電力系統高空作業爬桿機器人結構設計與性能分析

丁述勇1,丁文潔,沈宏丞,張 征

(1.浙江工業大學 之江學院,浙江 紹興 312030;2.浙江工業大學 機械工程學院,浙江 杭州 310023)

高空帶電作業作為保障電力系統正常供電的重要手段之一,目前主要存在自動化程度低、危險性高和工作強度大等問題,雖然對工作人員的技術要求較高,但是電力作業仍然存在安全隱患[1]。采用機器人代替人類完成高空帶電作業是解決高空作業危險性高、工作強度大的優秀方案之一[2],因此研制高性能的電力系統高空作業機器人對提高電力作業安全性以及推進機器人的進一步應用有著極大的作用。

許多學者對爬桿、爬索和爬管道機器人[3-5]進行了研究,而在高空帶電作業領域對于高空作業機器人的研究尚在起步階段。目前大部分的電力系統帶電作業機器人都是基于絕緣斗臂車而研制,如趙玉良等[6]研制了高壓帶電作業機器人系統,該系統基于絕緣斗臂車改造,可實現升降和空中旋轉的功能;曹志華等[7]設計了一種可攀爬電力鐵塔的5自由度關節式機器人,通過仿真模擬和樣機試驗的方式證明其可行性;曹博源[8]則針對高空變電設備檢測需求設計仿生爬桿機器人,該機器人主要通過凸輪機構和抱桿手臂實現沿桿柱攀爬并可搭載攝像機完成圖像傳輸,初步實現變電設備的視頻監測功能;對于爬桿機器人的進一步研究,江勵等[9]提出一種雙爪式爬桿機器人,并對此類機器人抓夾圓桿時的夾持力封閉性問題進行討論,建立夾持器負載力平衡模型,分析夾持器尺寸參數對夾持性能的影響,為圓桿夾持器的設計提供參考和理論指導。該團隊進一步設計桁架建模與識別系統并將其用于爬桿機器人,實現了爬桿機器人的自主爬桿[10]。相關學者的研究成果尚有不足之處。絕緣斗臂車自身體積大,環境適應性差,且作業時液壓系統會產生較大振動,對機械臂的作業精度有較大影響。而體積較小的爬桿機器人主要用于搭載輕型監控監測設備,無法搭載質量較大的作業設備,因此重新設計具有高空作業能力的電力系統高空作業機器人十分必要。為滿足電力系統高壓電桿的自動化高空作業需求,擬設計一種適用于電壓為10 kV變直徑水泥高壓電桿的爬行載重機器人,以搭載相應的電力作業設備完成自動化高空作業。該爬桿機器人的特點在于結構簡單,動作平穩,具有較大的載質量能力,可搭載較重的電力作業設備。基于手爪式夾持的普適性和可靠性,采用手爪式夾持結構作為夾持固定裝置,通過上、下夾持手爪的交替抱夾動作和電動絲桿軸的間歇性進給運動實現升降功能,最終實現爬桿機器人的爬桿與固定。對爬桿機器人進行有限元仿真模擬,對其攀爬夾持性能進行分析,校核其強度是否符合要求,驗證爬桿機器人結構設計的合理性,進一步為帶電作業機器人的設計提供參考。

1 高空作業爬桿機器人總體設計

1.1 總體結構設計

在電桿的實際設計與安裝過程中,為適應各地域的不同地形及供電需求,電桿的尺寸參數并不完全相同,攀爬所需確定的參數也不相同[11],生活中的水泥電桿電壓大多為10 kV,故將此作為高空作業爬桿機器人的設計對象。通過查閱文獻[12],可知某電桿電壓為10 kV的尺寸參數:電桿全高為12 m,梢徑為190 mm,根徑為300 mm,錐度為1∶60。

在實際作業時,電桿埋深約為桿長的1/6,爬桿機器人需從距離地面約1.2 m位置開始攀爬,至距離桿頂約1 m的位置停下并固定,以供帶電作業設備進行高空作業,故實際有效攀爬高度約為8 m,為提高爬桿機器人的適用范圍,將設計攀爬高度定為9 m。對比實際工人作業時間與帶電作業設備質量,確定相應的爬桿速度與負載質量。故爬桿機器人總體設計參數確定如下:爬桿高度為9 m,夾爪夾持直徑為180～350 mm,爬桿速度為0.05 m/s,可負載質量為30 kg。

為較好地實現設計目標,采用手爪抱夾固定方式和電動絲杠升降方式交替配合完成機器人整個爬桿動作。雙爪式抱夾方式不僅具有實用性高、結構簡單可靠和桿件表面適應性高等優點,而且具有較好的研究基礎,可作為攀爬夾持固定功能的實現方式。攀爬升降方式選用蠕動式移動方法,由電機驅動絲杠軸實現上下移動,以達到較高的爬桿速度,同時具有承載能力大、運動平穩和控制簡單等優點。設計的高空作業爬桿機器人模型簡圖如圖1所示,主要包括4部分:載重工作臺、上夾持結構、電動絲杠升降結構和下夾持結構。載重工作臺作為帶電作業設備的搭載平臺,提供穩定安全的作業條件;上、下夾持結構在攀爬過程中起到夾持作用,并在到達指定位置后起固定作用;電動絲杠升降機構連接上、下夾持機構,并協調上、下夾持機構的交替運動,以達到爬升的目的。4部分相互配合從而實現自動化高空帶電作業。

圖1 可承重爬桿機器人模型簡圖Fig.1 Schematic diagram of load-bearing pole climbing robot model

1.2 抱夾結構設計

上、下夾持結構總體設計相同,主要由底板、轉接板、伺服電機、電機支座、聯軸器、絲桿支撐座、滾珠絲桿和夾爪等零部件組成。主要采用電機作為動力源,驅動絲桿軸旋轉,其中滾珠絲杠軸螺紋的方向1/2為順時針方向,1/2為逆時針方向,以使伺服電機驅動2個絲杠螺母相向而行從而實現桿件夾緊或松開,根據抱夾桿件的桿件直徑變化范圍,絲桿理論設計行程為380 mm,實際設計行程可滿足最大抱夾桿徑為300 mm的需求;聯軸器選用雙膜片彈性聯軸器,根據抱夾伺服電機的最大扭矩選定聯軸器,其容許轉動扭矩為25 N·m,緊固扭矩為7 N·m,允許安裝徑向誤差為±1.5°,其結構簡圖如圖2所示。為滿足圓柱電桿變直徑弧面的夾持要求,設計的夾持手爪為圓弧形,便于貼服圓柱電力桿表面,并在其表面添加高摩擦系數橡膠材料以提供更大的夾持力,增強固定與夾持的穩定性。

1—絲桿軸;2—絲桿支撐座;3—軸器;4—底板;5—伺服電機;6—電機支座;7—轉接板;8—手臂;9—爪。圖2 夾持結構簡圖Fig.2 Schematic diagram of the clamping structure

1.3 電動絲桿升降結構設計

升降結構主要由上底板、下底板、伺服電機、行星齒輪減速器、電機支座、軸套、絲桿軸、同步帶、齒輪和緩沖限位器等零部件組成,其結構簡圖如圖3所示。為獲得較高的速度和穩定性,采用電機驅動齒輪,帶傳動傳遞動力的方式實現升降功能。當電機向外輸出動力時,通過減速器減速達到輸出要求帶動齒輪轉動,并通過同步帶傳遞動力以實現左右兩邊齒輪的同時升降運動,電動升降滾珠絲杠的理論設計行程為650 mm,實際工作行程為600 mm,單次運動時間約為10 s,可滿足運動速度為0.05 m/s的要求,并在絲桿軸上添加緩沖限位器以保證升降結構安全,緩沖器材料選用尼龍材料。

1—上底板;2—緩沖限位器;3—絲桿軸;4—齒輪:5—下底板;6—軸套;7—電機支座;8—行星齒輪減速器;9—伺服電機;10—同步帶。圖3 電動絲桿升降結構簡圖Fig.3 Schematic diagram of electric screw lifting structure

1.4 輕量化設計

為盡可能減輕爬桿機器人的整體質量,使其獲得更高的工作效率,同時提高支撐部件的強度,可采用碳纖維增強復合材料零部件替換部分金屬零部件。鑒于碳纖維復合材料制備和加工的工藝要求較高,故只替換部分簡單零部件,所替換的部件主要為3部分:上底板、下底板和轉接板部分,碳纖維增強復合材料零件均采用復合材料熱壓固化工藝制備而成,直接采用碳纖維預浸料T700作為原材料,通過裁剪、粘接和熱壓固化成型方法制備而成;后續采用機床完成簡單的螺紋孔加工以滿足裝配要求。通過Solidworks軟件建立相應模型估算質量,采用碳纖維增強復合材料部件質量減輕效果明顯,預計質量可減輕7 kg,結果如表1所示。

表1 零部件輕量化效果表Table 1 The effect of lightweight parts

1.5 工作電機的選型

爬桿作業平臺的動力主要由提升伺服電機和抱夾伺服電機提供,行星減速電機在平臺爬升過程中起到降低輸出軸轉速和提供足夠輸出的作用,對這3種工作電機的選型尤為重要。根據爬桿機器人整體承載質量確定電機參數和型號,考慮到攀爬動作的安全性,提升伺服電機需要選用帶剎車的電機,以保證在斷電情況下伺服電機處于抱死狀態,不會在攀爬過程中因突然斷電而掉落,故可選用臺達ECMA-CX0910SS伺服電機;抱夾伺服電機需對抱夾速度和位置有較為精準的控制,并可在斷電情況下記住相對絕對值的起始位置,需選用絕對值伺服電機,故可選用臺達ECMA-CA0604ES伺服電機,2種電機具體參數如表2所示。

表2 電機型號參數表Table 2 Motor model parameters

根據提升伺服電機的輸出力矩選定行星減速電機,行星減速電機的最大輸出扭矩為提升伺服電機額定力矩的2倍,減速比為1∶5,額定轉速為3 000 r/min,最大輸入轉速為5 000 r/min,最大允許軸向力為1 kN。

2 運動步態與攀爬夾持性能分析

2.1 攀爬過程運動步態分析與控制

所設計的高空作業爬桿機器人的攀爬步態采用蠕動式爬桿方式,與人類攀爬步態類似,該爬桿機器人向上攀爬時可分為6種運動狀態,爬升步態示意圖如圖4所示。

圖4 爬升步態示意圖Fig.4 Diagrams of climbing gaits

狀態1:上、下夾持伺服電機均保持穩定扭矩輸出,使上、下夾持手爪均保持夾緊狀態,從而固定在攀爬對象表面,見圖4(a)。

狀態2:上層夾持電機正向輸出扭矩,通過絲杠傳動帶動上夾持手爪松開桿件表面;下層夾持電機輸出不變使下夾持手爪依舊保持夾緊狀態,見圖4(b)。

狀態3:絲杠升降電機正轉通過行星齒輪減速器帶動絲杠轉動,推動上層夾持結構上升,當上層夾持平臺運動到所需高度后,絲杠升降電機停止運轉,使上層夾持平臺保持在所需位置,為一步動作做準備,見圖4(c)。

狀態4:上層夾持電機反向輸出扭矩,通過絲杠傳動帶動上夾持手爪夾緊桿件表面;下層夾持電機輸出不變使下夾持手爪依舊保持夾緊狀態,見圖4(d)。

狀態5:上層夾持電機輸出不變,使上夾持手爪依舊保持夾緊狀,下層夾持電機正向輸出扭矩,通過絲杠傳動帶動下夾持手爪松開桿件表面,見圖4(e)。

狀態6:絲桿升降電機反轉通過行星齒輪減速器帶動絲杠反向轉動,使下層夾持結構上升,當下層夾持平臺收縮到所需高度后,剪叉升降電機停止運轉,完成一個周期動作,見圖4(f)。

上述6種狀態動作周期性循環可實現爬桿機器人的上升;反之,將該動作倒序交替進行可實現爬桿機器人的下降。其中,在夾爪內表面安裝壓力傳感器,以提供反饋信號使夾爪實現夾緊后電機停止轉動;在升降絲桿軸緩沖限位處安裝距離傳感器,以提供反饋信號使升降電機在底板到達指定位置后停止。整個攀爬升降通過上、下夾持機構、升降機構和傳感器的互相配合實現,過程如圖5所示。

圖5 攀爬動作流程圖Fig.5 Flow chart of climbing action

攀爬控制自壓力傳感器反饋開始,以上、下夾持機構同時夾緊為步態循環的初始狀態。從上夾持機構松開到再次夾緊,完成平臺的上升;接著下夾持機構松開到其再次夾緊,爬桿機器人各機構回到初始狀態,整體高度升高,完成一次上升步態循環。

2.2 夾持性能分析

在實際抱夾過程中,手爪為剛性部件,其內表面無法完全與桿件內表面貼合,工作狀態如圖6所示,在內表面附加高摩擦橡膠材料以增大摩擦力并保護水泥桿表面。

圖6 夾持手爪夾持狀態圖Fig.6 Gripper status diagram of gripper claw

為保證夾持安全,對穩定夾持桿件所需的夾持力進行計算。假設電桿與地面垂直,在靜態夾持階段,目標載質重設計為30 kg,平臺自質重約為50 kg,機器人總質量約為80 kg。電桿表面為水泥表面,由文獻[13]可得:合成橡膠與水泥表面的摩擦系數約為0.25～0.4,選取0.3作為計算摩擦系數。在夾持時,夾持力需大于或等于重力,故夾持力計算式為

(1)

式中:m為質量;μ為摩擦系數;g為重力加速度。將上述預估質量m與摩擦系數μ代入式(1),可得工作所需夾持力為2 600 N。

爬桿作業平臺在工作過程中對抱夾結構強度要求較高,需對其進行強度校核,以保證安全性。采用有限元軟件ANSYS Workbench進行靜力學仿真模擬,可以獲得夾持手爪各部分應力、應變的分布狀態云圖[14]。通過仿真結果分析機構強度、剛度和塑性等力學特性,進而驗證是否滿足預期設計要求。

利用三維建模軟件Solidworks分別建立手臂、絲桿軸和夾爪模型并裝配,將模型導入ANSYS Workbench軟件中進行靜力學仿真分析。模型采用7075硬質鋁合金材料,材料彈性模量為7.1×104MPa,泊松比為0.3,密度為2.81 g/m3。

默認各個部件的接觸為“Bonded”接觸,使其成為一個整體,并對模型進行相應的簡化,忽略螺栓等連接零件。使用3 mm網格對模型進行網格劃分,劃分后的結果如圖7(a)所示,劃分節點數為496 026個,劃分單元數為138 402個。根據實際工況條件,固定絲杠軸表面、兩邊軸承座表面。對夾爪施加向外的力,2個表面各設置力的大小為1 300 N,施加邊界條件后的模型如圖7(b)所示。

圖7 前處理結果圖Fig.7 Diagram of pre-treatment results

應力和應變的仿真結果分別如圖8,9所示。由處理結果可知:抱夾結構的最大等效應力出現在手臂中部處,數值為81.551 MPa;最大應變也出現在相同位置,數值為4.123×10-4,主要變形區域集中在手臂部分和軸承套。夾持機構在實際工作狀況下,由于夾爪抱緊電桿,絲杠傳遞給手臂較大的力,且手臂中部出現較大的材料減少,故最大應力通常出現在此處,與模擬結果一致。

圖8 應力分布云圖Fig.8 Cloud map of stress distribution

圖9 應變分布云圖Fig.9 Strain distribution cloud map

7075硬質鋁合金材料的抗拉強度為524 MPa,屈服強度為455 MPa,均遠大于夾持過程中出現的最大等效應力。因此,該夾持機構的強度能夠在保證安全性的前提下提供足夠的夾持力。

爬桿機器人重心在桿的一側,工作過程中會產生傾覆力矩,也會影響整體安全性。分析機構受力情況易知,由于傾覆力矩的存在,連接手臂與夾爪的螺栓即使采用抗剪性強的對中裝配[16],也會受較大的剪力作用,且為傾覆力矩作用下最脆弱的部位,因此需要對螺栓剪力進行校核。

由于上、下夾爪交替動作,螺栓所受剪力為交變應力,兩夾爪動作交替頻率很低,故只考慮剪力大小即可,爬桿機器人受傾覆力矩示意圖如圖10所示。

圖10 傾覆力矩示意圖Fig.10 Schematic diagram of overturning moment

根據圖10,可以得到表示螺栓處剪力與傾覆力矩關系式,即

(2)

假設爬桿機器人主體的重心位于底板幾何中心,重心處總質量為80 kg,底板幾何中心與中間螺栓距離為495 mm,螺栓直徑為10 mm。將具體數據代入式(2),可得上、下螺栓所受的相反方向剪力大小為7 766.2 N。

選用性能等級為A2-70的普通不銹鋼螺栓,其抗剪力為13.92～18.85 kN,遠大于受到的剪切力,因此可以保證夾爪在傾覆力矩下的安全性。

3 結 論

針對目前高空電力作業自動化程度低與安全性差的問題,設計了一種可用于電力系統的高空作業爬桿機器人。該爬桿機器人主要包括絲杠軸升降結構與抱夾結構,對主要設計參數進行說明,對主要部件進行選型,并進行了輕量化設計,建立了整個平臺的虛擬樣機。對設計的高空作業爬桿機器人進行攀爬和夾持性能分析,具體包括對攀爬步態的分析及簡單控制流程的概述;對抱夾結構采用有限元軟件ANSYS Workbench進行靜力學分析,得出應力應變結果,最終確定所設計的電力系統高空作業爬桿機器人基本滿足設計需求,可為新型電力系統高空作業平臺的進一步設計與優化提供參考。