李 健,李端明,戚 暉,陳凡明,趙玉良
(1. 山東電力研究院,濟(jì)南 250101;2. 錫林郭勒魯能能源有限責(zé)任公司,錫林浩特 026000)
高壓帶電作業(yè)機(jī)器人自動剝皮器的研制
李 健1,李端明2,戚 暉1,陳凡明1,趙玉良1
(1. 山東電力研究院,濟(jì)南 250101;2. 錫林郭勒魯能能源有限責(zé)任公司,錫林浩特 026000)
高壓帶電作業(yè)是為了保證供電設(shè)備安全、可靠運(yùn)行、提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和服務(wù)質(zhì)量的重要檢修手段[1]。帶電作業(yè)機(jī)器人主要完成作業(yè)頻率較高的帶電接線、帶電斷線等項(xiàng)目,而導(dǎo)線剝皮是所有高空作業(yè)項(xiàng)目中必不可缺少的一步?,F(xiàn)有高壓帶電作業(yè)所用剝皮器大都是手動操作,絕緣防護(hù)差、效率低,而且操作者作業(yè)存在極大的不安全因素,如圖1所示。因此,本文研究適合高壓帶電作業(yè)機(jī)器人操作的自動剝皮器,要求結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、便于機(jī)器人夾持操作;絕緣性能優(yōu)良、安全可靠、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控;作業(yè)效率大大提高、完全替代人工手動剝皮作業(yè)。
圖1 手動剝皮器
1)操作人員手動壓刀,刀具刺入導(dǎo)線絕緣層。
2)刀具螺旋切削,操作人員雙手旋轉(zhuǎn)形成力偶M(也可由棘輪或齒輪機(jī)構(gòu)形成),并沿軸向推動刀具F(刀具可與導(dǎo)線夾角形成軸向分力),如圖2所示。
圖2 自由導(dǎo)線受力分析圖
3)操作人員停止軸向進(jìn)給,刀具環(huán)切導(dǎo)線,自動斷屑。刀具截面為月牙型,三面有刃,中間排屑,防止切屑與導(dǎo)線纏繞。
4)操作人員松開刀具,將剝皮器取下。
采用棘輪傳動式手動剝皮器,如圖3所示,雙彈簧保證棘爪在傳動位置和開口位置保持同一姿態(tài)。機(jī)械臂直線插補(bǔ)運(yùn)動,驅(qū)動刀具運(yùn)動,刀具與導(dǎo)線存在傾斜角度,依靠切削分力實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給,使用凡士林、黃油等潤滑脂可使切削輕快。通過多次棘輪傳動式剝皮器試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),工藝設(shè)計、加工精度等問題可能造成切削過程不太可靠,同時效率較低。
圖3 棘輪傳動式剝皮器
圖4 機(jī)器人剝皮器工作原理圖
機(jī)器人專用剝皮器主要由壓緊進(jìn)刀裝置和棘輪驅(qū)動裝置兩部分構(gòu)成,如圖4所示,結(jié)合架空導(dǎo)線作業(yè)特點(diǎn),自動剝皮器工作原理如下:
1)導(dǎo)線夾緊動作 機(jī)械臂手爪先夾緊導(dǎo)線,起支撐固定導(dǎo)線作用,否則導(dǎo)線在切削力的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,無法進(jìn)行切削。
2)刀具動作 操作人員要先把導(dǎo)線壓緊、固定在刀具V型槽內(nèi),調(diào)節(jié)擰緊鎖緊螺栓,注意導(dǎo)線中心與刀具回轉(zhuǎn)中心盡量保持重合,然后進(jìn)行壓刀,控制刀具切入絕緣層的深度,當(dāng)導(dǎo)線裸露時為切進(jìn)深度適宜;調(diào)整刀具傾斜角度,使刀具向?qū)Ь€徑心移動,同時還應(yīng)便于刀具切削分力帶動剝皮器沿導(dǎo)線水平運(yùn)動并沿導(dǎo)線螺旋切除絕緣層。
3)固連約束 機(jī)械臂手爪必須與刀具固連約束(成為機(jī)架),否則刀具將在導(dǎo)線上自由運(yùn)動無法工作。
4)刀刃設(shè)計 刀具切削刀刃特殊設(shè)計,有鏟削分力。
機(jī)器人專用自動剝皮器切削導(dǎo)線運(yùn)動是一個復(fù)雜的過程,主要存在以下設(shè)計難點(diǎn):
1)由于機(jī)械臂持重限制,工具的重量、尺寸有嚴(yán)格限制,工具結(jié)構(gòu)簡單可靠。
2)由于工具需有開口,圓周運(yùn)動傳動設(shè)計是關(guān)鍵。
3)工具軸向進(jìn)給力很大,機(jī)械臂需有力反饋或過載保護(hù)。
由于采用液壓驅(qū)動機(jī)械臂進(jìn)行夾持操作,機(jī)械臂末端載荷較大,可由機(jī)械臂提供刀具附加軸向力。機(jī)構(gòu)原理圖如圖5所示,整個系統(tǒng)采用直流減速電機(jī)驅(qū)動、曲柄搖桿與棘輪機(jī)構(gòu)傳動組合而成。
圖5 剝皮器機(jī)械原理圖
圖6 機(jī)器人自動剝皮設(shè)計圖
機(jī)器人自動剝皮工具主要由直流減速電機(jī)、曲柄、連桿、搖桿、棘爪、棘輪、刀頭等幾部分組成,如圖6所示。直流減速電機(jī)驅(qū)動曲柄,通過連桿帶動搖桿和棘爪一起運(yùn)動,棘爪撥動棘輪和刀頭完成刀具的圓周運(yùn)動,雙彈簧保證棘爪在傳動位置和開口位置保持同一姿態(tài)。工具軸向進(jìn)給力由機(jī)械臂提供。工具采用無線遠(yuǎn)程遙控,嵌入式控制系統(tǒng)、控制工具正反轉(zhuǎn),加減速。考慮工具瞬時過載,對電源要求較高,采用12v電動扳手專用充電電池,電路設(shè)計反接、過流保護(hù)。
剝皮器絕緣處理,采用尼龍材料質(zhì)凸輪塊和鎖緊螺母進(jìn)行夾緊,機(jī)械臂夾持部分采用絕緣材料固定架[2]。
工具對絕緣層的切削力矩由手動工具試驗(yàn)測得:
其中:F拉測得為5千克力,手動工具受力半徑L=0.3m,則
自動工具驅(qū)動力矩計算如下:
所選減速電機(jī)的輸出扭矩為7Nm,輸出轉(zhuǎn)速:43rpm[3]。
圖7 硬件控制系統(tǒng)圖
控制系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖7所示,主要由以下幾個模塊構(gòu)成:
1)控制系統(tǒng)模塊:控制系統(tǒng)MCU采用8位嵌入式控制芯片ATmega128,處理控制信號和PWM波。
2)電機(jī)驅(qū)動模塊:由于沖擊扳手電動機(jī)的過載電流能達(dá)10A,所以選用了具有H橋的SA60。SA60是一個PWM 型功率輸出芯片, 電路提供給電機(jī)的電源電壓最大可達(dá)到80V , 能連續(xù)向負(fù)載提供10A 的電流。
3)無線發(fā)射接收模塊:發(fā)射距離300~500米。
為了實(shí)現(xiàn)電路的可靠性,在電路上采取了防電磁干擾、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、防反接保護(hù)等措施。
在國家電網(wǎng)電力機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室搭設(shè)架空導(dǎo)線,將自動剝皮器固定在液壓機(jī)械臂上,如圖8和圖9所示,現(xiàn)場模擬實(shí)現(xiàn)自動剝皮功能。
圖8 自動剝皮器右側(cè)面圖
圖9 自動剝皮器左側(cè)面圖
表1 自動剝皮器工具技術(shù)性能參數(shù)
試驗(yàn)證明,該機(jī)器人自動剝皮器便于機(jī)械手夾持操作、壓線牢固可靠,能夠?qū)崿F(xiàn)自動剝皮功能,剝皮速度遙控可調(diào),剝皮效果良好,完全符合高壓帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)要求。表1為自動剝皮器工具技術(shù)性能參數(shù)。
隨著機(jī)器人逐步進(jìn)入高壓帶電作業(yè)領(lǐng)域,機(jī)器人專用工具和自動工具研究成為機(jī)器人推廣應(yīng)用的重點(diǎn),并逐漸替代手動操作,提高作業(yè)效率和操作安全性,減輕作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。通過專家評審,一致認(rèn)可該自動剝皮器設(shè)計方案,同時現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證,該剝皮器使用簡單、安全可靠、效率高,適合高壓線路作業(yè)的特點(diǎn),具有極大的實(shí)用價值和推廣價值。
[1]上海市電力公司組.10kV架空配電線路帶電作業(yè)指導(dǎo)書[M].北京:中國電力出版社,2007.
[2]李邦協(xié).實(shí)用電動工具手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.
[3]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計實(shí)用手冊(第二版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.
Research on auto-peeling device for high-voltage live working robot
LI Jian1, LI Duan-ming2, QI Hui1, CHEN Fan-ming1, ZHAO Yu-liang1
使用帶電作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行高壓線路作業(yè)不但可以提高配電可靠性、保證帶電作業(yè)人員的人身安全,而且能夠大大降低作業(yè)的勞動強(qiáng)度,提高帶電作業(yè)的自動化水平。架空導(dǎo)線長期裸露在外面,受外界惡劣環(huán)境的影響,外層絕緣層很難被剝除,這給高壓帶電作業(yè)帶來很大困難,也增加了作業(yè)不安全因素。本文總結(jié)手動剝皮器經(jīng)驗(yàn),通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制設(shè)計和試驗(yàn)研究,研制出使用簡單、安全可靠,適合高壓作業(yè)的自動剝皮器。
高壓作業(yè);帶電作業(yè)機(jī)器人;電動式自動剝皮器
李健(1977 - ),男,山東臨沂人,工程師,研究生,主要從事高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真模擬及機(jī)械動態(tài)特性分析等方面的研究。
TP242
B
1009-0134(2011)4(上)-0111-03
10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).35
2010-11-03
山西長治10kV帶電作業(yè)機(jī)器人實(shí)用化研究