高空電力線路精準切枝裝置研制

萬旭，敖娟，肖依夢，朱軍，耿威，熊勝

（湖北師范大學機電與控制工程學院，湖北黃石435000）

在戶外電線、高壓電力設施周圍經常長有較高的樹木，為了防止這些過高的樹木對電力設施造成影響，通常需要對這些樹木進行剪切。目前市面上銷售的樹枝剪切機大多只能通過人工攀爬或者利用可伸縮長桿支撐等方式進行剪切，人在剪切過程中極易被落枝砸傷或者從樹上摔落，還有可能遭受到高壓電流或感應電流引起的觸電危害。此外，現有的修剪機修剪范圍在3～4 m左右，修枝高度不高，人工操作不便，無法對高空樹枝進行剪切。因此，研制一種自動化水平高、操作簡便并且能夠勝任高空切枝工作的切枝裝置十分必要。本文著力于研制一種由遙控器遠程控制的高空切枝裝置，實現對高空樹枝的自動化剪切。

1 切枝裝置總體設計

1.1 切枝裝置設計要求

切枝裝置剪切的對象主要是長得較高的喬木，在實際剪切時要能實現對喬木橫向樹枝和豎直樹干的剪切，并且對豎直樹干的剪切要能實現從樹干左側向右側剪切和從右側向左側剪切。因此，切枝機械手的手抓（鏈鋸）需具備3個切枝工位。這3個工位的轉換通過設計一個轉速為45°/s的肘關節旋轉機構來實現。此外，機械手要實現對樹枝的剪切還必須具備X軸平移移動、Z軸升降移動、Y軸伸縮移動以及工作臺旋轉功能才能完成對切枝的定位和剪切。

最后，機械手鏈鋸在切割樹枝進給過程中還受到進給阻力作用。機械手在剪切表皮粗糙、結實、樹齡較大的樹木時，如果進給力過大則鏈鋸極易發生回彈現象，導致切枝鋸失穩，嚴重時會損壞傳動系統和旋轉驅動電機，而進給力過小又無法切入。因此，在設計機械手時選擇合適的進給力以及如何解決“彈回”現象是關鍵。查閱鏈鋸鋸木參數可知，切割樹木的屑片厚度對鋸切進給力有較大影響，屑片厚度最佳值為0.466 5 mm，合理取值為0.32～0.68 mm，與其對應的進給力合理取值為6～13 kg[1]。所以，機械臂可設置最大進給力m=13 kg。故要保證機械臂正常運行必須使其能克服不小于13 kg的進給阻力的沖擊。機械手通過X軸和Z軸平移運動來實現橫向、豎向切枝進給過程。故要保證機械手的正常運行，可以適當增加X軸和Z軸的驅動電機功率和轉矩以提高其抗震能力；還可以在結構上采用柔性進給機構來保護傳動裝置。另外，X軸和Z軸滑臺設計要求如表1所示。

表1 X軸、Z軸平臺設計要求Tab.1 Design requirements of X-axis and Z-axis platform

1.2 切枝系統總體設計

高空切枝裝置由液壓升降工作平臺、切枝機械手組成，模型如圖1所示。液壓升降平臺是機械手實現高空作業的支撐平臺。機械手具有X軸平移移動、Y軸伸縮移動、Z軸升降移動、肘關節旋轉、旋轉工作臺旋轉功能[2-5]。X軸、Z軸采用固定-支撐方式安裝的滾珠絲杠作為傳動裝置，采用2條直線導軌作為導向軌道，每條導軌上有2個滑塊，滾珠螺母固定在4個滑塊中間，通過步進電機正反轉驅動滾珠絲杠副實現X軸、Z軸運動。Y軸伸縮移動通過DC24 V電動推桿驅動。肘關節旋轉機構由步進電機驅動齒輪實現旋轉。旋轉工作臺的旋轉通過直流減速電動機驅動實現。

圖1 切枝裝置模型圖Fig.1 The model diagram of tree branch sharing device

另外，由于切枝裝置大多在10 kV及以上的高壓電線周圍工作，這些高壓電線極易發生遠距離放電或產生較大的感應電流，人工對電線旁邊的樹木進行修剪時難度較大且極不安全，即使是采用機械操作剪切時也要做好防護措施。為此，本項目采用了遠程遙控方式來控制機械手動作，并在旋轉工作臺上設計接地線夾以防止工作人員觸電。此外，還在旋轉工作臺和液壓升降平臺之間設置耐高壓絕緣墊。

2 升降工作平臺選型

升降工作平臺選用山東濟南金陽升降機械有限公司的剪叉式液壓升降機。該升降機可選用多種液壓控制系統，常用有Ⅰ型、Ⅱ型、電磁換向閥和支撐閥液壓控制系統。Ⅱ型液壓控制系統在Ⅰ型系統的基礎上增加了一套備用手動泵，適合在無動力情況下手動升降?？紤]到切枝過程在戶外進行，故本項目選用Ⅱ型液壓控制系統。正常使用時，將回油閥旋鈕順時針擰緊，手動換向閥手柄拉至“中立”位置，啟動柴油機，然后將換向手柄拉至“起升”位置，工作平臺即可上升。下降時，松開回油閥旋鈕，升降平臺即可依靠自身重力作用下降。使用手動泵升降時，將上述操作步驟中“啟動柴油機”改為“壓動手柄平臺”即可。

3 切枝機械手設計

3.1 機械部分設計及選型

3.1.1 旋轉工作臺選擇

落地支架電動轉盤為加厚鍍鋅管材質，轉盤直徑在1.0～3.4 m之間，承載力在100～350 kg之間，具有承重能力強、轉動平穩等特點。所以，選用直徑為1.2 m的落地支架電動轉盤作為該切枝系統的旋轉工作臺，示意圖如圖2所示。旋轉工作臺選用浙江聯誼電機有限公司型號為63ZY24-15-02/JB100G0832的24 V永磁直流減速電機進行驅動，通過一對齒輪進行傳動。在操作時，通過PLC對KM1和KM2控制來實現正反轉控制。

圖2 旋轉工作臺示意圖Fig.2 The schematic diagram of rotary table

3.1.2 Z軸升降臺設計

如圖3所示，Z軸升降臺有2個限位，即Z軸正限和Z軸負限，其總行程為1 200 mm[2]。Z軸升降臺通過Z軸升降電機進行驅動，驅動時由PLC同時向驅動器2輸入高頻脈沖和方向電平控制電機正反旋轉，經柔性聯軸器傳動[3]，帶動滾珠絲杠正反旋轉，使得Z軸升降滑臺上的滾珠螺母在絲杠作用下沿著Z軸雙直線導軌作直線運動。為防止鏈鋸進給沖擊下Z軸傳動機構及鏈鋸的損壞，采用BMA-G零背隙扭力限制器作為聯軸器傳動。當聯軸器受到較大沖擊而過載時，聯軸器將停止傳動以保障傳動裝置和鏈鋸的安全。

圖3 X軸、Z軸移動滑臺Fig.3 X-axis and Z-axis sliding platform

滾珠絲杠副選型計算如下：

1）導程L計算如下：

當L=20 mm時，電機最高轉速為

2）軸向最大負載。假定Z軸滾珠螺母完成一次升降運動為一個工作周期，在一個周期內下降時的加速階段和勻速階段為機械手的切枝過程，根據受力分析及運動學分析可知上升加速階段時軸向負載最大，即

其中

式中：a為加速度；其余參數見表1。

3）滾珠絲桿預選。預選導程為20 mm，軸徑為20 mm，溝槽谷徑d=17.5 mm，額定動載荷Ca=7 700 N，型號為BLK 2020V-3.6的滾珠絲桿。

4）絲杠軸的選擇。①絲杠軸全長：

式中：l為最大行程，l=1 200 mm；a0為滑臺長度，a0=150 mm；b0為余量，b0=60 mm；c0為軸端尺寸，c0=120 mm。

②容許軸向負載F為

式中：λ1為由滾珠絲杠的安裝方式決定的系數，λ1=19.9（絲杠安裝方式為固定-支撐）；l1為負載與受力點之間間距，取l1=1 400 mm。

③由危險速度決定的容許轉速為

式中：λ2為由滾珠絲杠的安裝方式決定的系數，λ2=15.1（螺母安裝方式為固定-固定）；l2為支撐點間間距，取l2=1 260 mm。

④由D值決定的容許速度：

式中：D為滾珠中心直徑，D=20.75 mm。

5）選取滾珠絲杠型號為BLK 2020V-3.6ZZ+1530L C7 T。

3.1.3 X軸移動臺設計

X軸移動臺包含2個限位，即X軸正限和X軸負限，其總行程為1 200 mm[2]。X軸移動臺與Z軸升降臺基本相同，X軸升降臺通過X軸升降電機進行驅動，驅動時由PLC同時向驅動器1輸入高頻脈沖和方向電平控制電機正反轉。滾珠絲杠副選型計算如下：

假定X軸滾珠螺母完成一次往復運動為一個工作周期，在一個工作周期內的返程加速階段和返程勻速階段為機械手切枝過程。根據受力分析及運動學分析知返程加速時軸向負載最大，則

FX=Ma+ μMg+f+mg=213 N （8）

易知FX的最大軸向負載值小于FZ=572 N，又由于X軸和Z軸的滾珠絲杠副的選型要求相同，則X軸可選用與Z軸相同型號的滾珠絲杠副，所選型號為BLK 2020V-3.6ZZ+1530L C7 T。

3.1.4 Y軸伸縮機構設計

Y軸伸縮機構選用臺灣65 W電動推桿進行驅動，以高枝鋸的輕質薄皮伸縮桿作為Y軸機械臂[3]。推桿的工作電壓為DC24 V，行程為880 mm，其推力和拉力均為300 N，最大伸縮速度為52 mm/s。另外，推桿內部兩端裝有限位開關，推桿伸縮到限即停止。推桿通過接觸器KM4和KM5控制其電機正反轉，在運行途中推桿可在任意位置暫停。

3.1.5 肘關節旋轉機構設計

機械手肘關節模型如圖4所示，肘關節上安裝有3個限位開關及支撐Y軸機械臂旋轉的交叉滾子軸承。肘關節通過步進電機進行驅動，通過一對齒輪進行傳動，其中主動輪為1.5模30齒電機凸臺齒輪，外徑為32 mm；從動輪為1模120齒雙平面齒輪，外徑為122 mm。驅動時由PLC同時向驅動器3輸入高頻脈沖和方向電平控制步進電機正反旋轉，進而帶動主從齒輪旋轉。肘關節作用是負責3個切枝工位的轉換。在切枝時，肘關節不能向其他工作位置轉換，否則將發生鏈鋸卡死、損壞等不良現象。因此，在切枝時防止肘關節轉動是保護鏈鋸和肘關節機構的關鍵。為此，肘關節的電機上加裝了DC24 V電磁制動器，在電機失電的情況下制動器會緊緊抱住電機軸端以防止肘關節的轉動，進而起到保護鏈鋸和傳動機構的作用。

圖4 肘關節旋轉機構設計圖Fig.4 The design drawing of elbow joint rotating mechanism

3.1.6 接近開關傳感器選型

接近開關的作用是避免與被檢測物體產生直接接觸而損壞機械手和物料[4]。本項目選用深圳滬工自動化有限公司生產的直流三線常開滬工電感式接近開關，型號為LJ18A3-8-Z/BX，該開關可以檢測8 mm距離內的物體。當有物體擋住時，開關處于閉合狀態；當無物體擋住時，開關一直斷開。

3.1.7 切枝鏈鋸選型

切枝鏈鋸選用YAT亞特品牌的YT4389型DC40 V充電式高枝鋸。該鏈鋸采用無刷電機作為驅動電機，相比于傳統電機震動更小、噪聲更低、無火花。電鋸的鏈條采用10寸進口奧利根鏈條，鏈速高達9 m/s。切枝鏈鋸在剪切較大的樹木時可能發生夾鋸現象。當正轉遇阻夾鋸時，采用切割電機帶動鏈鋸鏈條反轉，同時X軸或Z軸朝反向移動即可退出鏈鋸。鏈鋸反轉采用點動方式控制，直接由遙控器無線接收模塊控制。

3.2 電機及驅動器選型

3.2.1 X軸、Z軸電機及驅動器選型

1）旋轉轉矩校核。

①返程勻速時X軸有最大摩擦轉矩為

式中：L為滾珠絲杠導程，L=20 mm；η為滾珠絲杠效率，η=0.9；A為減速比，A=1。

②上升勻速時Z軸有最大摩擦轉矩為

根據摩擦轉矩選擇北京時代超群有限公司的型號為86EBP147ALC-TK0的86閉環伺服步進電機，其速度控制方式采用直線型勻加勻減速控制曲線[6-7]。電機保持力矩為8.5 N·m，轉動慣量為

③加速所需的轉矩。每個單位長度上的絲杠轉動慣量為

則絲杠軸全長S=1 530 mm下的轉動慣量為

滾珠絲杠作用于電機上的轉動慣量如下式：

角加速度如下式：

則加速所需的轉矩為

④最大總驅動轉矩計算。返程加速時X軸有最大總驅動轉矩為

上升加速時Z軸有最大總驅動轉矩為

2）驅動電機選型。根據上述計算可知，總驅動轉矩數值TZ大于TX，預選電機轉矩必須大于TZ=2 191 N·mm。另外，電機應具有滾珠絲杠轉動慣量的10%以上，即電機的轉動慣量大于6.95×10-5kg·m2。驅動電機若選用傳統步進電機進行驅動，電機力矩將隨轉速增大而急劇下降，電機將無法高速啟動并且啟動時將出現丟步現象。另外，鏈鋸在切枝時也不能克服切枝進給阻力的沖擊，極有可能導致驅動電機和傳動機構受損。為解決這一問題，本方案采用帶編碼器的閉環伺服步進電機和新一代DSP數字式步進驅動器，以閉環控制方式驅動機械臂。對照圖5所示的步進電機矩頻特性曲線圖可知，當電機轉速為600 r/min時，電機轉矩約為4.0 N·m，滿足要求。故可選用北京時代超群有限公司型號為86EBP147ALC-TK0的86閉環伺服步進電機作為X軸和Z軸的驅動電機，并用ZDM-2HA865閉環步進驅動器對該電機進行驅動。

圖5 86BEP系列步進電機矩頻曲線圖Fig.5 T—n curve of 86BEP series stepping motor

伺服步進電機驅動器采用的是先進的矢量型閉環控制技術[8]，通過與閉環步進電機上的編碼器組成閉環系統，可直接對電機編碼器反饋的信號進行采樣，構成位置環和速度環，保障了步進電機的性能。另外，Z軸步進電機還加裝DC24 V電磁制動器。X軸和Z軸步進電機選用8細分，每給1 600脈沖步進電機轉1圈。X軸和Z軸步進電機控制電路設計如圖6所示。

圖6 X軸、Z軸電機控制電路圖Fig.6 X-axis and Z-axis motor control circuit diagram

3.2.2 肘關節旋轉機構電機選型

肘關節總驅動轉矩較小，可選用無錫三拓電氣設備公司的型號為57HS4120A4-XG5-10的57行星減速步進電機進行驅動減速比為10的行星減速器XG5-10。步進驅動器選用DM542，控制時采取16細分，每發送3 200個脈沖步進電機旋轉1圈，步進電機的轉速為300 r/min。步進電機控制電路圖與X軸、Z軸相似，區別在于它無信號線。

3.3 PLC控制系統硬件設計

3.3.1 I/O分配與PLC選型

PLC的I/O點分配情況如表2、表3所示[2-5]。

表2 PLC輸入點分配Tab.2 Input points allocation of PLC

表3 PLC輸出點分配Tab.3 Output points allocation of PLC

本設計需要一個數字量輸入口為22點、數字量輸出口為11點的可編程控制器。德國西門子公司生產的S7-200 SMART系列小型PLC機型豐富，能實現三軸100 kHz高速脈沖輸出，并且能通過運動控制向導進行編程[9]。因此，選用SMART系列的CPU ST40作為本方案的PLC，輸出為24 V晶體管型。該PLC的數字量輸入口為24點，數字量輸出口為16點。

3.3.2 PLC外部接線

本方案選用了16路控制器及遙控器控制PLC輸入信號。PLC的輸入端與輸出端均采用DC24 V作為輸入輸出電壓。具體連接情況如圖7所示。

圖7 PLC外部接線圖Fig.7 The external wiring diagram of PLC

3.3.3 遙控控制機構

遙控機構由一個16鍵遙控器和一個16路無線智能接收控制器組成。遙控機構采用遙控器的每一個按鈕對應一路控制器，控制該路繼電器的吸合與斷開。遙控機構工作方式有5種，即信號自鎖、非鎖、互鎖、1～8路自鎖與9～16路非鎖并存、1路自鎖與2～16路非鎖并存，它們分別通過遙控器1～5號鍵學習。在本方案中，16路控制器中每路控制器的工作方式均為非鎖。另外，16路控制器的輸入電壓和自身工作電壓均采用DC24 V電壓，具體接線情況如圖8所示。

圖8 16路無線智能接收控制器Fig.8 The 16-way wireless intelligent reception controller

3.4 系統主電路設計

系統主電路如圖9所示。

圖9 系統主電路電氣原理圖Fig.9 The electrical schematic diagram of the main circuit of the system

3.5 PLC控制系統程序設計

由于機械手面臨的切枝環境復雜、切枝場所不固定，機械手無法自動完成切枝過程。操作時，通過手動操作遙控器控制旋轉工作臺正反旋轉、機械手X軸平移、Z軸升降以及Y軸伸縮，這幾種工作方式均為點動。遙控控制機械手肘關節正反轉、回原點（即回肘關節中間限位處）以及電鋸啟動和停止為聯動。另外，所有的電機在正反轉控制時都設置了軟件互鎖，防止發生同時按下正反轉按鈕而發生危險。

機械手肘關節控制程序如圖10所示。切枝機械手的X軸、Z軸及肘關節電機均由PLC提供高速脈沖，其運行程序由運動控制向導組態生成運動指令，通過將這些運動指令置于程序中，以實現動態控制步進電機的速度和位置。X軸用軸0組態的AXIS0_CTRL子程序初始化位置模塊和AXIS0_MAN子程序手動模式模塊控制。Z軸用軸1組態的AXIS1_CTRL子程序初始化位置模塊和AXIS1_MAN子程序手動模式模塊控制。肘關節用軸2組態的AXIS2_CTRL子程序初始化位置模塊、AXIS2_MAN子程序手動模式模塊和AX?IS2_RSEEK子程序查找參考點位置模塊運動控制。肘關節程序相比于X軸、Z軸稍復雜。

圖10 機械手肘關節控制程序圖Fig.10 The control program diagram of manipulator elbow joint

4 結論

本文利用機械設計理論、電氣步進控制、無線智能通訊等原理技術，進行了高空電力線路切枝裝置的研制，取得了一系列成果：

1）完成了切枝裝置的整體布局及設計工作，并用AutoCAD對切枝裝置進行了三維建模。

2）完成了機械手X軸、Z軸滾珠絲杠副的計算及選型；完成了各個驅動電機及驅動器的選型。

3）完成了PLC選型、I/O口分配及外圍電路設計；采用了16路無線智能接收控制器和遙控器控制機械手；完成了切枝系統主控電路設計。

4）在STEP 7-MicroWIN SMART軟件中應用運動控制向導對機械手進行了編程。

5）切枝裝置試驗表明：在對高空樹枝進行剪切時，通過遙控器操縱能夠順利地將橫向或豎向樹枝剪切下來。