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湖南長(zhǎng)高電氣有限公司 張建成

1 技術(shù)背景

1.1 傳統(tǒng)作業(yè)方式的不足

隨著電網(wǎng)往高電壓、大容量、集約化等方向發(fā)展，GIS組合電器設(shè)備正越來(lái)越被各級(jí)電網(wǎng)使用，近幾年的各類設(shè)備故障中，GIS故障占比最高，因此其安裝與檢修的工作量也越來(lái)越大，但目前傳統(tǒng)作業(yè)方式存在以下問(wèn)題。

（1）現(xiàn)有條件拆裝作業(yè)可行性差?，F(xiàn)有的GIS變電站開(kāi)關(guān)室內(nèi)絕大多數(shù)內(nèi)一般無(wú)法使用吊機(jī)作業(yè)，同時(shí)大多數(shù)沒(méi)有配置電動(dòng)行車，只在屋頂預(yù)安裝了吊環(huán)，由于吊環(huán)位置無(wú)法移動(dòng)，使得其適用性大打折扣。此外當(dāng)局部停電作業(yè)，附近存在帶電物體時(shí)，吊機(jī)的使用也會(huì)受到很大限制。

（2）非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)存在安全隱患。目前GIS設(shè)備安裝中人力、物資等臨時(shí)性問(wèn)題較多，人員缺乏專業(yè)培訓(xùn)，設(shè)備缺乏質(zhì)量監(jiān)控，導(dǎo)致在GIS安裝作業(yè)過(guò)程中存在安全隱患。

（3）GIS設(shè)備安裝質(zhì)量仍有提升空間。特別是在GIS氣室接觸面對(duì)位時(shí)，工件被吊至大致位置，然后利用人力以及吊索的柔性精確調(diào)整位置，在此過(guò)程中受吊索的自然晃動(dòng)影響，對(duì)位的可靠性和準(zhǔn)確性時(shí)有不足，存在質(zhì)量隱患風(fēng)險(xiǎn)。

（4）作業(yè)勞動(dòng)力密集程度高，不符合生產(chǎn)力進(jìn)步方向。目前GIS拆裝作業(yè)，要求多人多日工作，且勞動(dòng)強(qiáng)度較大，但隨著社會(huì)進(jìn)步及生產(chǎn)力發(fā)展，勞動(dòng)力成本將會(huì)不斷提升，勢(shì)必要求向技術(shù)密集型的智能化裝配方向轉(zhuǎn)變。

1.2 相關(guān)研究現(xiàn)狀

目前針對(duì)GIS設(shè)備智能拆裝柔性裝配系統(tǒng)國(guó)內(nèi)還處于空白階段，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的機(jī)器人都屬于第一代工業(yè)機(jī)器人，它的基本工作原理是示教再現(xiàn)。示教也稱導(dǎo)引，即由用戶導(dǎo)引機(jī)器人，一步步按實(shí)際任務(wù)操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過(guò)程中自動(dòng)記憶示教的每個(gè)動(dòng)作的位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、工藝參數(shù)等，并自動(dòng)生成一個(gè)連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序。完成示教后，只需給機(jī)器人一個(gè)啟動(dòng)命令，機(jī)器人將精確地按示教動(dòng)作，一步步完成全部操作 。使用工業(yè)機(jī)器人的好處有：減少勞動(dòng)力費(fèi)用，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率，增加生產(chǎn)柔性，減少危險(xiǎn)崗位對(duì)人的危害等。

2 GIS智能拆裝平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

2.1 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)已有的實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，典型變電站GIS設(shè)備220kV分支母線筒體直徑290～400mm，筒體中心高2500～3500mm；設(shè)備安放區(qū)域周圍為碎石路面，通道及設(shè)備基礎(chǔ)為水泥路面。

根據(jù)以上現(xiàn)場(chǎng)條件提出如下技術(shù)要求：

（1）靈活性要求?？紤]機(jī)械臂的工作狀態(tài)，在履帶車靜止不動(dòng)時(shí)，只需要調(diào)節(jié)機(jī)械臂，使抓持GIS分支母線到達(dá)目標(biāo)位置，需要完成機(jī)械臂能夠穩(wěn)定地完成舉升、回轉(zhuǎn)、平移等動(dòng)作，要求機(jī)械臂靈活性能好，其主要表現(xiàn)在機(jī)器人的關(guān)節(jié)活動(dòng)速度和關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍。

（2）額定載荷要求。采用典型5m長(zhǎng)分支母線的結(jié)構(gòu)組成，參考各部件的材質(zhì)及重量，合計(jì)重量為295.54kg，因此要求夾具的負(fù)載應(yīng)不低于300kg。

最大設(shè)計(jì)應(yīng)能夾取的分支母線重量為300kg，夾具質(zhì)量為165kg，因此機(jī)器人額定載荷大于465kg。

（3）機(jī)器人質(zhì)量要求。同時(shí)移動(dòng)機(jī)械臂是機(jī)械臂搭載在履帶車上，履帶運(yùn)輸車負(fù)載限制為4000kg，且GIS分支母線的質(zhì)量為300kg，夾具質(zhì)量為165kg，控制柜及其他附件合計(jì)一般不超過(guò)100kg，這就要求機(jī)器人質(zhì)量不超過(guò)3435kg。

（4）最大舉升高度要求。以廣泛調(diào)研的變電站GIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，筒體中心最高3.5m，因此要求最大舉升高度至少也為 3.5m。

（5）機(jī)械臂類型要求。機(jī)械臂外形結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)形式有多種，一般是綜合考慮工作空間大小、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì)難易程度、操作靈活度等實(shí)際工程需要來(lái)選擇的。由于站內(nèi)情況復(fù)雜，GIS間隔間可能沒(méi)有開(kāi)闊的空間，因此需要較高的靈活性，因此需選用關(guān)節(jié)型機(jī)器人而非單臂性機(jī)器人。

（6）機(jī)器人控制器的通訊協(xié)議開(kāi)放，并為用戶提供接口模塊，方便用戶的二次開(kāi)發(fā)。

GIS智能拆裝平臺(tái)系統(tǒng)主要由夾具、機(jī)械臂、計(jì)算機(jī)、工業(yè)相機(jī)、機(jī)器人控制柜、履帶運(yùn)輸車等組成。

2.2 智能機(jī)器人選型分析

依據(jù)以上機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)分析，選擇KR600機(jī)器人。機(jī)器人由固定座、轉(zhuǎn)動(dòng)座、下機(jī)械臂、上機(jī)械臂、萬(wàn)向頭和專用夾具組成。每個(gè)部位的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人配有示教器，用于機(jī)器人的手動(dòng)操作。

2.3 自動(dòng)夾具設(shè)計(jì)

為了避免分支母線外殼發(fā)生塑性變形，設(shè)計(jì)夾具時(shí)，主要靠V型面托起分支母線。設(shè)置有4個(gè)動(dòng)夾爪，保證夾具能夠可靠夾緊分支母線，每個(gè)動(dòng)夾爪上都設(shè)有傳感器，保障作用力均衡分布。

GIS自動(dòng)夾具用于夾取GIS分支母線，根據(jù)實(shí)際工況提出以下設(shè)計(jì)指標(biāo)：

（1）應(yīng)能夾取不同直徑規(guī)格的分支母線。考慮220kV電壓等級(jí)分支母線，根據(jù)調(diào)研，各廠家分支母線外徑規(guī)格在290～400mm，為充分考慮特殊情況，要求最大能夾取外徑為420mm的GIS工件。

（2）應(yīng)能夾取不同長(zhǎng)度的分支母線。同樣考慮220kV電壓等級(jí)分支母線，長(zhǎng)度一般在2～5m。對(duì)于長(zhǎng)度較短的分支母線要求夾爪間的水平間隔不超過(guò)2m。

對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的分支母線主要考慮其重量，典型5m長(zhǎng)分支母線各部件的材質(zhì)及重量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，合計(jì)重量為295.54kg，因此要求夾具的負(fù)載應(yīng)不低于300kg。

表1 分支母線各部件重量計(jì)算結(jié)果

（3）不應(yīng)損壞分支母線外殼。一方面要保障各夾爪受力均衡，不會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中；另一方面在各夾爪受力平衡的情況下，對(duì)GIS工件外殼的壓強(qiáng)不應(yīng)超過(guò)外殼材質(zhì)的屈服強(qiáng)度，GIS分支母線外殼一般采用6005-H112、5052-H112或者5A05-H112的鋁合金材質(zhì)，壁厚大部分采用6mm，也有采用8mm的，其中5052鋁合金屈服強(qiáng)度最低為70Mpa，即要求夾具受力面最大應(yīng)力不超過(guò)70Mpa。

（4）夾具自身不應(yīng)損壞。即在最惡劣工況下，夾具各部分收到的最大應(yīng)力不超過(guò)材料自身的屈服強(qiáng)度。

（5）為防止失電導(dǎo)致夾具所夾持的GIS工件突然掉落，導(dǎo)致人員或財(cái)產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，因此要求具備失電自保持功能。

自動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖2 自動(dòng)夾具設(shè)計(jì)圖

2.4 履帶運(yùn)輸車設(shè)計(jì)

根據(jù)GIS智能拆裝平臺(tái)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)工況，對(duì)履帶運(yùn)輸車提出以下設(shè)計(jì)要求：能平穩(wěn)支撐GIS智能拆裝機(jī)器人；減少智能輔助平臺(tái)對(duì)路面的損傷；采用合適的動(dòng)力源。

根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)的履帶運(yùn)輸車指標(biāo)如下：

履帶運(yùn)輸車設(shè)計(jì)尺寸為3500×1500×750mm（長(zhǎng)×寬×高），帶可伸縮式支腿，采用T型螺紋，手動(dòng)調(diào)節(jié)履帶運(yùn)輸車的水平，4個(gè)支腿伸展后的最大尺寸2250×3500mm，有效保證GIS拆裝智能輔助平臺(tái)在工作時(shí)不會(huì)傾覆。

履帶運(yùn)輸車的履帶采用鋼制履帶 （寬度350mm），并在鋼制履帶上掛膠，既減少智能輔助平臺(tái)對(duì)路面的損傷，也方便橡膠塊損壞時(shí)更換。

履帶運(yùn)輸車采用電池作為動(dòng)力源 （或者采用柴油機(jī)或汽油機(jī)），履帶運(yùn)輸車獨(dú)立操作，不與機(jī)器人操作混合。

3 結(jié)論

綜合以上分析，根據(jù)變電站GIS智能拆裝平臺(tái)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)工況，設(shè)計(jì)的機(jī)器人額定載荷大于465kg，機(jī)器人質(zhì)量不超過(guò)3435kg，最大舉升高度至少為3500mm。夾具的負(fù)載應(yīng)不低于300kg，夾具受力面最大應(yīng)力不超過(guò)70Mpa。選用KR600機(jī)器人滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。履帶運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)尺寸為 3500×1500×750mm（長(zhǎng)×寬×高），采用鋼制履帶（寬度350mm）。通過(guò)對(duì)GIS智能拆裝平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析，可以提高GIS拆裝作業(yè)的安全性和可靠性。