基于Pro/E與ADAMS的絕緣子清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真

蔡長(zhǎng)亮

(北京通用電氣華倫醫(yī)療設(shè)備有限公司，北京 100176)

0 引言

在高壓變電站輸變電線(xiàn)路上，需要用到絕緣子，它一方面可以起到支撐導(dǎo)線(xiàn)、固定導(dǎo)電元器件的作用，避免元器件與其他導(dǎo)體相接觸；另一面可以防止電流回地，提高電流的利用率[1,2]。因此，高壓變電站絕緣子絕緣性能的好壞將直接影響輸變電站設(shè)備的安全運(yùn)行。但是，絕緣子長(zhǎng)期置于室外，惡劣氣候環(huán)境以及工業(yè)污染物等因素將會(huì)嚴(yán)重影響絕緣子的絕緣性能，因此，為了延長(zhǎng)絕緣子的使用壽命、提高絕緣性，且避免由于絕緣性能下降造成的污閃事故，供電部門(mén)必須定期對(duì)高壓變電站絕緣子進(jìn)行清掃，這是輸變電設(shè)備安全運(yùn)行工作的一項(xiàng)重要任務(wù)[3]。

目前，國(guó)內(nèi)清掃高壓變電站絕緣子的方法主要是人工停電清掃與帶電水沖洗清掃。由于這兩種清掃模式效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高，因此本文設(shè)計(jì)了一種能夠在高壓變電站絕緣子上移動(dòng)行走、停留清掃的機(jī)器人，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真研究。期待該機(jī)器人可從替代人工進(jìn)行高壓變電站絕緣子清掃作業(yè)，一方面減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)的安全性、可靠性；另一方面增加高壓變電站絕緣子清掃的自動(dòng)化程度，促進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)。

1 清掃機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 清掃機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)

綜合考慮該清掃機(jī)器人復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境及機(jī)械系統(tǒng)各方面的設(shè)計(jì)原則，并借鑒攀爬機(jī)器人技術(shù)[4,5]，最終確定清掃機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)方案。清掃機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)主要由三部分組成：①移動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用上下框式設(shè)計(jì)方案，機(jī)器人本體上下部分可以左右相對(duì)移動(dòng)一定距離，此方案可以使清掃機(jī)器人移動(dòng)更加靈活；②夾持機(jī)構(gòu)，其主體采用臂式結(jié)構(gòu)，末端為雙手爪式，該設(shè)計(jì)方案可以最大程度減輕清掃機(jī)器人自身重量；③清掃機(jī)構(gòu)，綜合考慮硅橡膠絕緣子結(jié)構(gòu)特性及清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)原則，最終確定以電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，結(jié)構(gòu)上左右對(duì)稱(chēng)的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案在提高機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，耗能小、效率高。清掃機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 清掃機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)方案

1.2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

清掃機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、下機(jī)架、上支架、導(dǎo)桿和限位開(kāi)關(guān)等部分組成，移動(dòng)機(jī)構(gòu)模型如圖2所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)與上支架相連，齒輪固定在電機(jī)軸上，齒條固定在下機(jī)架上，下機(jī)架與上支架通過(guò)下機(jī)架兩側(cè)對(duì)稱(chēng)安裝的導(dǎo)桿相連，下機(jī)架與上支架上裝有限位開(kāi)關(guān)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)上支架與下機(jī)架的相對(duì)移動(dòng)。上支架與下機(jī)架巧妙地利用了中心對(duì)稱(chēng)式的矩形板材結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)使機(jī)體在運(yùn)行時(shí)更加平穩(wěn)、可靠，并且為電源模塊等外圍設(shè)備的安裝預(yù)留了足夠的空間。

1.3 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

清掃機(jī)器人的夾持機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)支架、齒輪、連桿、下臂、彈簧套筒和手爪等組成。夾持機(jī)構(gòu)共有三組，兩組通過(guò)電機(jī)支架固定在上支架上，一組通過(guò)電機(jī)支架固定在下機(jī)架上。該設(shè)計(jì)方案一方面增加了清掃機(jī)器人本體的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，另一方面通過(guò)控制夾持機(jī)構(gòu)的張開(kāi)、閉合，配合清掃機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)到清掃機(jī)器人行走的目的。夾持機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)處于閉合夾緊絕緣子桿，工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)矩傳遞給一級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)，齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)左右連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使與連桿相連的下臂張開(kāi)一定角度，配合移動(dòng)機(jī)構(gòu)越過(guò)傘裙，待移動(dòng)機(jī)構(gòu)碰觸到限位開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，使夾持機(jī)構(gòu)重新閉合抓緊硅橡膠絕緣子桿。夾持機(jī)構(gòu)模型如圖3所示。

1-下機(jī)架；2，6，8-限位開(kāi)關(guān)；3-導(dǎo)桿；4，5,7-擋板；9，14-驅(qū)動(dòng)電機(jī)；10，13-齒輪；11，15-上支架；12-齒條

圖3 夾持機(jī)構(gòu)模型

夾持機(jī)構(gòu)的一個(gè)特點(diǎn)是本身具有無(wú)電機(jī)機(jī)械自鎖特性，如圖4所示，狀態(tài)A為夾持機(jī)構(gòu)的理想狀態(tài)，但實(shí)際上可能會(huì)出現(xiàn)狀態(tài)B與狀態(tài)C的情況。當(dāng)出現(xiàn)狀態(tài)B時(shí)，連桿沒(méi)有硬限位，不會(huì)出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，齒輪可以繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)出現(xiàn)狀態(tài)C時(shí)，因?yàn)辇X輪固定，不能繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿遇到硬限位，即為夾持機(jī)構(gòu)無(wú)電機(jī)機(jī)械自鎖現(xiàn)象。

圖4 夾持機(jī)構(gòu)自鎖特性示意圖

夾持機(jī)構(gòu)閉合時(shí)，需要牢牢抓緊絕緣桿，此時(shí)清掃機(jī)器人本體的重量全部作用在手爪上，需要夾持機(jī)構(gòu)末端的手爪具有足夠的夾持力，因此在手爪設(shè)計(jì)時(shí)采用了V型手爪構(gòu)型，并在手爪兩端開(kāi)呈180°反對(duì)稱(chēng)的“凹”型槽；為了增加清掃機(jī)器人本體的穩(wěn)定性，最大程度地減小手爪與絕緣桿接觸時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，與此同時(shí)增加手爪的自適應(yīng)能力，設(shè)計(jì)了彈簧套筒裝置，如圖5所示。套筒里裝有彈簧，手爪固定在彈簧套筒裝置的墊片上，套筒口裝有導(dǎo)向擋片。當(dāng)彈簧套筒裝置使用時(shí)，一方面可以使手爪具有自適應(yīng)特性，另一方面起到了減震緩沖作用。

圖5 彈簧套筒裝置

1.4 清掃機(jī)構(gòu)及整機(jī)模型建立

清掃機(jī)構(gòu)是整個(gè)清掃機(jī)器人的核心部分，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)架、齒輪機(jī)構(gòu)、空心軸、彈性擋圈和毛刷等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在電機(jī)架箱上，驅(qū)動(dòng)齒輪固定在電機(jī)軸上，傳動(dòng)齒輪通過(guò)空心軸與電機(jī)架相連，彈性擋圈用于空心軸的軸向固定，毛刷插入空心軸中。工作時(shí)，清掃機(jī)器人移動(dòng)到適當(dāng)位置，三組夾持機(jī)構(gòu)閉合抓緊絕緣桿，毛刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)一級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，與傳動(dòng)齒輪相連的光軸繞傳動(dòng)齒輪軸心高速旋轉(zhuǎn)，最終毛刷高速旋轉(zhuǎn)對(duì)絕緣子傘裙進(jìn)行清掃作業(yè)。

圖6 清掃機(jī)構(gòu)模型

最終在Pro/E中完成了清掃機(jī)器人建模工作，如圖7所示。

圖7 清掃機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)模型

2 清掃機(jī)器人行走仿真分析

2.1 仿真模型建立

本文利用虛擬樣機(jī)仿真軟件ADAMS對(duì)清掃機(jī)人行走進(jìn)行仿真[6,7]，模擬清掃機(jī)器人在絕緣子上移動(dòng)、清掃作業(yè)全過(guò)程。聯(lián)合Pro/E三維建模軟件，建立清掃機(jī)器人的仿真模型，即將Pro/E中清掃機(jī)器人的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)置仿真屬性，添加部件之間的運(yùn)動(dòng)副及驅(qū)動(dòng)，定義部件接觸力，進(jìn)而構(gòu)建清掃機(jī)器人的仿真模型，如圖8所示[8,9]。

圖8 清掃機(jī)器人仿真模型

2.2 清掃機(jī)器人移動(dòng)行走仿真

利用ADAMS對(duì)清掃機(jī)器人移動(dòng)行走進(jìn)行仿真分析。本次仿真時(shí)間設(shè)為70 s，清掃機(jī)器人在高壓變電站絕緣子上移動(dòng)行走過(guò)程如圖9所示。

圖9 清掃機(jī)器人移動(dòng)行走過(guò)程仿真

從圖9中可以看出，清掃機(jī)器人可以跨過(guò)絕緣子傘裙，在絕緣子桿上穩(wěn)定、可靠地移動(dòng)行走。仿真完成后,得到清掃機(jī)器人本體移動(dòng)行走速度曲線(xiàn)，如圖10所示。

圖10 清掃機(jī)器人本體移動(dòng)行走速度曲線(xiàn)

清掃機(jī)器人在高壓變電站絕緣子上移動(dòng)行走時(shí)，上支架1、2以及下機(jī)架交替運(yùn)行，達(dá)到機(jī)器人前行的目的，清掃機(jī)器人移動(dòng)速度在0.02 m/s左右小范圍內(nèi)波動(dòng)，說(shuō)明清掃機(jī)器人本體移動(dòng)較穩(wěn)定、可靠。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于攀爬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理，提出了高壓變電站絕緣子清掃機(jī)器人的構(gòu)型，運(yùn)用三維繪圖軟件Pro/E建立了其三維模型。該構(gòu)型由一個(gè)上下框架式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、三組爪式夾持機(jī)構(gòu)、中心對(duì)稱(chēng)式清掃機(jī)構(gòu)組成。該構(gòu)型設(shè)計(jì)巧妙，具有體積小、重量輕、集成度高等特點(diǎn)[10]。在夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了無(wú)電機(jī)保持自鎖，減小了尺寸，降低了能耗；并在爪上設(shè)計(jì)有彈性自動(dòng)補(bǔ)償裝置，避免夾持不到位或加持過(guò)位。該清掃機(jī)器人能夠很好地解決人工清掃存在的諸多問(wèn)題。

利用虛擬樣機(jī)仿真軟件ADAMS建立了清掃機(jī)器人的仿真模型，模擬了其在絕緣子上移動(dòng)行走過(guò)程，并就其移動(dòng)行走速度仿真結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，清掃機(jī)器人本體移動(dòng)較穩(wěn)定、可靠。