一種六氟化硫檢測機械臂的設(shè)計與分析

陳梁遠，郭麗娟，唐 彬，張玉波

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，南寧 530000)

高壓斷路器是高壓電網(wǎng)的重要組成部分之一，其主要作用是切斷和接通高壓電路中的電流，吹滅開關(guān)電弧及降溫，保證電網(wǎng)安全運行。六氟化硫(即SF6)是一種無味無色無毒的惰性氣體，具有優(yōu)異的冷卻電弧特性，其絕緣特性遠超傳統(tǒng)的油、空氣絕緣介質(zhì)。以SF6氣體作為滅弧介質(zhì)的高壓斷路器開斷能力強、體積小，電氣壽命長，逐漸取代了傳統(tǒng)的油斷路器和壓縮空氣斷路器，在110kV以上的斷路器設(shè)備中占據(jù)主流地位[1-2]。SF6斷路器本身也存在一定的缺點，在斷路器開斷電弧放電時，SF6會分解形成一定的有毒低氟化物，對絕緣材料和金屬產(chǎn)生腐蝕作用，導(dǎo)致斷路器密封性能下降，氣壓降低，含氧水量上升，嚴(yán)重影響斷路器開斷和滅弧性能，增加高壓電網(wǎng)的安全風(fēng)險。因此為保證SF6斷路器長期安全有效運行，特別需要對斷路器進行定期檢測[3]。目前變電站中對SF6斷路器密封處的檢測多采用人工檢測的方式，在斷電后的待測斷路器周圍搭設(shè)腳手架，檢測工人貼近斷路器使用檢漏儀或肥皂泡法對SF6斷路器進行檢測；此人工檢測方式存在檢測周期長、效率低、檢測準(zhǔn)確度低等問題；同時斷路器中泄漏的有毒氣體也對工人有潛在的毒性傷害。因此研制代替人工檢測作業(yè)的SF6斷路器帶電檢測機器人對高壓電網(wǎng)的安全運行有重要意義。

檢測機械臂是SF6斷路器檢測機器人對斷路器檢測的關(guān)鍵執(zhí)行機構(gòu)，工作空間和檢測軌跡是影響其構(gòu)型和設(shè)計的重要因素。本文通過基于隨機概率的蒙特卡洛法[4-5]構(gòu)建檢測機械臂的工作空間，對檢測機械臂構(gòu)型進行分析和篩選；通過五次多項式插值法[6-7]對任務(wù)檢測曲線進行軌跡規(guī)劃，既能保證機器臂末端軌跡的速度與加速度曲線連續(xù)，又能避免產(chǎn)生過大的振動。最后根據(jù)設(shè)計仿真結(jié)果完成檢測機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計和組裝，在現(xiàn)場實驗中驗證檢測機械臂對SF6斷路器的檢測性能。

1 SF6泄漏檢測機械臂構(gòu)型分析

圖1為220kV變電站SF6斷路器工作環(huán)境。通過圖1可以看出，在220kV變電站中的SF6斷路器工作區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，工作空間狹小，環(huán)境約束眾多，因此需要在實際工作環(huán)境和檢測流程的約束下針對性地對檢測機器人進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。220kV變電站所采用的SF6斷路器一般通過絕緣子瓷瓶放置于3m的水泥安裝架上，斷路器安裝高度為7m。相鄰的斷路器之間距離為4m，同時為防止在高電壓下設(shè)備產(chǎn)生相間放電，斷路器間存在導(dǎo)電體的最小安全距離為2.5m。

圖1 220kV變電站SF6斷路器工作環(huán)境

通過對待檢目標(biāo)SF6斷路器分析，斷路器SF6泄漏點即檢測機器人的目標(biāo)檢測點，主要存在于法蘭連接位置、斷路器罐體焊縫位置及法蘭連接螺栓處。檢測目標(biāo)區(qū)域為沿地面垂直的中空圓柱形區(qū)域，如圖2所示。

圖2 SF6斷路器氣體泄漏檢測目標(biāo)區(qū)域

針對SF6斷路器的檢測環(huán)境和檢測目標(biāo)所提出檢測機器人方案由移動平臺、絕緣升降梯和檢測機械臂三個部分組成，如圖3所示。

圖3 SF6斷路器氣體泄漏檢測機器人設(shè)計方案

檢測機械臂通過移動平臺和絕緣升降梯移動至待檢斷路器附近，其末端攜帶SF6檢漏儀吸氣管沿斷路器目標(biāo)檢測點進行檢測。檢測機械臂是檢測機器人方案中的關(guān)鍵機構(gòu)，在滿足對SF6斷路器檢測工作空間的基礎(chǔ)上，要求輕量化和結(jié)構(gòu)緊湊化設(shè)計。

綜上所述，本文提出四種檢測機械臂的機構(gòu)構(gòu)型[8-11]，如圖4所示，以檢測機械臂基座與被測斷路器中心距離700mm、待測斷路器罐體圓截面的直徑400mm為約束條件進行尺寸綜合。

圖4 SF6氣體泄漏檢測機器人檢測機械臂構(gòu)型

本文采用幾何法對SF6斷路器檢測機器人的檢測機械臂進行尺寸綜合，如圖5所示。

圖5 SF6氣體泄漏檢測機器人檢測機械臂尺寸綜合

通過圖5中尺寸分析可知，當(dāng)檢測機器人的升降云梯將檢測機械臂升到固定高度的位置時，檢測機械臂構(gòu)型二和構(gòu)型四無法完成對斷路器平面內(nèi)一個圓周的檢測流程，因此選擇構(gòu)型一和構(gòu)型三作為檢測機械臂的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。通過計算，可得到檢測機械臂的尺寸參數(shù)，第一節(jié)機械臂連桿長度為792mm，第二節(jié)機械臂連桿長度為730mm，機械臂末端檢漏儀吸氣管偏置距離為200mm。

2 檢測機械臂運動學(xué)分析

2.1 檢測機械臂運動學(xué)建模

機械臂末端工作空間代表機器人機械臂的活動范圍，是機器人運動靈活性的重要指標(biāo)。運動學(xué)建模是檢測機械臂末端執(zhí)行器(即SF6檢測設(shè)備)位置和姿態(tài)與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系，是機械臂工作空間的研究基礎(chǔ)。SF6斷路器檢測機械臂末端的運動范圍需要覆蓋檢測機械臂前方斷路器罐體所在的一個圓柱形區(qū)域。

SF6斷路器檢測機械臂的兩個構(gòu)型均由三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，存在三個自由度。根據(jù)檢測流程，檢測機械臂的作業(yè)目標(biāo)在檢測機器人正前方，如表1所示，建立三個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度約束。按照D-H參數(shù)法在檢測機械臂上建立關(guān)節(jié)坐標(biāo)系[4]，如圖4中構(gòu)型一和構(gòu)型三所展示的坐標(biāo)系。

表1 檢測機械臂各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍

工具坐標(biāo)系建立在檢測儀器末端，建立構(gòu)型一和構(gòu)型三的D-H參數(shù)，如表2、表3所示。其中α1，i-1、a1， i-1、d1，i、θ1，i為構(gòu)型1的關(guān)節(jié)i的關(guān)節(jié)D-H參數(shù)[8]，α3，i-1、a3，i-1、d3，i、θ3，i為構(gòu)型3的關(guān)節(jié)i的關(guān)節(jié)D-H參數(shù)[8]。

表2 構(gòu)型一連桿D-H參數(shù)表

表3 構(gòu)型三連桿D-H參數(shù)表

通過已知的兩個構(gòu)型的D-H參數(shù)建立檢測機械臂的正運動學(xué)變換矩陣，即已知各關(guān)節(jié)角度求解末端執(zhí)行器工具點相對于機械臂基坐標(biāo)系的位置關(guān)系。式(1)和式(2)為構(gòu)型一的檢測機械臂正運動學(xué)變換矩陣。

(1)

(2)

式(3)和式(4)為構(gòu)型三的檢測機械臂正運動學(xué)變換矩陣。

(3)

(4)

P為末端檢測儀器端點相對檢測機械臂底座中心坐標(biāo)的位置向量。

2.2 機械臂的工作空間分析

用蒙特卡洛法對兩種構(gòu)型檢測機械臂的工作空間進行計算，可得到該檢測機械臂的工作空間形狀如圖6所示[12-14]。

從圖6b的工作空間中可以看出，構(gòu)型三的工作空間不能將目標(biāo)位置的SF6斷路器包容在內(nèi)。與構(gòu)型三相比，構(gòu)型一工作空間無空腔，范圍大，很好的包圍了目標(biāo)范圍。因此最終選擇構(gòu)型一作為SF6斷路器檢測機械臂的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。

圖6 檢測機械臂工作空間

3 軌跡規(guī)劃與仿真

在對SF6斷路器檢測過程中，檢測機械臂末端貼近斷路器罐體后沿一側(cè)繞罐體進行檢測，檢測到最遠點后返回初始點，繼續(xù)沿另一側(cè)進行檢測，實現(xiàn)對斷路器整體圓周的檢測流程。針對檢測機械臂的檢測過程，規(guī)劃和仿真檢測機械臂對斷路器進行檢測時的檢測軌跡，以保證機械臂末端能夠以20mm/s的速度穩(wěn)定沿斷路器進行檢測。

考慮到機械臂的實際運動路線，同時目標(biāo)220kV SF6斷路器位于距離檢測機械臂關(guān)節(jié)1軸向700mm、半徑200mm的圓形區(qū)域，因此規(guī)劃檢測機械臂的檢測軌跡為沿檢測機械臂關(guān)節(jié)1與斷路器罐體中軸線向斷路器移動，貼近斷路器后沿斷路器圓形區(qū)域半圓形軌跡移動，以檢測機械臂在檢測軌跡中速度穩(wěn)定平穩(wěn)為目標(biāo)。設(shè)定在檢測工作平面內(nèi)，機械臂末端檢測工具點在啟動時以一個穩(wěn)定的加速度進行加速，當(dāng)末端檢測工具點達到20mm/s后，沿斷路器罐體進行檢測，到達終點時以同樣的加速度進行減速運動，在終點處停止運動。末端速度變化如圖7所示。通過檢測機械臂逆運動學(xué)方程將運動軌跡路徑點轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)角度值，然后分別對每一個關(guān)節(jié)變量映射成一個五次多項式插值[15-16]光滑時間函數(shù)，使之從起始點開始，一次通過所有路徑點，最后達到目標(biāo)點。

圖7 SF6檢測管工具末端速度曲線

檢測機械臂為三自由度機械臂，則末端點的位置向量可設(shè)為

(5)

(6)

通過式(1)、式(5)和式(6)可解出構(gòu)型一的檢測機械臂運動學(xué)逆解。

θ12=θ11+θ12-θ11

(7)

式中：

k1=px2+py2+a1T2cosθ13+d132-a112+

2pxa1Tcosθ13+2pyd13

k2=-4pya1Tcosθ13-4pxd13

k3=px2+py2+a1T2cosθ13+d132-a112-

2pxa1Tcosθ13-2pyd13

通過五次多項式插值仿真，可以得到機械臂從圓弧一側(cè)端點移動到另一側(cè)端點中各個關(guān)節(jié)角速度、角加速度與時間關(guān)系，如圖8所示。通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在保持末端工具點速度穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動穩(wěn)定，角速度變化平穩(wěn)，無突變，角加速度在檢測時間段保持穩(wěn)定，無沖擊，證明在檢測軌跡中檢測機械臂運行穩(wěn)定。

圖8 各關(guān)節(jié)角速度與角加速度隨時間變化趨勢

4 實驗

根據(jù)檢測機械臂的仿真結(jié)果，采用構(gòu)型一作為檢測機械臂的構(gòu)型并完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。所研制的機械臂已通過由電力工業(yè)帶電作業(yè)工器具質(zhì)量檢驗測試中心開展的絕緣第三方測試，并通過了在高壓試驗大廳和供電局實訓(xùn)基地進行的模擬現(xiàn)場帶電測試和實際現(xiàn)場帶電測試。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的檢測機械臂完全能夠準(zhǔn)確有效地對SF6斷路器罐體周邊開展氣體泄漏帶電檢測。實驗如圖9所示。

圖9 SF6斷路器氣體泄漏檢測機器人檢測機械臂現(xiàn)場實驗

5 結(jié)束語

通過分析220kV變電站SF6斷路器的檢測任務(wù)和檢測環(huán)境，提出了針對斷路器周邊狹小受約束環(huán)境的檢測機器人設(shè)計方法。結(jié)合小型輕量化的設(shè)計需求和實際檢測任務(wù)，通過尺寸綜合和工作空間分析，研究了四種三自由度檢測機械臂構(gòu)型方案的分析比較，實現(xiàn)了檢測機械臂構(gòu)型設(shè)計及連桿尺寸優(yōu)化。分別采用仿真和實驗方法開展設(shè)計驗證，結(jié)果表明本文設(shè)計的檢測機械臂在檢測中運行平穩(wěn)、無沖擊，證明檢測機械臂性能穩(wěn)定，能夠在狹小受約束檢測環(huán)境中可靠的完成對SF6斷路器的檢測任務(wù)。