高壓帶電作業(yè)機器人自動剝皮器的研制

李 健，李端明，戚 暉，陳凡明，趙玉良

（1. 山東電力研究院，濟南 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，濟南 250101；2. 錫林郭勒魯能能源有限責(zé)任公司，錫林浩特 026000）

0 引言

高壓帶電作業(yè)是為了保證供電設(shè)備安全、可靠運行、提高電網(wǎng)經(jīng)濟運行和服務(wù)質(zhì)量的重要檢修手段[1]。帶電作業(yè)機器人主要完成作業(yè)頻率較高的帶電接線、帶電斷線等項目，而導(dǎo)線剝皮是所有高空作業(yè)項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)機器人操作的自動剝皮器，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、便于機器人夾持操作；絕緣性能優(yōu)良、安全可靠、實現(xiàn)遠程遙控；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 手動剝皮器分析與設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)

1.1 手動剝皮器特點分析

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。

1.2 手動剝皮器總結(jié)

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)。機械臂直線插補運動，驅(qū)動刀具運動，刀具與導(dǎo)線存在傾斜角度，依靠切削分力實現(xiàn)軸向進給，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 機器人剝皮器工作原理圖

2 機器人自動剝皮工作原理分析

機器人專用剝皮器主要由壓緊進刀裝置和棘輪驅(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，自動剝皮器工作原理如下：

1）導(dǎo)線夾緊動作 機械臂手爪先夾緊導(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)線水平運動并沿導(dǎo)線螺旋切除絕緣層。

3）固連約束 機械臂手爪必須與刀具固連約束（成為機架），否則刀具將在導(dǎo)線上自由運動無法工作。

4）刀刃設(shè)計 刀具切削刀刃特殊設(shè)計，有鏟削分力。

3 機器人自動剝皮工具設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

機器人專用自動剝皮器切削導(dǎo)線運動是一個復(fù)雜的過程，主要存在以下設(shè)計難點：

1）由于機械臂持重限制，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，圓周運動傳動設(shè)計是關(guān)鍵。

3）工具軸向進給力很大，機械臂需有力反饋或過載保護。

由于采用液壓驅(qū)動機械臂進行夾持操作，機械臂末端載荷較大，可由機械臂提供刀具附加軸向力。機構(gòu)原理圖如圖5所示，整個系統(tǒng)采用直流減速電機驅(qū)動、曲柄搖桿與棘輪機構(gòu)傳動組合而成。

圖5 剝皮器機械原理圖

圖6 機器人自動剝皮設(shè)計圖

機器人自動剝皮工具主要由直流減速電機、曲柄、連桿、搖桿、棘爪、棘輪、刀頭等幾部分組成，如圖6所示。直流減速電機驅(qū)動曲柄，通過連桿帶動搖桿和棘爪一起運動，棘爪撥動棘輪和刀頭完成刀具的圓周運動，雙彈簧保證棘爪在傳動位置和開口位置保持同一姿態(tài)。工具軸向進給力由機械臂提供。工具采用無線遠程遙控，嵌入式控制系統(tǒng)、控制工具正反轉(zhuǎn)，加減速?？紤]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。

剝皮器絕緣處理，采用尼龍材料質(zhì)凸輪塊和鎖緊螺母進行夾緊，機械臂夾持部分采用絕緣材料固定架[2]。

3.2 動力計算選型

工具對絕緣層的切削力矩由手動工具試驗測得：

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：

所選減速電機的輸出扭矩為7Nm，輸出轉(zhuǎn)速：43rpm[3]。

3.3 工具控制系統(tǒng)設(shè)計

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）電機驅(qū)動模塊：由于沖擊扳手電動機的過載電流能達10A，所以選用了具有H橋的SA60。SA60是一個PWM 型功率輸出芯片, 電路提供給電機的電源電壓最大可達到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、過電壓保護、防反接保護等措施。

4 機器人自動剝皮工具試驗

在國家電網(wǎng)電力機器人實驗室搭設(shè)架空導(dǎo)線，將自動剝皮器固定在液壓機械臂上，如圖8和圖9所示，現(xiàn)場模擬實現(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)

試驗證明，該機器人自動剝皮器便于機械手夾持操作、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)。

5 結(jié)論

隨著機器人逐步進入高壓帶電作業(yè)領(lǐng)域，機器人專用工具和自動工具研究成為機器人推廣應(yīng)用的重點，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)場試驗驗證，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，具有極大的實用價值和推廣價值。

[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).實用電動工具手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[3]吳宗澤.機械設(shè)計實用手冊(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)機器人進行高壓線路作業(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，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制設(shè)計和試驗研究，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)機器人；電動式自動剝皮器

李?。?977 - ），男，山東臨沂人，工程師，研究生，主要從事高壓帶電作業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真模擬及機械動態(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)機器人實用化研究