焰噴涂， 即采用氧 a 乙炔高溫火焰， 將聚乙烯粉末熔化，并用氣體使之霧化高溫顆粒， 高速噴射到經(jīng)過預(yù)處理的機械臂殼體表面形成涂層。 由于機械臂外殼應(yīng)保證 1-56 額定絕緣，1-56 過電壓系數(shù)為 4; -0保守數(shù)據(jù)2: 所以要求噴涂厚度不小于 1; /4cc。我們對所制造的噴涂厚度 ,cc 的樣品進行了反復(fù)多次的試驗， 加 4,56 的擊穿電壓 3-cde， 樣品絕緣性能良好。機械臂采用內(nèi)走線方式， 一方面保證機械臂電器系統(tǒng)與 1-56 高壓線路隔離，另一方面提高了機械臂抗電磁干擾性能。 考慮噴涂絕緣材料的工藝要求，機械臂殼體在

8、設(shè)計中多為回轉(zhuǎn)體或規(guī)則形狀，并采用圓弧過渡，輕載荷部分采用非金屬材料制造。機械臂殼體如圖 ,， 關(guān)節(jié) 1、 4、 / 和 處電機內(nèi)置， ,、 3 外置電機安裝絕緣防護罩。關(guān)節(jié)連接零件設(shè)計搭接結(jié)構(gòu)噴涂絕緣材料， 增大沿面爬電距離。圖 !機械臂殼體構(gòu)成機械臂可能接觸到高壓線路并需要處理的部位有 . 處， 如圖 3 所示。圖 機械臂可能接觸到高壓線路的部位兩殼體結(jié)合面處設(shè)計為不同的接觸面積，面積大的接觸面在多出來的部分再向另一個接觸面延伸一段間隙配合距離，延伸出來的結(jié)構(gòu)通過內(nèi)外噴涂絕緣材料即可滿足縫隙處金屬殼體直接接觸導(dǎo)線。輕型機械臂設(shè)計重量問題是高壓帶電作業(yè)機器人實驗室樣機的另一個瓶頸問題， 直接

9、關(guān)系到產(chǎn)品化的成敗。由于目前市場上廣泛應(yīng)用的絕緣斗臂車的舉重最大為 4-5f， 經(jīng)過改造最大舉重為 .-5f， 如果機械臂的重量不控制在一個合理的范圍內(nèi)， 將無法和絕緣斗臂車匹配。!#$%&$ %(#$)( *(!+,-. 年第 / 期0總第 1/. 期2山東電力技術(shù)3/! #技術(shù)參數(shù)要求高壓帶電作業(yè)機器人的工作環(huán)境為非結(jié)構(gòu)化環(huán)境， 采用主從操作系統(tǒng)控制， 所以機械臂的各項技術(shù)數(shù)不同于普通的工業(yè)機器人， 尤其是重量和運動速度， 通過多次作業(yè)試驗與仿真， 設(shè)計具體參數(shù)如表 1。表 #機器人技術(shù)參數(shù)參數(shù)名稱數(shù)值結(jié)構(gòu)方式垂直關(guān)節(jié)型末端型式快速插接式末端載荷1/45（ 距 / 軸 ,-66 處

10、）自由度數(shù)7 個驅(qū)動方式交流伺服電動機電源電壓三相 8 ,-9檢測方式絕對位置碼盤! 軸腰部回轉(zhuǎn): 1.-;) 軸大臂傾動 1/;， = .-;+ 軸小臂傾動 軸小臂旋轉(zhuǎn): 1?-; 軸手腕俯仰: 11/;a 軸手腕回轉(zhuǎn): 37-;! 軸腰部回轉(zhuǎn).-; 8 b) 軸大臂傾動./; 8 b+ 軸小臂傾動?-; 8 b 軸小臂旋轉(zhuǎn)11,; 8 b 軸手腕俯仰c/; 8 ba 軸手腕回轉(zhuǎn)17-; 8 b機械臂展開長度（ 小臂末端到大臂關(guān)節(jié)直線距離）工具重心到機械臂末端距離c-66重量11-45! $材料選擇在保證剛度和強度的基礎(chǔ)上， 為減輕重量， 機械臂大臂、 底座、 法蘭采用空腔結(jié)構(gòu)。不受力的蓋板

11、、 密封端蓋、 罩子， 采用非金屬材料。機械臂其余部件采用高強度的硬鋁合金。 考慮到鑄造可能帶來的缺陷， 所有零件全部通過機加工的方式完成。! !電機和減速器的選擇在滿足力矩和速度的前提下， 除 , 軸大臂俯仰關(guān)節(jié)采用中慣量電機外， 其余采用小慣量電機， 慣量不匹配的 1 軸腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)， 通過同步帶齒輪減速實現(xiàn)慣量匹配d 做到了電機重量選擇的最優(yōu)化。減速器選擇方面， 1、 , 軸采用 9 = e 型減速器， 省去了軸承的重量，3 軸采用重量較輕的 9 = f 型減速器， 不但省去軸承的重量， 而且便于走線， /、 7軸采用諧波減速器， 突出重量輕和精度高的要求。 整個傳動設(shè)計線路短， 結(jié)構(gòu)緊

12、湊， 傳動單元全部特殊設(shè)計， 以求盡可能降低重量。機器人外觀如圖 c。圖 %機器人機械臂外觀圖! %有限元分析本 部 分 采 用 有 限 元 軟 件 g!fh ijkljm 和g!fh $jbkljm 對受力較大，可能造成破壞的部件進行有限元分析。其中包括用于強度校核的 nom6pbqb 應(yīng)力、 最大主應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力， 以及做了變形分析。以腕座為例具體分析如下。其中， 超硬鋁 .#-c（)fc） 的材料參數(shù)如下：彈性模量： e r .h cq1-ij， 波動比： n r -h 33， 密度： ! r ,.-45 8 63， 抗拉強度： sr 7-gij， 條件屈服強度 -h ,r /- g

13、tj， 剪切強度： # r 3-gij， 伸長率 $1-r 1,u。在此分析部分中，所有的零件均采用超硬鋁.#-c（)fc） 作為材料， 分析過程的載荷取了最危險工況下最大載荷的情況。負載情況：六軸總的質(zhì)量 6 r ,/h 1.5，六軸部分重心相對轉(zhuǎn)軸的偏距 v r c.66；11./66每軸運動范圍每軸最大運動速度!#$%&$ %(#$)( *(!+,-. 年第 / 期0總第 1/. 期2山東電力技術(shù)345%工作負載 6 7 1/89，作用點到轉(zhuǎn)軸的距離 : 7,-66；（1） 將所有的作用等效為一個和一個彎距;17 0, ? ! - , = , ? ! - -. 73- /$ 6（

14、,） 作用在作用點的彎矩等效力 （ 等效點到轉(zhuǎn)軸的距離為 % 7 - -446）;,73- / a - -44 7 4,$（3） 偏心較小， 質(zhì)量較小， 慣性力較小忽略。（） 作用在受力點的總力為： ; 7;1=;,71.- =4, 743,$計算結(jié)果：b cde 6fghg 應(yīng)力，用第四強度理論進行校和。cde 6fghg 應(yīng)力如圖 / 所示圖 !#$ %&( 應(yīng)力圖 )最大主應(yīng)力圖 / 中看出最大應(yīng)力在螺栓緊固孔和方孔的邊 角 處 （ 圖 中 顏 色 較 深 處 ） ， 應(yīng) 力 最 大 值 達4 ,.5ib， 安全系數(shù)達到 ?.， 符合設(shè)計要求。圖 4 中看出最大主應(yīng)力在螺栓緊固孔

15、和方孔的邊角處（ 圖中顏色較深處） ， 最大值達 4 3?5ib。安全系數(shù)達到 ?4， 符合設(shè)計要求。j 最大剪切應(yīng)力圖 * 最大剪切應(yīng)力圖 . 中看出最大剪切應(yīng)力在螺栓緊固孔和方孔 的 邊 角 處 （ 圖 中 顏 色 較 深 處 ） ， 最 大 值 達3 4,5ib， 符合設(shè)計要求。全部校核情況如表 ,。本分析中所有的零件均采用超硬鋁作為材料，分別求得了零件模型的 kde 5fghg 應(yīng)力、最大主應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力。 應(yīng)力范圍均在最大應(yīng)力允許的范圍之內(nèi)， 安全系數(shù)均在 1/ 以上， 滿足設(shè)計要求。+實驗+, -試驗內(nèi)容機械臂整體絕緣試驗； 帶電剝導(dǎo)線絕緣皮； 帶電接并股線夾； 帶電接穿刺線夾

16、； 帶電斷引流線。!#$%&$ %(#$)( *(!+,-. 年第 / 期0總第 1/. 期2山東電力技術(shù)3.表 !全部校核情況表零件名稱腕座小臂肘座大臂轉(zhuǎn)座底座45 ,.1,5 3.5 3,.5 33,5 .,16.7/./,-14,445 36135 /85 313,5 63/5 /,15 1647-/8141/,435 4,45 /75 -/175 .1.5 3116,74.7,-1.,.35 469 : 485 ,/9 : /35 4.9 : 4,5 -89 : 715 4,9 : 765 869 : 4;?9最大主用力最大剪切應(yīng)力位移最大值（ab）安全系數(shù)最大值（ab）安全系

17、數(shù)最大值（ab）安全系數(shù)最大值0c20下轉(zhuǎn) ,/ 頁2# !實驗數(shù)據(jù)（ 表 $） 和圖片（ 圖 % & 圖 ）表 $實驗數(shù)據(jù)表試品標準試驗電耐受時間試驗名稱值（d;）壓（d;）（c?=）結(jié)果絕緣機械臂7,7,3通過圖 %剝導(dǎo)線絕緣皮圖 (接并股線夾圖 )接穿刺線夾圖 斷引流線試驗證明： 高壓帶電作業(yè)機器人在可靠的保證人身安全的情況下， 可以很好的完成帶電作業(yè)的所有任務(wù)。*性能指標012 機械臂在同等載荷下，自重!#$%&$ %(#$)( *(!+,-. 年第 / 期0總第 1/. 期2山東電力技術(shù),/0 !2345#$%#&345#&67 上三次風動量流率68下

18、三次風動量流率6/乏氣動量流率9:!拱部風折算速度9345爐膛內(nèi)向下氣流的最大速度9)345爐膛出口一點 （;， 爐膛出口一點 （;， ） 沿 = 向的平均速度?向下有效氣流的無量綱穿透深度6)局部速度不均勻系數(shù)，6) 有效氣流： 爐膛內(nèi)速度不小于 -a ,9:! 的氣流坐標方向說明： 本文在燃燒室和燃燼室各有一個坐標系， 具體的坐標方向如圖 , 中所示。參考文獻b1c車剛 a 帶直流縫隙式燃燒器的 d 型火焰鍋爐冷態(tài)空氣動力特性的實驗研究 b%c a 西安：西安交通大學(xué)，,-ab,c車剛，何立明，惠世恩等 a d 型火焰鍋爐冷態(tài)?；膶嶒炑芯?b*ca 西安交通大學(xué)學(xué)報，,-，78 （ e）

19、：/ f /eab7c岑可法 a 鍋爐燃燒實驗研究方法及測量技術(shù)b6ca 北京：水利電力出版社，1eg.a收稿日期：,-. h 7 h 1/作者簡介：車剛 （ 1e./ h ），男，工程師，從事于大型電站發(fā)電設(shè)備的系統(tǒng)研究和清潔燃燒技術(shù)的研究，對 d 形火焰鍋爐做系統(tǒng)的研究工作。(1#1,) (,#,(1) (,9:!9345-0上接 7. 頁2 低于 6&i&6#$ 工業(yè)機器人自重的一半， 并且符合工業(yè)機器人的所有性能標準。0,2機械臂具有良好的絕緣性能。在殼體的各零件配合處， 通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計防止縫隙處直接接觸線路， 采用噴涂絕緣材料的工藝， 保證了機械臂外殼的額定 1-j9 絕緣。072 機械臂具有耐低溫、 高溫、 太陽直射防塵、防水、 防潮的能力， 電機全部內(nèi)置， 內(nèi)部走線， 在溫度 h ,-k f l-k，濕度