GIS智能拆裝平臺系統(tǒng)的設(shè)計

● 國網(wǎng)浙江省電力有限公司 林 磊 徐 華 錢 平 浙江·國網(wǎng)紹興供電公司 李國光

湖南長高電氣有限公司 張建成

1 技術(shù)背景

1.1 傳統(tǒng)作業(yè)方式的不足

隨著電網(wǎng)往高電壓、大容量、集約化等方向發(fā)展，GIS組合電器設(shè)備正越來越被各級電網(wǎng)使用，近幾年的各類設(shè)備故障中，GIS故障占比最高，因此其安裝與檢修的工作量也越來越大，但目前傳統(tǒng)作業(yè)方式存在以下問題。

（1）現(xiàn)有條件拆裝作業(yè)可行性差。現(xiàn)有的GIS變電站開關(guān)室內(nèi)絕大多數(shù)內(nèi)一般無法使用吊機作業(yè)，同時大多數(shù)沒有配置電動行車，只在屋頂預(yù)安裝了吊環(huán)，由于吊環(huán)位置無法移動，使得其適用性大打折扣。此外當局部停電作業(yè)，附近存在帶電物體時，吊機的使用也會受到很大限制。

（2）非標準化作業(yè)存在安全隱患。目前GIS設(shè)備安裝中人力、物資等臨時性問題較多，人員缺乏專業(yè)培訓，設(shè)備缺乏質(zhì)量監(jiān)控，導致在GIS安裝作業(yè)過程中存在安全隱患。

（3）GIS設(shè)備安裝質(zhì)量仍有提升空間。特別是在GIS氣室接觸面對位時，工件被吊至大致位置，然后利用人力以及吊索的柔性精確調(diào)整位置，在此過程中受吊索的自然晃動影響，對位的可靠性和準確性時有不足，存在質(zhì)量隱患風險。

（4）作業(yè)勞動力密集程度高，不符合生產(chǎn)力進步方向。目前GIS拆裝作業(yè)，要求多人多日工作，且勞動強度較大，但隨著社會進步及生產(chǎn)力發(fā)展，勞動力成本將會不斷提升，勢必要求向技術(shù)密集型的智能化裝配方向轉(zhuǎn)變。

1.2 相關(guān)研究現(xiàn)狀

目前針對GIS設(shè)備智能拆裝柔性裝配系統(tǒng)國內(nèi)還處于空白階段，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的機器人都屬于第一代工業(yè)機器人，它的基本工作原理是示教再現(xiàn)。示教也稱導引，即由用戶導引機器人，一步步按實際任務(wù)操作一遍，機器人在導引過程中自動記憶示教的每個動作的位置、姿態(tài)、運動參數(shù)、工藝參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序。完成示教后，只需給機器人一個啟動命令，機器人將精確地按示教動作，一步步完成全部操作 。使用工業(yè)機器人的好處有：減少勞動力費用，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率，增加生產(chǎn)柔性，減少危險崗位對人的危害等。

2 GIS智能拆裝平臺系統(tǒng)設(shè)計與分析

2.1 機器人系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)已有的實地調(diào)研數(shù)據(jù)，典型變電站GIS設(shè)備220kV分支母線筒體直徑290～400mm，筒體中心高2500～3500mm；設(shè)備安放區(qū)域周圍為碎石路面，通道及設(shè)備基礎(chǔ)為水泥路面。

根據(jù)以上現(xiàn)場條件提出如下技術(shù)要求：

（1）靈活性要求?？紤]機械臂的工作狀態(tài)，在履帶車靜止不動時，只需要調(diào)節(jié)機械臂，使抓持GIS分支母線到達目標位置，需要完成機械臂能夠穩(wěn)定地完成舉升、回轉(zhuǎn)、平移等動作，要求機械臂靈活性能好，其主要表現(xiàn)在機器人的關(guān)節(jié)活動速度和關(guān)節(jié)活動范圍。

（2）額定載荷要求。采用典型5m長分支母線的結(jié)構(gòu)組成，參考各部件的材質(zhì)及重量，合計重量為295.54kg，因此要求夾具的負載應(yīng)不低于300kg。

最大設(shè)計應(yīng)能夾取的分支母線重量為300kg，夾具質(zhì)量為165kg，因此機器人額定載荷大于465kg。

（3）機器人質(zhì)量要求。同時移動機械臂是機械臂搭載在履帶車上，履帶運輸車負載限制為4000kg，且GIS分支母線的質(zhì)量為300kg，夾具質(zhì)量為165kg，控制柜及其他附件合計一般不超過100kg，這就要求機器人質(zhì)量不超過3435kg。

（4）最大舉升高度要求。以廣泛調(diào)研的變電站GIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，筒體中心最高3.5m，因此要求最大舉升高度至少也為 3.5m。

（5）機械臂類型要求。機械臂外形結(jié)構(gòu)和坐標形式有多種，一般是綜合考慮工作空間大小、結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制設(shè)計難易程度、操作靈活度等實際工程需要來選擇的。由于站內(nèi)情況復雜，GIS間隔間可能沒有開闊的空間，因此需要較高的靈活性，因此需選用關(guān)節(jié)型機器人而非單臂性機器人。

（6）機器人控制器的通訊協(xié)議開放，并為用戶提供接口模塊，方便用戶的二次開發(fā)。

GIS智能拆裝平臺系統(tǒng)主要由夾具、機械臂、計算機、工業(yè)相機、機器人控制柜、履帶運輸車等組成。

2.2 智能機器人選型分析

依據(jù)以上機器人技術(shù)指標分析，選擇KR600機器人。機器人由固定座、轉(zhuǎn)動座、下機械臂、上機械臂、萬向頭和專用夾具組成。每個部位的轉(zhuǎn)動通過控制伺服電機實現(xiàn)，機器人配有示教器，用于機器人的手動操作。

2.3 自動夾具設(shè)計

為了避免分支母線外殼發(fā)生塑性變形，設(shè)計夾具時，主要靠V型面托起分支母線。設(shè)置有4個動夾爪，保證夾具能夠可靠夾緊分支母線，每個動夾爪上都設(shè)有傳感器，保障作用力均衡分布。

GIS自動夾具用于夾取GIS分支母線，根據(jù)實際工況提出以下設(shè)計指標：

（1）應(yīng)能夾取不同直徑規(guī)格的分支母線?？紤]220kV電壓等級分支母線，根據(jù)調(diào)研，各廠家分支母線外徑規(guī)格在290～400mm，為充分考慮特殊情況，要求最大能夾取外徑為420mm的GIS工件。

（2）應(yīng)能夾取不同長度的分支母線。同樣考慮220kV電壓等級分支母線，長度一般在2～5m。對于長度較短的分支母線要求夾爪間的水平間隔不超過2m。

對于長度較長的分支母線主要考慮其重量，典型5m長分支母線各部件的材質(zhì)及重量計算結(jié)果見表1，合計重量為295.54kg，因此要求夾具的負載應(yīng)不低于300kg。

表1 分支母線各部件重量計算結(jié)果

（3）不應(yīng)損壞分支母線外殼。一方面要保障各夾爪受力均衡，不會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中；另一方面在各夾爪受力平衡的情況下，對GIS工件外殼的壓強不應(yīng)超過外殼材質(zhì)的屈服強度，GIS分支母線外殼一般采用6005-H112、5052-H112或者5A05-H112的鋁合金材質(zhì)，壁厚大部分采用6mm，也有采用8mm的，其中5052鋁合金屈服強度最低為70Mpa，即要求夾具受力面最大應(yīng)力不超過70Mpa。

（4）夾具自身不應(yīng)損壞。即在最惡劣工況下，夾具各部分收到的最大應(yīng)力不超過材料自身的屈服強度。

（5）為防止失電導致夾具所夾持的GIS工件突然掉落，導致人員或財產(chǎn)安全風險，因此要求具備失電自保持功能。

自動夾具的設(shè)計圖如圖1所示。

圖2 自動夾具設(shè)計圖

2.4 履帶運輸車設(shè)計

根據(jù)GIS智能拆裝平臺系統(tǒng)的現(xiàn)場工況，對履帶運輸車提出以下設(shè)計要求：能平穩(wěn)支撐GIS智能拆裝機器人；減少智能輔助平臺對路面的損傷；采用合適的動力源。

根據(jù)以上要求，設(shè)計的履帶運輸車指標如下：

履帶運輸車設(shè)計尺寸為3500×1500×750mm（長×寬×高），帶可伸縮式支腿，采用T型螺紋，手動調(diào)節(jié)履帶運輸車的水平，4個支腿伸展后的最大尺寸2250×3500mm，有效保證GIS拆裝智能輔助平臺在工作時不會傾覆。

履帶運輸車的履帶采用鋼制履帶 （寬度350mm），并在鋼制履帶上掛膠，既減少智能輔助平臺對路面的損傷，也方便橡膠塊損壞時更換。

履帶運輸車采用電池作為動力源 （或者采用柴油機或汽油機），履帶運輸車獨立操作，不與機器人操作混合。

3 結(jié)論

綜合以上分析，根據(jù)變電站GIS智能拆裝平臺系統(tǒng)的現(xiàn)場工況，設(shè)計的機器人額定載荷大于465kg，機器人質(zhì)量不超過3435kg，最大舉升高度至少為3500mm。夾具的負載應(yīng)不低于300kg，夾具受力面最大應(yīng)力不超過70Mpa。選用KR600機器人滿足現(xiàn)場要求。履帶運輸車的設(shè)計尺寸為 3500×1500×750mm（長×寬×高），采用鋼制履帶（寬度350mm）。通過對GIS智能拆裝平臺系統(tǒng)設(shè)計與分析，可以提高GIS拆裝作業(yè)的安全性和可靠性。