變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)仿真

曹 濤，王明瑞，孫大慶，楊 墨，王 飛

（山東電力研究院 國家電網(wǎng)電力機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250000）

0 引言

長期以來，我國變電站中大多采用人工巡檢作業(yè)方式，在高壓、超高壓以及惡劣氣象條件下，不僅對(duì)人身會(huì)照成極大的危害，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行也會(huì)帶來一定隱患。而變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)以全自主控制方式，在無人值守變電站對(duì)室外高壓設(shè)備進(jìn)行巡視，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)變電站高壓設(shè)備的熱缺陷、異物懸掛等異?，F(xiàn)象。通過巡檢機(jī)器人攜帶的各種傳感器，完成變電站設(shè)備的圖像采集、設(shè)備儀表的識(shí)別、紅外狀態(tài)檢測(cè)等，同時(shí)記錄相關(guān)設(shè)備信息，并提供異常狀態(tài)報(bào)警。完全代替了傳統(tǒng)的人工巡檢作業(yè)方式，完成變電站高壓變電設(shè)備的所有巡檢作業(yè)。

變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)系統(tǒng)是安裝、固定信息采集系統(tǒng)的支撐設(shè)備，可根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)命令，帶動(dòng)承載在云臺(tái)上方的信息采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，使信息采集系統(tǒng)中攝像機(jī)完成監(jiān)視區(qū)域的掃描。本文就變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 云臺(tái)工作原理及總體結(jié)構(gòu)

變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮巡檢機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境、云臺(tái)安裝位置、云臺(tái)使用方式、工作電壓及其負(fù)載大小，同時(shí)也要考慮與巡檢機(jī)器人外觀是否搭配等因素。

功耗上，云臺(tái)選用的功耗電機(jī)，減少巡檢機(jī)器人整機(jī)的功耗，減少對(duì)整體巡航能力的影響。云臺(tái)在控制上采用云臺(tái)控制板獨(dú)立控制水平、垂直兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。同時(shí)采用總線方式用于工控機(jī)與云臺(tái)控制板間的控制信號(hào)傳遞，同時(shí)通過水平、垂直兩個(gè)解碼器分別解出相應(yīng)控制信號(hào)，再控制云臺(tái)的水平、垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)。通過巡檢機(jī)器人控制后臺(tái)或預(yù)設(shè)命令發(fā)出數(shù)據(jù)信息，通過云臺(tái)解碼器解碼成機(jī)械的上下左右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而配合攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。完成監(jiān)視區(qū)域圖像采集工作。

變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。云臺(tái)驅(qū)動(dòng)核心是通過內(nèi)裝的兩個(gè)電動(dòng)機(jī)。一個(gè)負(fù)責(zé)水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)負(fù)責(zé)垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。水平、垂直電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器以增大驅(qū)動(dòng)扭矩并降低輸出轉(zhuǎn)速，信息采集系統(tǒng)及其附件安裝于支撐板上，同時(shí)支撐板隨云臺(tái)的垂直電機(jī)驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而完成俯仰旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。信息采集系統(tǒng)同云臺(tái)同時(shí)隨云臺(tái)的水平電機(jī)驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而完成水平旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作?？紤]變電站巡檢機(jī)器人工作環(huán)境，其供電方式是設(shè)計(jì)中必須考慮的因素，由于變電站巡檢機(jī)器人為無人職守全自動(dòng)巡檢模式，所以采用巡檢機(jī)器人承載電壓直流24V。同時(shí)水平方向的角度可做360度轉(zhuǎn)動(dòng)，垂直俯仰方向則有110度旋轉(zhuǎn)范圍。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的限位開關(guān)時(shí)，限位開關(guān)動(dòng)作切斷電源，云臺(tái)此時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，考慮到巡檢機(jī)器人云臺(tái)復(fù)雜的工作條件，如巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生顛簸等震動(dòng)現(xiàn)象，如何設(shè)計(jì)減速器使得云臺(tái)即能夠滿足水平轉(zhuǎn)速和垂直轉(zhuǎn)速要求，同時(shí)又具有較大的保持扭矩就成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

圖1 云臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2 模型設(shè)計(jì)及仿真分析

2.1 直流電機(jī)選擇

由于云臺(tái)是由水平、垂直兩部分獨(dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的，而垂直傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是主要承載機(jī)構(gòu)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要以垂直傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為主要承載機(jī)構(gòu)來設(shè)計(jì)，而水平傳動(dòng)機(jī)構(gòu)只受水平磨擦轉(zhuǎn)矩和電纜拖帶等所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩影響。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，水平方向所選用的電機(jī)功率一般為垂直方向的一半。

變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)的承重能力要求不低于10kg，信息采集系統(tǒng)質(zhì)心與云臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸的距離為0.15m，因此，云臺(tái)的保持扭矩N1要求大于15N/m。此外，云臺(tái)的俯仰角速度為≥10°/s，根據(jù)市場上主要型號(hào)的電動(dòng)機(jī)，我們擬選用轉(zhuǎn)速在4000rpm，齒輪器減速比為1：250的齒輪減速電動(dòng)機(jī)，而云臺(tái)的齒輪傳動(dòng)比為150／30，則云臺(tái)的俯仰角速度v為：

云臺(tái)的垂直驅(qū)動(dòng)扭矩N2為10N/m，根據(jù)傳動(dòng)方案大小齒輪的減速比可知，電動(dòng)機(jī)齒輪傳動(dòng)伸出端的輸出扭矩為：

則最小電機(jī)額定扭矩為：

綜上所述，該直流減速電機(jī)的額定電壓為24V，額定轉(zhuǎn)速為4000rpm，減速比分別為1：250，額定轉(zhuǎn)矩為43mN/m，額定功率為15w能夠滿足云臺(tái)在垂直方向的轉(zhuǎn)速和扭矩要求。同理在水平方向上將電動(dòng)機(jī)的齒輪器減速比調(diào)整為1：125其他尺寸不變能夠滿足水平方向上轉(zhuǎn)速和扭矩要求。

2.2 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)巡檢機(jī)器人云臺(tái)運(yùn)行特性決定其內(nèi)部空間有限，要使云臺(tái)的外型盡量小巧，所以內(nèi)部空間相對(duì)不是很大，同時(shí)在保證其傳動(dòng)特點(diǎn)采用齒輪傳動(dòng)，以機(jī)械設(shè)計(jì)原理[1]為基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)步驟為：

1）選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)：選用直齒圓柱齒輪7級(jí)精度，材料為45鋼，并調(diào)質(zhì)及表面淬火硬度40～50HRC，小齒輪齒數(shù)為23，大齒輪為23×6.5=150。

2）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)：確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值，如大齒輪分度圓直徑、圓周速度、齒寬、載荷系數(shù)，同時(shí)最終確定其模數(shù)。經(jīng)計(jì)算可得其模數(shù)為1。

3）校核齒根彎曲強(qiáng)度：確定大、小齒輪的彎曲疲勞壽命、彎曲疲勞強(qiáng)度極限系數(shù)等，并計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力和載荷系數(shù)等，同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)中的計(jì)算公式，驗(yàn)證可知所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 三維實(shí)體建模

由于巡檢機(jī)器人云臺(tái)對(duì)保持力矩、減速結(jié)構(gòu)等提出較高的要求，本文建立了基于ADAMS軟件的云臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)所設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人云臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。在設(shè)計(jì)之初，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)巡檢機(jī)器人云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、動(dòng)力性能、載荷及應(yīng)力屬性等進(jìn)行分析，可較大程度提高巡檢機(jī)器人云臺(tái)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。對(duì)巡檢機(jī)器人云臺(tái)做動(dòng)力學(xué)分析，需要獲取云臺(tái)各個(gè)零部件的屬性，如質(zhì)量參數(shù)、慣性參數(shù)、質(zhì)心坐標(biāo)等參數(shù)。然而三維實(shí)體建模并不是ADAMS的強(qiáng)項(xiàng)，故筆者選用在Solid Works軟件下建立所有云臺(tái)的零部件模型，同時(shí)完成巡檢機(jī)器人云臺(tái)虛擬樣機(jī)的裝配工作如圖2所示，為直觀觀察云臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)，圖2中已添加信息采集系統(tǒng)。

圖2 云臺(tái)虛擬樣機(jī)裝配圖

2.4 動(dòng)力學(xué)仿真分析

利用ADAMS/View自定義仿真輸出量，同時(shí)利用這一模塊提供的樣機(jī)模型自檢工具，針對(duì)云臺(tái)模型進(jìn)行自檢，同時(shí)設(shè)置仿真分析控制參數(shù)，最后設(shè)置虛擬樣機(jī)相關(guān)參數(shù)以及輸入載荷進(jìn)行仿真分析.如果要進(jìn)行振動(dòng)分析，需加載 ADAMS/Vibration模塊。

本文中，筆者將所建模型以*.x_t格式導(dǎo)入ADAMS軟件中，在模型上添加約束、力/力矩和運(yùn)動(dòng)參數(shù)；云臺(tái)減速齒輪材料為45鋼，其泊松比為μ=0.29，E=2.07×105 N/mm2，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min；云臺(tái)支撐板及兩側(cè)支撐材料選用LY12，其泊松比μ=0.33，E=7.24×104N/mm2。添加云臺(tái)垂直方向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為12°/s、水平方向轉(zhuǎn)速為12°/s 。

給定上述輸入條件后，應(yīng)用step函數(shù)設(shè)定云臺(tái)由勻速轉(zhuǎn)動(dòng)到靜止的制動(dòng)時(shí)間為0.1s 。根據(jù)軟件分析得其仿真結(jié)果。云臺(tái)載荷的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。其中由水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直俯仰運(yùn)動(dòng)疊加而成。云臺(tái)齒輪切向力最大值為1000N ，為垂直擺角位置，證明在該位置由于云臺(tái)急停而產(chǎn)生了加大的沖擊載荷，如圖4所示。云臺(tái)的垂直俯仰驅(qū)動(dòng)扭矩，如圖5所示。其驅(qū)動(dòng)扭矩為14N/m，根據(jù)前文分析可知，云臺(tái)的保持扭矩為15N/m，電機(jī)減速器輸出端額定扭矩為65mN/m進(jìn)而驗(yàn)證選的電機(jī)能夠滿足云臺(tái)系統(tǒng)性能要求。

圖3 載荷運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4 齒輪切向力

圖5 云臺(tái)垂直驅(qū)動(dòng)扭矩

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了適用于變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使此結(jié)構(gòu)能夠滿足垂直俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)和水平轉(zhuǎn)動(dòng)性能要求，同時(shí)對(duì)云臺(tái)零部件模型利用三維模擬建模，直觀了解設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)，并采用ADAMS軟件對(duì)云臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠滿足變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)系統(tǒng)的需求，為云臺(tái)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)。

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