姜紅敏，吳文江

(石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

絕緣子清潔機械臂的設(shè)計與仿真

姜紅敏，吳文江

(石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

針對當(dāng)前鐵路線路上絕緣子清潔難以做到自動化的問題，設(shè)計了適用于瓷瓶絕緣子清潔的機械臂，闡述了機械臂的特點和實現(xiàn)瓷瓶絕緣子清潔的工作過程。利用SolidWorks軟件的繪圖及設(shè)計功能，對機械的各個零件進行三維建模、裝配并用ADAMS/VIEW軟件對機械臂的運動進行仿真，獲得機械臂中的水平臂末端法蘭沿著X、Y、Z方向的運動軌跡，為機械臂的進一步優(yōu)化設(shè)計提供了一定依據(jù)。

絕緣子；清潔；機械臂；建模；仿真

從上個世紀五十年代末機械臂問世后，經(jīng)過多年發(fā)展，逐漸成為了機械制造生產(chǎn)過程中必不可少的自動化設(shè)備[1]，在安全性差的環(huán)境中應(yīng)用越發(fā)頻繁，在電網(wǎng)建設(shè)過程中也發(fā)揮重要作用。隨著工業(yè)化進程的進一步加快，化工企業(yè)比較多的地區(qū)，空氣污染較為嚴重，當(dāng)?shù)氐慕^緣子極易被污垢堆積，造成污閃事故[2]，進而導(dǎo)致大面積停電。因此，定期對絕緣子進行清掃，恢復(fù)絕緣子原有的絕緣水平是防止污閃事故發(fā)生的有效手段。通過對河北地區(qū)的普通鐵路段絕緣子工作環(huán)境觀察，設(shè)計了一種新型的能夠全面清潔絕緣子的機械臂。

1 絕緣子清潔機械臂的特點及運動方案

1.1機械臂的特點

當(dāng)前普通鐵路段上絕緣子的清潔主要為手工清洗、高壓水槍沖洗、機械臂清潔配合使用清潔液等方法。這些方法或是人工參與下完成，勞動強度大，清潔效果差，可靠性差,或是利用清潔液對環(huán)境造成污染。本研究的機械臂優(yōu)點為：工作效率高，節(jié)省大量勞動力；機構(gòu)簡單，動作靈活，可靠性強；操作簡單，方便。

1.2機械臂的傳動和運動方案

一般機械臂的傳動主要方式為：齒輪傳動、連桿傳動等,其中，齒輪傳動相對較為平穩(wěn)，工作可靠，傳動精確，傳動效率高，但是對加工制作、安裝提出了相對較高的要求；連桿傳動可實現(xiàn)大力矩傳動，生產(chǎn)加工、制作比較簡單，成本低，控制簡單。機械臂的驅(qū)動方式主要可分為：液壓式傳動、氣動式傳動等[3]。液壓傳動具有傳動平穩(wěn)，傳動功率大，低速和自鎖過載保護以及布置位置較為靈活的特點[4]；氣動式傳動方式主要是靠氣體的抗擠壓來實現(xiàn)力的傳動，但是效率的傳遞和液壓相比較而言較低。

為了滿足絕緣子機械水平臂的設(shè)計的需要，根據(jù)對上述各種傳動方式和驅(qū)動方式的分析，最終選擇傳動方式為連桿傳動，驅(qū)動方式為液壓式，此種方式簡單，實用可靠，經(jīng)濟。

2 絕緣子機械水平臂運動學(xué)分析

絕緣子的機械水平臂主要結(jié)構(gòu)是兩個四連桿機構(gòu)，和工業(yè)電焊機器人原理類似[5]。機械水平臂是在一個垂直的平面內(nèi)運動，分析機構(gòu)簡圖如圖1所示。

將建立如圖1所示的坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點為O，彎臂ACD、OA、AB段長度分別為LAC、LCD、LOA、LAB，DE垂直長度為LDE，P到D水平距離為LPD，液壓OB距離為L，液壓OB的回轉(zhuǎn)角度為θ1，彎臂ACD中AC回轉(zhuǎn)角度為θ2，連桿DC與豎直方向的回轉(zhuǎn)角度為θ3，在零位時,OB′垂直于AC′，θ1、θ2、θ3分別為24°、134°、90°，角度定義為繞Z軸順時針為負，逆時針為正，開始時，機械臂末端位于P′，經(jīng)過一段時間后，當(dāng)液壓桿升到一定位置后，機械臂末端到達實際工作位置P，θ3為180°，因此可得出P的初始坐標(biāo)為：

(1)

根據(jù)水平臂運動的實際軌跡分析得出：

(2)

(3)

將(2)、(3)帶入(1)，得：

這樣，絕緣子清潔機械水平臂在運動上實現(xiàn)了解耦[6]，因此，通過控制液壓桿的運動來控制機械末端法蘭沿著三個方向上的位置曲線。

3 絕緣子機械水平臂三維建模及其運動仿真分析

3.1建立絕緣子清潔設(shè)備三維裝配模型

為了實現(xiàn)對絕緣子的有效清洗，機械臂采用四連桿機構(gòu)(其中包括彎臂、細桿1和細桿2)和液壓驅(qū)動，機械臂具有很好的靈活性。針對機械臂的設(shè)計方案，運用SolidWorks2012對絕緣子清潔設(shè)備進行建模[7]，絕緣子清潔設(shè)備模型如圖2所示，利用ADAMS/VIEW軟件對機械運動進行仿真。

根據(jù)實際工作需要，絕緣子清潔設(shè)備水平臂采用平行連桿機構(gòu)原理，此處的四連桿機構(gòu)可以保證水平臂總是保持水平，設(shè)計水平臂在液壓驅(qū)動下到達工位，通過控制刷頭電機正反轉(zhuǎn)及其速度，可以將絕緣子清潔干凈。作業(yè)車的參數(shù)見表1。

表1 作業(yè)車技術(shù)參數(shù)

名稱技術(shù)參數(shù)作業(yè)平臺尺寸(長×寬×高)/mm5000×1600×1200作業(yè)車平臺地板面距軌面最大高度/mm6800軌距/mm1435使用環(huán)境溫度/℃-25～45使用海拔高度/m2500最小通過曲線半徑/m100承載能力/kg500

3.2建立清潔機械臂運動仿真

將裝配好的絕緣子清潔設(shè)備整體裝配體另存為parasolid(*.x_t)格式，利用ADAMS/VIEW軟件實現(xiàn)對機械臂的運動位移分析，分析步驟如圖3所示。

3.2.1 模型導(dǎo)入、修改質(zhì)量屬性

整體裝配圖parasolid(*.x_t)文件導(dǎo)入ADAMS/VIEW，給新模型命名為：Insulator cleaning equipment，將重力方向定義為-Y軸方向，利用以下程序?qū)⒘悴考x予相應(yīng)的質(zhì)量屬性：

For variable name=tempred start.value=1 and value=69 Part modify rigid mass properties&&part_name=(eval(“.part”//RTOI(tempreal))&material_type=.materials.End

3.2.2 定義各零部件之間連接方式

首先將底盤和地面固定，根據(jù)實際運動情況將各個零件之間添加如固定副、移動副、旋轉(zhuǎn)副等，從而在液壓的驅(qū)動下，經(jīng)過各個零件協(xié)同合作水平臂刷頭、傾斜機械臂刷頭到達工位。

3.2.3 運動仿真

水平臂和傾斜臂輸入速度為Z方向，大小分別為-12.54 mm/s、-1.428 mm/s。將End Time設(shè)定為35 s，Steps設(shè)定為1 000，進行仿真，觀察各個構(gòu)件運動過程，確認零件在各個時間沒有干涉，在不同時刻絕緣子機械臂的運動狀態(tài)如圖4所示。

3.2.4 仿真測量

選取絕緣子清潔設(shè)備水平臂末端法蘭幾何中心，首先建立一個新的marker156點(新的marker157點為傾斜臂末端法蘭幾何中心點)，在“Design Exploration”中選擇測量工具、類型，分別測量新的marker156點沿著X、Y、Z方向的位置曲線以及兩機械臂沿垂直方向Y方向的動態(tài)位移變化曲線[8]，如圖5～圖8所示。

從圖5可以得出，絕緣子機械水平臂末端在運動過程中沿著X方向位置變化在0～15 mm范圍內(nèi)；從圖6可以得出，運動開始時，絕緣子機械水平臂末端處于最低位置，隨著時間的增加，按照一條傾斜曲線的形式升高的，當(dāng)t=35 s時，機械臂的高度達到最大；從圖7中可以看出，絕緣子清潔設(shè)備機械臂末端位置位移在0～35 s，處于一種從小到大又從大到小的狀態(tài)，當(dāng)t=35 s時到達最右端；從圖8可以得出，運動開始時，絕緣子機械水平臂和傾斜機械臂之間距離最小，隨著時間的增加，曲線按照一條傾斜曲線的形式升高的，當(dāng)t=35 s時，機械臂的高度達到最大，實際工作時，兩個機械臂之間應(yīng)該給平腕臂和斜腕臂結(jié)構(gòu)留出空間(平腕臂底座到斜腕臂底座1 900 mm(中心線對中心線))，清潔設(shè)備機械臂工位時，兩臂之間距離為2 485 mm，滿足實際需求，因此設(shè)計合理。

3.2.5 仿真結(jié)果分析

通過仿真得出的曲線可以看出，絕緣子機械水平臂在液壓驅(qū)動下向上運動，垂直方向(Y)始終保持穩(wěn)步上升，水平方向(Z)位置位移先從小到大再從大到小，在X軸方向上機械臂末端位置位移變化在0～15 mm范圍內(nèi)變化，沿X軸方向變化不大，并且在這個運動過程中絕緣子清潔設(shè)備各個零件之間沒有相互干涉情況發(fā)生。

從這個仿真結(jié)果看，模型的各個零件構(gòu)件運動過程和預(yù)期設(shè)計基本相同，達到了預(yù)期效果，因此，該種設(shè)備可以實現(xiàn)對瓷瓶絕緣子的清洗。

4 結(jié)論

針對瓷瓶絕緣子清潔設(shè)計的絕緣子清潔設(shè)備，利用SolidWorks2012軟件對該種清潔設(shè)備進行三維建模，利用Adams軟件對三維模型進行運動仿真，通過仿真動畫可以直觀地觀察絕緣子清潔設(shè)備的水平臂末端的運動軌跡以及兩機械臂距離曲線，為機械臂靜態(tài)、動態(tài)特征的進一步分析提供了條件和依據(jù)。通過觀察水平機械臂末端的位置沿三個方向位移的變化曲線以及兩機械臂距離曲線，驗證了所設(shè)計的絕緣子清潔設(shè)備是符合實際需要。因此，絕緣子清潔設(shè)備機械臂以其獨特的功能，將成為普通鐵路上瓷瓶絕緣子清潔的良好助手，不但可以提高絕緣子清潔的自動化水平，還可以減低污閃事故的發(fā)生，同時大大減低人工操作的勞動強度，提高絕緣子清潔的安全指數(shù)，具有良好的商業(yè)前景。

[1] 杜益剛,田洪強,張文志.基于Pro/E的變電站絕緣子清潔機械臂的設(shè)計仿真[J].制造業(yè)自動化,2013,35(7):133-136.

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[6] 文懷興,雷曉麗.采用Trio運動控制器的搬運機器人控制系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代制造工程,2011(4):38-41.

[7] 劉長征譯.精通SolidWorks2003[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

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DesignandSimulationofInsulatorCleaningArm

JIANG Hong-min, WU Wen-jiang

(Department of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, Hebei, China)

Aiming at the problem that the insulator cleaning was difficult to be automated in the current railway line, the robotic arm with strong adaptability for insulator cleaning was designed. The characteristics of the manipulator and the cleaning process of insulator were described. The three-dimensional parts model of the machine were built and assembled by using SolidWorks software. Simulated with ADAMS/VIEW software, the movement of the position curve of the horizontal arm end flange of the manipulator were obtained alongX,Y,Zdirection, which provided the basis for the further optimization of the manipulator.

insulators; cleaning; manipulator; modeling; simulation

TH122

A

1008-9446(2017)05-0020-05

2016-12-01

姜紅敏(1990-)，女，河北廊坊人，在讀碩士研究生，主要研究方向為設(shè)備輕量化設(shè)計，E-mail：13393236532@163.com。