高压带电作业机器人绝缘轻型机械臂的研制

1、!#$%&$ %(#$)( *(!+,-. 年第 / 期0总第 1/. 期2山东电力技术33高压带电作业机器人绝缘轻型机械臂的研制%45678 9: 9; )684 ?;4a b ?67c; #de5李冬松， 戚晖， 孙玉田（ 山东电力研究院， 山东济南,/-,）摘要： 提出了高压带电作业机器人绝缘轻型机械臂的设计方法， 解决了机械臂的高压绝缘问题， 在满足机械臂持重要求的基础上大幅度降低了机械臂的重量， 使得机器人活动空间能够满足复杂线路环境的要求。关键词： 带电作业机器人； 绝缘轻型机械臂!#$%&$：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中图分类号： pq,r文献标识码： #文章编号： 1-. b ss-r0,-.2-/ b 33 b -t/引言配电带电作业技术是保证供电设备安全可靠运行，提高电网经

3、济效益和服务质量的一个重要检修手段， 随着我国经济的发展， 社会对供电可靠性的要求越来越高，带电作业的任务也越来越繁重。针对目前我国 1-qu 线路带电作业工艺要求，以及作业环境的特点，研制一种适用于 1-vu 及以下高压线路带电作业机器人具有重要意义。该机器人可以替代人工完成作业频率较高的带电断线、带电接线、带电更换绝缘子等作业任务，减轻作业人员的劳动强度，使作业人员与高压电场完全隔离， 最大限度的保证作业人员的安全w1 b ,x。为了进一步提高产品化样机的实用性，我们在实验室样机的基础上进行了产品化样机研制。0机器人组成机器人由斗臂车、绝缘机械臂、控制系统、工具系统组成。如图 1 所示。斗

4、臂车：机器人升降系统采用目前通用的绝缘斗臂车改造，车体尺寸、升降系统活动空间、与绝缘斗臂车几乎相同。图 0带点作业机器人绝缘机械臂： 由于工具的改进， 机械臂的末端负荷限制在 1/v7 以内，活动范围限制在 1l ,e 以内，机械臂水平安装，为左右手型，机械臂单臂重量小于 11-v7。 该机械臂外壳采用 1-vu 绝缘材料，可以有效防止机械臂相间短路。控制系统：在已有机器人控制系统设计技术的基础上设计出便于操作、 控制精度较高、 控制实时性较好的高压带电作业机器人控制系统。工具系统： 机器人工具系统包括断线钳、 剥皮器、机器人专用工具动力头以及与之配套的导线接续金具。机器人专用工具的重量每件不

5、超过1-v7。考虑到机器人作业时机械臂搭接两相造成相间短路，我们采用特殊工艺方法对机械臂进行绝!#$%&$ %(#$)( *(!+,-. 年第 / 期0总第 1/. 期2山东电力技术34缘处理，满足 1-56 电压等级的作业要求。同时由于机器人本体的重量是影响其作业环境适应性的关键要素， 机械臂的减重设计非常重要。!机械臂绝缘工艺设计机器人带电作业需要解决两类绝缘问题， 一类是机器人对地绝缘， 另一类是防止机械臂搭接两相造成相间短路。 机械臂的绝缘是整体绝缘方案的一个难点，也是实验室样机没有解决的瓶颈问题之一。采用绝缘机械臂有以下优点。7 机械臂满足额定 1-56 绝缘，有效的防止了接

6、触两相可能造成的相间短路。8 由于机械臂可以直接接触导线， 加大了作业空间， 提高了机器人的灵活性。9 不必再考虑 1-56 带电作业安全距离，机械臂的长度可以缩小， 相应的重量也可以减轻， 这样就可以很好的控制机器人本体的重量和体积。经过了大量的调研、 实验， 我们认为采用绝缘喷涂方案是最有效的方法。喷涂的材料选用聚乙烯粉末，该材料可着色:可弯曲: 稍具延伸性，密度 -; 4 = -; /，无毒无味: 使用温度可达 ?- = 1-；耐寒性好，在 a.-时仍有柔软性； 化学稳定性高， 耐磨性好， 吸水性极小，介电性能突出，击穿电压 , = ,?056 bcc2，附着力 , = 3 级，若涂层厚

7、度大于 -; 3cc 则可得到无气孔的涂层。采用的喷涂方式为火焰喷涂， 即采用氧 a 乙炔高温火焰， 将聚乙烯粉末熔化，并用气体使之雾化高温颗粒， 高速喷射到经过预处理的机械臂壳体表面形成涂层。 由于机械臂外壳应保证 1-56 额定绝缘，1-56 过电压系数为 4; -0保守数据2: 所以要求喷涂厚度不小于 1; /4cc。我们对所制造的喷涂厚度 ,cc 的样品进行了反复多次的试验， 加 4,56 的击穿电压 3-cde， 样品绝缘性能良好。机械臂采用内走线方式， 一方面保证机械臂电器系统与 1-56 高压线路隔离，另一方面提高了机械臂抗电磁干扰性能。 考虑喷涂绝缘材料的工艺要求，机械臂壳体在

8、设计中多为回转体或规则形状，并采用圆弧过渡，轻载荷部分采用非金属材料制造。机械臂壳体如图 ,， 关节 1、 4、 / 和 处电机内置， ,、 3 外置电机安装绝缘防护罩。关节连接零件设计搭接结构喷涂绝缘材料， 增大沿面爬电距离。图 !机械臂壳体构成机械臂可能接触到高压线路并需要处理的部位有 . 处， 如图 3 所示。图 机械臂可能接触到高压线路的部位两壳体结合面处设计为不同的接触面积，面积大的接触面在多出来的部分再向另一个接触面延伸一段间隙配合距离，延伸出来的结构通过内外喷涂绝缘材料即可满足缝隙处金属壳体直接接触导线。轻型机械臂设计重量问题是高压带电作业机器人实验室样机的另一个瓶颈问题， 直接

9、关系到产品化的成败。由于目前市场上广泛应用的绝缘斗臂车的举重最大为 4-5f， 经过改造最大举重为 .-5f， 如果机械臂的重量不控制在一个合理的范围内， 将无法和绝缘斗臂车匹配。!#$%&$ %(#$)( *(!+,-. 年第 / 期0总第 1/. 期2山东电力技术3/! #技术参数要求高压带电作业机器人的工作环境为非结构化环境， 采用主从操作系统控制， 所以机械臂的各项技术数不同于普通的工业机器人， 尤其是重量和运动速度， 通过多次作业试验与仿真， 设计具体参数如表 1。表 #机器人技术参数参数名称数值结构方式垂直关节型末端型式快速插接式末端载荷1/45（ 距 / 轴 ,-66 处

10、）自由度数7 个驱动方式交流伺服电动机电源电压三相 8 ,-9检测方式绝对位置码盘! 轴腰部回转: 1.-;) 轴大臂倾动 1/;， = .-;+ 轴小臂倾动 轴小臂旋转: 1?-; 轴手腕俯仰: 11/;a 轴手腕回转: 37-;! 轴腰部回转.-; 8 b) 轴大臂倾动./; 8 b+ 轴小臂倾动?-; 8 b 轴小臂旋转11,; 8 b 轴手腕俯仰c/; 8 ba 轴手腕回转17-; 8 b机械臂展开长度（ 小臂末端到大臂关节直线距离）工具重心到机械臂末端距离c-66重量11-45! $材料选择在保证刚度和强度的基础上， 为减轻重量， 机械臂大臂、 底座、 法兰采用空腔结构。不受力的盖板

11、、 密封端盖、 罩子， 采用非金属材料。机械臂其余部件采用高强度的硬铝合金。 考虑到铸造可能带来的缺陷， 所有零件全部通过机加工的方式完成。! !电机和减速器的选择在满足力矩和速度的前提下， 除 , 轴大臂俯仰关节采用中惯量电机外， 其余采用小惯量电机， 惯量不匹配的 1 轴腰部回转关节， 通过同步带齿轮减速实现惯量匹配d 做到了电机重量选择的最优化。减速器选择方面， 1、 , 轴采用 9 = e 型减速器， 省去了轴承的重量，3 轴采用重量较轻的 9 = f 型减速器， 不但省去轴承的重量， 而且便于走线， /、 7轴采用谐波减速器， 突出重量轻和精度高的要求。 整个传动设计线路短， 结构紧

12、凑， 传动单元全部特殊设计， 以求尽可能降低重量。机器人外观如图 c。图 %机器人机械臂外观图! %有限元分析本 部 分 采 用 有 限 元 软 件 g!fh ijkljm 和g!fh $jbkljm 对受力较大，可能造成破坏的部件进行有限元分析。其中包括用于强度校核的 nom6pbqb 应力、 最大主应力和最大剪切应力， 以及做了变形分析。以腕座为例具体分析如下。其中， 超硬铝 .#-c（)fc） 的材料参数如下：弹性模量： e r .h cq1-ij， 波动比： n r -h 33， 密度： ! r ,.-45 8 63， 抗拉强度： sr 7-gij， 条件屈服强度 -h ,r /- g

13、tj， 剪切强度： # r 3-gij， 伸长率 $1-r 1,u。在此分析部分中，所有的零件均采用超硬铝.#-c（)fc） 作为材料， 分析过程的载荷取了最危险工况下最大载荷的情况。负载情况：六轴总的质量 6 r ,/h 1.5，六轴部分重心相对转轴的偏距 v r c.66；11./66每轴运动范围每轴最大运动速度!#$%&$ %(#$)( *(!+,-. 年第 / 期0总第 1/. 期2山东电力技术345%工作负载 6 7 1/89，作用点到转轴的距离 : 7,-66；（1） 将所有的作用等效为一个和一个弯距;17 0, ? ! - , = , ? ! - -. 73- /$ 6（

14、,） 作用在作用点的弯矩等效力 （ 等效点到转轴的距离为 % 7 - -446）;,73- / a - -44 7 4,$（3） 偏心较小， 质量较小， 惯性力较小忽略。（） 作用在受力点的总力为： ; 7;1=;,71.- =4, 743,$计算结果：b cde 6fghg 应力，用第四强度理论进行校和。cde 6fghg 应力如图 / 所示图 !#$ %&( 应力图 )最大主应力图 / 中看出最大应力在螺栓紧固孔和方孔的边 角 处 （ 图 中 颜 色 较 深 处 ） ， 应 力 最 大 值 达4 ,.5ib， 安全系数达到 ?.， 符合设计要求。图 4 中看出最大主应力在螺栓紧固孔

15、和方孔的边角处（ 图中颜色较深处） ， 最大值达 4 3?5ib。安全系数达到 ?4， 符合设计要求。j 最大剪切应力图 * 最大剪切应力图 . 中看出最大剪切应力在螺栓紧固孔和方孔 的 边 角 处 （ 图 中 颜 色 较 深 处 ） ， 最 大 值 达3 4,5ib， 符合设计要求。全部校核情况如表 ,。本分析中所有的零件均采用超硬铝作为材料，分别求得了零件模型的 kde 5fghg 应力、最大主应力和最大剪切应力。 应力范围均在最大应力允许的范围之内， 安全系数均在 1/ 以上， 满足设计要求。+实验+, -试验内容机械臂整体绝缘试验； 带电剥导线绝缘皮； 带电接并股线夹； 带电接穿刺线夹

16、； 带电断引流线。!#$%&$ %(#$)( *(!+,-. 年第 / 期0总第 1/. 期2山东电力技术3.表 !全部校核情况表零件名称腕座小臂肘座大臂转座底座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应力位移最大值（ab）安全系数最大值（ab）安全系

17、数最大值（ab）安全系数最大值0c20下转 ,/ 页2# !实验数据（ 表 $） 和图片（ 图 % & 图 ）表 $实验数据表试品标准试验电耐受时间试验名称值（d;）压（d;）（c?=）结果绝缘机械臂7,7,3通过图 %剥导线绝缘皮图 (接并股线夹图 )接穿刺线夹图 断引流线试验证明： 高压带电作业机器人在可靠的保证人身安全的情况下， 可以很好的完成带电作业的所有任务。*性能指标012 机械臂在同等载荷下，自重!#$%&$ %(#$)( *(!+,-. 年第 / 期0总第 1/. 期2山东电力技术,/0 !2345#$%#&345#&67 上三次风动量流率68下

18、三次风动量流率6/乏气动量流率9:!拱部风折算速度9345炉膛内向下气流的最大速度9)345炉膛出口一点 （;， 炉膛出口一点 （;， ） 沿 = 向的平均速度?向下有效气流的无量纲穿透深度6)局部速度不均匀系数，6) 有效气流： 炉膛内速度不小于 -a ,9:! 的气流坐标方向说明： 本文在燃烧室和燃烬室各有一个坐标系， 具体的坐标方向如图 , 中所示。参考文献b1c车刚 a 带直流缝隙式燃烧器的 d 型火焰锅炉冷态空气动力特性的实验研究 b%c a 西安：西安交通大学，,-ab,c车刚，何立明，惠世恩等 a d 型火焰锅炉冷态模化的实验研究 b*ca 西安交通大学学报，,-，78 （ e）

19、：/ f /eab7c岑可法 a 锅炉燃烧实验研究方法及测量技术b6ca 北京：水利电力出版社，1eg.a收稿日期：,-. h 7 h 1/作者简介：车刚 （ 1e./ h ），男，工程师，从事于大型电站发电设备的系统研究和清洁燃烧技术的研究，对 d 形火焰锅炉做系统的研究工作。(1#1,) (,#,(1) (,9:!9345-0上接 7. 页2 低于 6&i&6#$ 工业机器人自重的一半， 并且符合工业机器人的所有性能标准。0,2机械臂具有良好的绝缘性能。在壳体的各零件配合处， 通过特殊的结构设计防止缝隙处直接接触线路， 采用喷涂绝缘材料的工艺， 保证了机械臂外壳的额定 1-j9 绝缘。072 机械臂具有耐低温、 高温、 太阳直射防尘、防水、 防潮的能力， 电机全部内置， 内部走线， 在温度 h ,-k f l-k，湿度