電解鋁廠開關(guān)站巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究

孫長好,趙 達(dá),姜 龍,劉 洋,秦久副,曹月奎

(1.內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200;2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122)

0 引言

當(dāng)今社會科技水平高速發(fā)展,鎂鋁行業(yè)作為用電大戶,其生產(chǎn)工藝要求電力系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的正常運(yùn)行。因此采用多種方式對電力設(shè)備進(jìn)行巡檢作業(yè)作為電力系統(tǒng)穩(wěn)定作業(yè)的保障手段之一,是目前鋁鎂行業(yè)電力系統(tǒng)日常作業(yè)的硬性要求[1-4]。目前大多數(shù)配電室、開關(guān)站的巡檢作業(yè)仍采用人工或固定點(diǎn)監(jiān)測完成,人工作業(yè)勞動強(qiáng)度大、風(fēng)險(xiǎn)高、效率低下,固定點(diǎn)監(jiān)測覆蓋范圍小、即時(shí)救援響應(yīng)慢等問題,已嚴(yán)重影響企業(yè)的安全生產(chǎn)效率及智能化發(fā)展[5-6]。

電力巡檢機(jī)器人作為電力行業(yè)與機(jī)器人行業(yè)的細(xì)分交叉領(lǐng)域,其發(fā)展受到兩個(gè)行業(yè)政策的積極帶動,市場規(guī)模快速增長[7-8]。對于電力巡檢機(jī)器人,日本、美國、加拿大等國外代表開展研究較早[9],如日本的基于磁導(dǎo)航路面軌道,能夠完成500 kV變電站的巡檢應(yīng)用;美國的輪式巡檢機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的自動化檢測;新西蘭研制的巡檢機(jī)器人具備語音交互和激光避障功能;加拿大的Line Scout輸電線巡檢機(jī)器人,具備在單根高壓線上的行走和越障能力。相較于國外,國內(nèi)電力巡檢機(jī)器人在近年來取得了良好發(fā)展,其研究成果主要集中在國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)及中科院沈陽自動化等科研院所,采用輪式、軌道式等多種執(zhí)行機(jī)構(gòu),基于視覺圖像處理、自主定位導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù),已具備電力行業(yè)巡檢的檢測作業(yè)能力,實(shí)現(xiàn)了變電站的少人值守。

鋁鎂行業(yè)用電量巨大,作為電力行業(yè)的重要分支,在目前巡檢作業(yè)智能化程度仍較落后、用工成本逐步上漲、電力巡檢機(jī)器人行業(yè)技術(shù)水平逐步提高的背景下,巡檢機(jī)器人替人已成必然趨勢[10-11]。

綜上所述,為積極踐行于國家政策與行業(yè)需求,結(jié)合霍煤鴻駿電解鋁廠開關(guān)站實(shí)際場景特征,筆者提出一種智能巡檢機(jī)器人,采用折疊臂升降機(jī)構(gòu)形式,用以提高機(jī)器人的巡檢適用范圍與整機(jī)通過性。首先對機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,重點(diǎn)分析了機(jī)器人升降臂結(jié)構(gòu),保證其具有較好的升降范圍,接著對機(jī)器人完成升降動作所需的驅(qū)動力進(jìn)行了計(jì)算,最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)巡檢機(jī)器人的有效性。

1 機(jī)器人整體架構(gòu)

1.1 巡檢現(xiàn)場情況

電解鋁廠開關(guān)站地面基本為地磚或水泥地面,設(shè)備布局分模塊布局,模塊間通道較窄,約750 mm寬;中間存在架空母線管道連接,架空母線管道距地面高度約1.38 m,如設(shè)備可在下方穿行可極大提升巡檢效率,否則需對設(shè)備區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)距離繞行;母線管道內(nèi)使用SF6作為絕緣與滅弧保護(hù)氣,其在使用過程中會在高壓電弧、放電、高溫潮濕等特殊情況下分解、游離甚至發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生有害氣體,嚴(yán)重威脅工人的身體健康,因此巡檢機(jī)器人應(yīng)具備SF6、CO等危險(xiǎn)氣體檢測能力以及高壓局部放電檢測能力;現(xiàn)場內(nèi)日常巡檢作業(yè)過程中需要檢測的儀表較多,高度主要分布在距地0.9 m到2.5 m范圍內(nèi),可見光攝像頭應(yīng)能在較大范圍內(nèi)進(jìn)行升降作業(yè),達(dá)到良好的觀測效果;出于安全防護(hù)考慮,部分高壓開關(guān)站設(shè)備與人行通道間設(shè)有鋼絲防護(hù)網(wǎng),防護(hù)網(wǎng)距地高度約1.7 m;護(hù)欄內(nèi)有部分儀表距防護(hù)網(wǎng)較遠(yuǎn),距離約6 m,人工巡檢時(shí)目測難以看清,因此,機(jī)器人自身攜帶的可見光攝像頭需有高倍光學(xué)變焦能力。

圖1 現(xiàn)場條件圖

1.2 巡檢機(jī)器人功能需求

由于現(xiàn)場地面基本為水泥硬化地面或者瓷磚鋪設(shè),正常狀態(tài)下地面平整度較好,但不排除特殊情況下有地面破損、異物路障等特殊情況。

基于以上因素,實(shí)際應(yīng)用環(huán)境對巡檢機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)約束體現(xiàn)在整體寬度、通過高度、觀測范圍、越障能力和氣體檢測能力。其中:整體寬度應(yīng)在最小通道寬度750 mm的基礎(chǔ)上,滿足導(dǎo)航與避障系統(tǒng)的最小通過寬度與設(shè)計(jì)安全余量要求,確保機(jī)器人能滿足狹小通道的正常自主通行。為盡可能提高巡檢機(jī)器人對巡檢區(qū)域進(jìn)行巡檢路徑規(guī)劃的靈活性,避免巡檢機(jī)器人沿架空母線管道無效繞行,通過高度應(yīng)能滿足多節(jié)升降桿舉升機(jī)構(gòu)全縮后可自架空母線管道下方穿行,整車高度應(yīng)低于母線管道下方的凈高度空間,并留有一定的設(shè)計(jì)余量。觀測高度應(yīng)能滿足在升降機(jī)構(gòu)全縮狀態(tài)下可對0.9 m高儀表進(jìn)行巡檢觀測,升起狀態(tài)下可對高處儀表進(jìn)行巡檢觀察,并高于防護(hù)圍欄對防護(hù)圍欄內(nèi)的低處設(shè)備進(jìn)行巡檢觀測,觀測攝像機(jī)應(yīng)能具備高倍光學(xué)變焦,對遠(yuǎn)處儀表進(jìn)行有效觀測的能力。底盤輪系結(jié)構(gòu)應(yīng)能適應(yīng)地面異常破損、異物路障情況下的正常通行,需有一定的地面不平度自適應(yīng)能力與一定的越障能力。氣體檢測機(jī)構(gòu)應(yīng)能對多種有毒有害氣體進(jìn)行泄漏檢測,需具備自主泵吸功能,有對一定高度空間內(nèi)空氣自主吸入,提高檢測效率。

由于本文主要探討智能機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容,對云臺選型、檢測機(jī)構(gòu)部分選型設(shè)計(jì)內(nèi)容不再贅述,具體滿足總體設(shè)計(jì)要求即可。

2 強(qiáng)磁巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全向移動底盤

考慮現(xiàn)場存在一定地面不平度、狹小通道、具有一定越障能力等問題,智能機(jī)器人整機(jī)要求底盤長寬盡量緊湊,輪系可自適應(yīng)地面不平。經(jīng)過比對不同輪系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),機(jī)器人底盤輪系采用四輪雙差速結(jié)構(gòu),兩個(gè)差速驅(qū)動輪作為機(jī)器人前輪,兩個(gè)萬向輪組成搖擺橋結(jié)構(gòu)作為巡檢機(jī)器人后輪,整個(gè)輪系可簡化為三點(diǎn)支撐輪系結(jié)構(gòu),對機(jī)器人實(shí)現(xiàn)有效支撐。

受限于現(xiàn)場通行寬度這一硬性要求,驅(qū)動輪采用電機(jī)帶動法蘭輸出式行星減速機(jī),行星減速機(jī)直接連接驅(qū)動輪輪轂,整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、可靠。驅(qū)動組件通過減速機(jī)安裝支座連接于車體底盤。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及性能需求,設(shè)定機(jī)器人參數(shù)如表1所示,以此作為機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)與減速機(jī)的選型設(shè)計(jì)。

表1 機(jī)器人本體運(yùn)動參數(shù)

(1)驅(qū)動輪參數(shù)計(jì)算

機(jī)器人爬坡所需理論驅(qū)動力

300 kg×9.8 m/s×sin8°+300 kg×
9.8 m/s×0.03=497 N

(1)

理論驅(qū)動力對應(yīng)驅(qū)動輪力矩

497 N×0.1 m=49.7 Nm

(2)

巡檢機(jī)器人驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速

(1 m/s×60 s/min)/(0.1 m×2×3.14)=95.5 rpm

(3)

(2)機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)減速機(jī)選型

根據(jù)上述對巡檢機(jī)器人行走所需的驅(qū)動力矩與轉(zhuǎn)速計(jì)算,同時(shí)結(jié)合效率、設(shè)計(jì)安全系數(shù)等因素,選擇電機(jī)如表2所示,減速機(jī)如表3所示。

表2 選定電機(jī)參數(shù)要求

表3 減速器參數(shù)要求

根據(jù)選型情況,電機(jī)額定轉(zhuǎn)速經(jīng)減速機(jī)減速后輸出轉(zhuǎn)速為

3 000 rpm/24=125 rpm

(4)

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速經(jīng)減速后,對應(yīng)的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速滿足巡檢機(jī)器人最大速度所需的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速。

雙驅(qū)動電機(jī)按額定扭矩計(jì)算輸出的扭矩和為

1.27 Nm×2×24=60.96 Nm

(5)

在電機(jī)效率98%、減速機(jī)效率為94%的情況下復(fù)核,兩個(gè)驅(qū)動電機(jī)經(jīng)減速機(jī)后輸出扭矩為56.2 Nm,滿足巡檢機(jī)器人爬坡所需的理論驅(qū)動扭矩。

2.2 大觀測升降機(jī)構(gòu)

基于機(jī)器人的通過性要求與觀測范圍要求,升降機(jī)構(gòu)應(yīng)同時(shí)滿足收縮狀態(tài)時(shí)設(shè)備總高較低、舉升狀態(tài)時(shí)云臺高度較高的限制條件。同時(shí)由于設(shè)備巡檢功能較多,因此,機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)較大。

鑒于以上限制條件,升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成四連桿折疊臂式結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是收縮起來高度較小,雖占用車體長度空間,但可以滿足巡檢現(xiàn)場需求。其外形機(jī)構(gòu)如圖2。

圖2 折疊臂外形圖 1-下連桿;2-上連桿;3-伺服電機(jī);4-減速機(jī);5-減速箱;6-安裝座;7-舉升平臺

其中,減速機(jī)安裝于下連桿1內(nèi)部,并與安裝座6連接,伺服電機(jī)通過傳動齒輪與減速機(jī)連接,速比取2倍速比。上下連桿均配備輔助平衡連桿,確保升降平臺7位姿一直處于水平狀態(tài)。減速箱內(nèi)大臂末端固定齒輪,與小臂頭部固定的齒輪咬合,通過動力單元的動力輸入,大臂旋轉(zhuǎn),通過齒輪咬合,帶動小臂旋轉(zhuǎn),同時(shí)連桿能保持工作臺上表面處于水平狀態(tài)。

(1)折疊臂設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)總體功能設(shè)計(jì)需求,對折疊臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模,并對各部件重心、力臂距離測算如圖3。

圖3 折疊臂力矩屬性圖

圖4 折疊臂樣機(jī)

該機(jī)構(gòu)初試安裝高度為295 mm,舉升后高度為1 420 mm,行程可達(dá)1 125 mm,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)之初設(shè)想的初始安裝高度較小,滿足巡檢機(jī)器人通過性;舉行行程較大,滿足巡檢機(jī)器人具有較大觀測范圍的設(shè)計(jì)要求。圖3各部件測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 折疊臂零件參數(shù)表

(2)折疊臂轉(zhuǎn)矩計(jì)算

連桿舉升臂折疊狀態(tài)下,需要力矩最大,平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)力矩一軸需要的力矩

T=T1+T2+T3+T4+T5

(6)

式中T——一軸轉(zhuǎn)矩/Nm;

T1——大臂重力矩/Nm;

T2——小臂重力矩/Nm;

T3——減速箱重力矩/Nm;

T4——工作臺重力矩/Nm;

T5——小臂轉(zhuǎn)到大臂端重力矩/Nm

T1=m1×L1+m11×l11=14.07 Nm

(7)

T2=m2×L2+m22×L22=10.98 Nm

(8)

T3=m3×L3=8.27 Nm

(9)

T4=m4×L4=29.92 Nm

(10)

T5=(m2+m22+m4)×L小=51.09 Nm

(11)

T=T1+T2+T3+T4+T5=114.33 Nm

(12)

平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)下,一軸所需轉(zhuǎn)矩為114.33 Nm。

啟動過程中,一軸慣性力矩為

T慣=J×α

(13)

式中T慣——一軸慣性力矩/Nm;

J——總轉(zhuǎn)動慣量/kg·m2;

α——角加速度/rad·s-2。

設(shè)定加速時(shí)間為0.5 s,舉升時(shí)間為5 s,工作旋轉(zhuǎn)角度為90°,則角加速度與角度關(guān)系式為

α×0.52+α×0.5×4=3.14/2

(14)

角加速度為

α=3.14/2/2.25≈0.7 rad/s2

(15)

經(jīng)軟件查詢,總慣量為2.96 kg·m2,則一軸慣性力矩為3.3×0.628=2.07 Nm,啟動總力矩為114.33+2.07=116.4 Nm。

(3)電機(jī)減速機(jī)選型

根據(jù)上述計(jì)算,同時(shí)結(jié)合效率、設(shè)計(jì)安全系數(shù)等因素,選擇電機(jī)如表5所示,減速機(jī)如表6所示。

表5 選定電機(jī)參數(shù)要求

表6 減速器參數(shù)要求

根據(jù)選型情況,電機(jī)額定轉(zhuǎn)速經(jīng)減速機(jī)減速后輸出轉(zhuǎn)速為

3 000 rpm/120/2=12.5 rpm

(16)

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速經(jīng)減速后,轉(zhuǎn)速滿足折疊臂設(shè)定速度所需的轉(zhuǎn)速。

驅(qū)動電機(jī)按額定扭矩計(jì)算輸出的扭矩為

1.27 Nm×2×120=304.8 Nm

(17)

在電機(jī)效率98%、減速機(jī)效率為75 %的情況下復(fù)核,驅(qū)動電機(jī)經(jīng)減速后的輸出扭矩為224 Nm,滿足計(jì)算所需的理論驅(qū)動扭矩。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)折疊臂機(jī)構(gòu)的功能性與可靠性,對折疊臂舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了試制生產(chǎn),樣機(jī)安裝在實(shí)驗(yàn)鋼架平臺上,并搭建驅(qū)動組件進(jìn)行部件結(jié)構(gòu)測試。測試過程主要對部件運(yùn)動狀態(tài)和電氣系統(tǒng)運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行測試驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)過程中,整體結(jié)構(gòu)運(yùn)行動作順暢,記錄整個(gè)舉升運(yùn)動過程中驅(qū)動電機(jī)的平均電流數(shù)據(jù),如圖5所示。

圖5 折疊臂舉升,電流與時(shí)間關(guān)系圖

由電流與時(shí)間關(guān)系圖可以看出,電機(jī)電流由15.8 A逐漸降低至0.4 A,運(yùn)動特性符合舉升過程,與理論計(jì)算結(jié)果一致。

4 結(jié)論

(1)探討了電解鋁廠開關(guān)站的場景特征和巡檢功能需求,研究了一種基于折疊臂升降機(jī)構(gòu)的鋁鎂行業(yè)巡檢機(jī)器人總體架構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人較好的高度觀測范圍與整車通過性;

(2)詳細(xì)闡述了巡檢機(jī)器人全向移動底盤和折疊臂升降機(jī)構(gòu)的元件選型與參數(shù)分析,計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)需求;

(3)設(shè)計(jì)了折疊臂升降機(jī)構(gòu)的性能試驗(yàn),結(jié)果表明,折疊臂驅(qū)動電機(jī)電流曲線變化符合折疊臂升降機(jī)構(gòu)的舉升動作,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效。