穆小星，陳 剛，郭家豪,歐陽曾愷，田正其

(1．國網(wǎng)江蘇營(yíng)銷服務(wù)中心,江蘇 南京210019； 2．國家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210019)

0 引言

電力互感器是將電網(wǎng)一次高電壓、大電流變?yōu)榈碗妷?、小電流并?shí)現(xiàn)電氣絕緣隔離的重要電氣測(cè)量設(shè)備，對(duì)電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與貿(mào)易公平結(jié)算至關(guān)重要，故被列為國家強(qiáng)制性檢定計(jì)量器具。在產(chǎn)品出廠、安裝投運(yùn)前、例行檢修期都需要檢測(cè)，以確保其可靠性、準(zhǔn)確性。隨著電力與國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，互感器需求與日俱增，檢測(cè)工作異常繁重。目前，高壓互感器檢測(cè)普遍采用原始的人工作業(yè)方式，電氣接線、試驗(yàn)操作等都通過手工方式完成。該方式操作復(fù)雜，檢測(cè)效率低，易出錯(cuò)，安全風(fēng)險(xiǎn)大，勞動(dòng)成本高；測(cè)試數(shù)據(jù)受人員、檢測(cè)條件影響大。為此，無論生產(chǎn)商或電力用戶,都在積極尋求高壓互感器自動(dòng)化檢測(cè)手段。

目前，對(duì)于低壓互感器，許多電力檢測(cè)機(jī)構(gòu)或企業(yè)都陸續(xù)建立了自動(dòng)化檢測(cè)流水線[1-2]。但對(duì)于高壓互感器，由于其體積大、品規(guī)雜、試驗(yàn)電壓高，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)存在諸多技術(shù)困難。尤其對(duì)于電氣接線自動(dòng)化，由于其品規(guī)多而雜、外形及接線端子型式千差萬別而成為自動(dòng)化檢測(cè)的難題。為此，開展高壓互感器自動(dòng)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究，研發(fā)自動(dòng)接線關(guān)鍵設(shè)備，進(jìn)行檢測(cè)流水線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而建立相應(yīng)自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)(流水線)，對(duì)緩解當(dāng)前高壓互感器檢測(cè)矛盾具有重要意義。

高壓互感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)6～35 kV互感器的自動(dòng)檢測(cè)[3]。其基本思路是借鑒低壓電流互感器檢測(cè)系統(tǒng)。兩者的工件物流輸送及檢測(cè)流程基本相同，區(qū)別主要在于試驗(yàn)裝備、工裝托盤、自動(dòng)接線方式等方面。

1 自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)工裝托盤設(shè)計(jì)

互感器工裝托盤是互感器物流承載的基本裝置。由于高壓互感器質(zhì)量重、外形差異大，不宜采用機(jī)械手或機(jī)器人搬運(yùn)，在上流水線、檢測(cè)、入庫及后續(xù)倉儲(chǔ)等各個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)托盤與互感器全程一體化，避免互感器接駁。

托盤大小應(yīng)與目前標(biāo)準(zhǔn)化輸送機(jī)、流水線標(biāo)準(zhǔn)化周轉(zhuǎn)箱尺寸相協(xié)調(diào)；托盤應(yīng)能適應(yīng)多種互感器，具有一定通用性。托盤外型尺寸參照現(xiàn)用周轉(zhuǎn)箱尺寸?；ジ衅骷捌渫斜P結(jié)構(gòu)如圖1所示。其采用POM材質(zhì)制作主框架與金屬托板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。每個(gè)托盤上可放置2只10 kV或1只35 kV互感器。

圖1 互感器及其托盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of transformer and its tray structure

托盤不僅是互感器載體，同時(shí)也是互感器檢測(cè)接線的定位裝置。為適應(yīng)不同規(guī)格互感器，托盤上設(shè)計(jì)定位“臺(tái)階”，以實(shí)現(xiàn)互感器的定位約束。可以通過不同“臺(tái)階”實(shí)現(xiàn)同類型、不同型式的互感器的定位。

2 互感器自動(dòng)接線裝置設(shè)計(jì)

互感器型式標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、流水線檢測(cè)的基本措施。為此，通過互感器型式及端子標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，最大程度統(tǒng)一互感器型式結(jié)構(gòu)。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化互感器，采用記憶式自動(dòng)定位技術(shù)，通過三維機(jī)械手模擬人工接線。該方案可提高接線效率、降低設(shè)備成本，更加適合流水線作業(yè)；而對(duì)于無法統(tǒng)一的非標(biāo)互感器，則運(yùn)用視覺定位與多維感知技術(shù)，通過智能機(jī)器人模擬人工接線，實(shí)現(xiàn)互感器檢測(cè)柔性自動(dòng)接線。

2.1 機(jī)器人自動(dòng)接線裝置設(shè)計(jì)

2.1.1 機(jī)器視覺定位系統(tǒng)

為解決非標(biāo)互感器自動(dòng)接線難題，通過開展互感器機(jī)器視覺定位技術(shù)研究，提出了一種移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人單點(diǎn)多視角機(jī)器視覺定位技術(shù)。通過對(duì)非標(biāo)互感器外觀形態(tài)、端子接觸面等進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用高壓互感器端子與器身明顯分割線及外形尺寸、互感器參數(shù)等信息，采用邊緣檢測(cè)方法，借助曲線擬合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)端子的準(zhǔn)確、高效定位。該技術(shù)可確保對(duì)各種類型高壓互感器一次端子準(zhǔn)確、快速定位，定位精度達(dá)±0.5 mm，可大大提高機(jī)器接線成功率。

視覺定位原理如圖2所示。

圖2 視覺定位原理圖Fig.2 Visual positioning principle

根據(jù)示教拍攝包含互感器特征點(diǎn)的模板圖片被保存在存儲(chǔ)器中。定位時(shí)，視覺定位組件對(duì)目標(biāo)點(diǎn)拍攝相應(yīng)部位圖片，與模板圖片匹配比較得到X和Y方向的位置初步誤差；再在X、Y、Z軸中的至少一個(gè)方向上發(fā)生位移，對(duì)互感器端子部位進(jìn)行拍照。與第一次所攝圖片進(jìn)行匹配比較，通過對(duì)應(yīng)實(shí)際距離水平和垂直方向的像素點(diǎn)數(shù)及圖像中特征點(diǎn)偏移的相對(duì)關(guān)系，用定位算法不斷調(diào)整機(jī)器人接線夾位姿偏差，補(bǔ)償由互感器位置或者外界其他不確定因素帶來的端子位置微小變化[4]。

2.1.2 接線夾具組件

針對(duì)高壓互感器一次接線端子型式、規(guī)格的多樣化，為減少接線復(fù)雜度，提出一種標(biāo)準(zhǔn)化夾具理念，設(shè)計(jì)一套系列化標(biāo)準(zhǔn)接線裝置。夾具組件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 夾具組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of fixture assembly structure

夾具組件包括夾具及夾具架[5]。一次接線夾具為獨(dú)立的接插件型式，一端為與互感器端子形狀兼容的內(nèi)含高彈性夾具觸片彈性插孔，與一次端子連接；另一端為可與香蕉插頭匹配的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試孔，與測(cè)試線插頭實(shí)現(xiàn)插拔式連接。夾具觸片具有良好的導(dǎo)電性、高彈性及抗變形能力,可避免電接觸不良產(chǎn)生的放電問題，保障檢測(cè)安全性。通過接線夾具標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，非標(biāo)互感器可實(shí)現(xiàn)高效率自動(dòng)插線。

夾具架用作接線夾具的容納裝置，固定于檢測(cè)裝置附近。結(jié)構(gòu)包括一次接線夾具放置槽、二次接線夾具放置孔，分別用于放置一、二次接線夾具，同時(shí)可以矯正夾具觸片多次使用后的變形。因一次夾具為系列化標(biāo)準(zhǔn)件，其放置槽模具形狀大小并不相同。二次接線夾具與一次接線夾具類同，因互感器二次接線螺絲尺寸相同、接線規(guī)格固定，故與測(cè)試線直接連接?？紤]到感器繞組數(shù)量，夾具架設(shè)置8個(gè)內(nèi)徑相等的圓孔，其尺寸與二次接線夾具外徑一致。

2.1.3 自動(dòng)接線機(jī)器人

自動(dòng)接線機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖4所示。其包括機(jī)械臂、氣夾和視覺定位組件。通過高精度定位識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)對(duì)互感器一次端子和二次端子的自動(dòng)接線操作[6]。

機(jī)械臂末端安裝有小巧、靈活的氣夾，以夾取不同規(guī)格的夾具。柔性機(jī)械臂在電氣自動(dòng)控制下，通過多自由度移動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同方位端子的快速接線。

視覺定位組件包括攝像頭、O形光源，實(shí)現(xiàn)對(duì)互感器端子位置的智能識(shí)別，并控制機(jī)械臂帶動(dòng)氣夾準(zhǔn)確找到插入位置，實(shí)現(xiàn)高精位接線。攝像頭安裝于機(jī)械臂末端,O形光源位于攝像頭上，為攝像頭提供恒定光線。

圖4 自動(dòng)接線機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of automatic wiring robot structure

2.2 三維機(jī)械手自動(dòng)接線裝置的設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)化互感器尺寸、端子位置被標(biāo)準(zhǔn)化。為提高效率、降低成本[7]，采用記憶式機(jī)械自動(dòng)定位技術(shù)，通過門架式三維機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接線。機(jī)械手通過精密伺服系統(tǒng)快速、高精度定位[8]。圖5為三維機(jī)械手自動(dòng)接線裝置結(jié)構(gòu)。它包括機(jī)架、門架式機(jī)械手、夾具機(jī)構(gòu)、高壓線拉伸機(jī)構(gòu)。

圖5 三維機(jī)械手自動(dòng)接線裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of three-dimensional manipulator automatic wiring device

機(jī)械手及夾具、導(dǎo)線拉伸機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖6 機(jī)械手及夾具、導(dǎo)線拉伸機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Manipulator,clamp and wire stretching mechanism

夾具機(jī)構(gòu)位于機(jī)械手下端，它包括氣缸、夾具模塊、金屬接線夾。氣缸固定于機(jī)械手移動(dòng)臂上，兩塊夾具模塊固定于氣缸兩側(cè)的活塞桿組成活動(dòng)夾具。接線夾尾部與兩塊夾具模塊內(nèi)壁凹槽配合，并在氣缸張合作用力下啟閉。

高壓線拉伸機(jī)構(gòu)包括絕緣固定板、彈性卷線盒、線夾桿等部件。彈性卷線盒內(nèi)有轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子、彈簧機(jī)構(gòu)等。線體拉伸過程中，線盒內(nèi)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，盒內(nèi)彈簧提供反向動(dòng)力，確保電線始終處于拉伸狀態(tài)。線夾桿用于平時(shí)存放高壓線夾，在完成接線機(jī)械時(shí)，將接線夾夾在線夾桿上。設(shè)置兩個(gè)卷線盒，以滿足電壓電位加電需要。

試驗(yàn)前，金屬線夾存放在線夾存放位，其尾端高壓線通過導(dǎo)線拉伸機(jī)構(gòu)連接到信號(hào)源端。試驗(yàn)時(shí)，通過機(jī)械手夾具機(jī)構(gòu)將接線夾夾至互感器端子。在移動(dòng)過程中，高壓導(dǎo)線通過拉伸機(jī)構(gòu)終保持張緊狀態(tài)，從而與機(jī)架保持一定的安全距離。

3 互感器自動(dòng)檢測(cè)流水線布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

工業(yè)流水線布局的形式根據(jù)設(shè)備布局形狀可以分為四種基本型式：①直線型布局；②U型布局；③環(huán)型布局；④蛇型布局。流水線布局基本方案如圖7所示。

圖7 流水線布局基本方案Fig.7 Basic scheme of assembly line layout

圖7中，G代表設(shè)備或放置設(shè)備的位置。前3種型式適用于多支線多單元組合流水線，最后一種型式選用單一單元，一般為小批量產(chǎn)品流水線。

U型、環(huán)型布局與直線型布局相比，工件入口和出口在同一位置，工位設(shè)備按照工序的順序緊密排列在線體的兩側(cè)或一側(cè)，布局緊湊，設(shè)備容積率低，場(chǎng)地利用率高。而直線型布局工件入口和出口往往相距較遠(yuǎn)，占線過長(zhǎng)，難以形成系統(tǒng)支線，設(shè)備巡視比較困難[9-10]。

圖8為8單元互感器流水優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用環(huán)型與蛇形組合布局。環(huán)型為獨(dú)立的檢測(cè)循環(huán)流水線單元，檢測(cè)工位為架空結(jié)構(gòu)，接線裝置采用機(jī)械手接線裝置；試驗(yàn)互感器在其下移動(dòng)，完成相應(yīng)檢測(cè)工序，在每個(gè)單元線周圍布置相應(yīng)輔助設(shè)備。傳輸流水線采用蛇型結(jié)構(gòu)，最大化利用場(chǎng)地面積并保持布局的規(guī)整、滿足物流單向進(jìn)出需求。8組檢測(cè)單元設(shè)計(jì)為2區(qū)、每區(qū)4組單元，形成高壓檢測(cè)流水線標(biāo)準(zhǔn)化方案，滿足不停產(chǎn)檢修及模塊化運(yùn)行需求。

圖8 8單元互感器流水線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案Fig.8 Optimization design scheme of 8-unit transformer testing assembly line

4 結(jié)論

本研究為滿足自動(dòng)化檢測(cè)多種方式需求，通過人工智能視覺定位技術(shù)、自動(dòng)化控制體術(shù)設(shè)計(jì)，開發(fā)了機(jī)器人與機(jī)械手自動(dòng)接線裝備，組建了互感器檢測(cè)流水線。系統(tǒng)運(yùn)行表明，高壓互感器自動(dòng)接線裝備及檢測(cè)流水線設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠，解決了高壓互感器自動(dòng)化檢測(cè)難題，提高了互感器檢測(cè)效率與可靠性，降低了檢測(cè)成本，保障了人身與設(shè)備及供電安全性。該項(xiàng)目獲得多項(xiàng)科技成果獎(jiǎng)，并成功應(yīng)用于多家電網(wǎng)企業(yè)、互感器制造企業(yè)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。