毕业设计（论文）-互感器现场试验智能辅助装置机构设计（全套图纸）.doc

第 48 页 共 46 页互感器现场试验智能辅助装置机构设计 目 录摘要1前言31 绪论41.1 课题来源41.1.1 项目背景41.1.2 国内外的研究进展和水平41.1.3 研究意义和应用前景51.2 研究、推广应用内容和预期成果61.2.1 研究内容61.2.2 关键技术71.2.3 预期技术成果指标71.3 拟采用的研究方法和技术路线71.3.1 研究方法71.3.2 技术路线82 智能辅助装置的机构设计92.1 设计概述92.1.1 设计思路：92.2.2 设计路线102.2.3 最优机构设计方案选择102.2.4 设计预期技术要求102.2 特殊夹具的设计102.2.1 设计要求：102.2.2 最优设计方案选择122.2.3 最优方案的设计与计算142.3 电动夹持手臂的机构设计152.3.1 设计要求152.3.2 电动夹持手臂各机构的选型和计算152.3.3 电动夹持手臂的各类设计图样172.4 定位平台的最优方案选装和定制参数设计192.4.1 技术要求192.4.2 最优设计方案的选装202.4.3 三轴悬臂式直线滑台的选装和定制参数设计222.5 升降平台的选型和改装242.5.1 技术要求242.5.2 升降平台方案的最优选型252.5.3 自行是剪叉式升降机产品特性及型号参数272.5.4 升降机的改装及稳定性实验方案292.6 智能辅助装置的机构设计小结313 基于SolidWorks对智能辅助装置的三维建模及仿真323.1 Solidworks的相关简介和设计优势323.1.1 Solidworks 的相关简介323.1.2Solidworks 的设计优势和设计过程323.2 智能辅助装置的结构与工作原理323.2.1 互感器现场试验智能辅助装置的结构323.2.2 互感器现场试验智能辅助装置的工作原理：323.3 基于Solidworks对各关键零部件和整套装置建模333.3.1 特殊夹子的三维模型图333.3.2 电动夹持手臂的三维模型图353.3.3 三轴悬臂式直线滑台的三维模型示意图363.3.4 含伸缩平台的剪叉式升降机的三维模型示意图363.3.5 互感器现场试验辅助装置的三维模型示意图393.4 基于Solidworks对智能辅助装置关键动作仿真403.4.1 电动夹持手臂夹取和安装特殊夹具的动作仿真403.4.2剪叉式升降机的升降和延伸平台动作仿真413.5 智能辅助装置的三维建模和仿真小结424 总结及展望43致谢44参考文献45互感器现场试验智能辅助装置机构设计摘 要：互感器现场试验作为电能计量装置的重要组成部分,在电网与供电公司、发电厂与电网、大用户与供电公司之间的结算中具有非常重要的意义和作用。一直以来，互感器现场试验需要的人力和财力巨大，需要在试验前中后大面积长时间断电，先搭建好手架平台，再由专业人员高空作业试验。由于试验的现场属于高电压危险区域、现场环境分布复杂,给现场试验的安全性和试验设备装置运输工作提出了严峻的难度和考验。因此,研制出一种集成式的现场试验智能辅助一体化装置是非常有必要。本文综合比较了现有互感器现场试验的多种方法，并针对互感器现场试验中繁重工作量和诸多危险因素的现状，提出了互感器现场试验智能辅助一体化装置的设计思路。它是一种以高空作业车为载体,以中央处理器为中央控制管理单元，通过安卓设备实现远程遥控控制,由高空作业车、滑动云台、机械手臂等改装和设计，以及先进的测量设备组成可移动的高安全性的和经济性的互感器现场试验智能辅助一体化装置。本文将根据整个试验的工作步骤对升降机、三轴悬臂式直线滑台、电动夹持手臂和夹线夹子等多机构尺寸参数进行总体设计，使互感器现场试验智能辅助装置能达到项目各项技术要求。关键字：互感器现场试验 智能辅助装置 机构设计 SolidWorks 建模 动画仿真Absttract: Transformer field test is an important part of electric energy metering device,which is widely used by the power plant and power grid, power and power supply company, power supply companies and users of the settlement. All along transformer field test needs huge manpower and financial resources. before the test ,the large area power cut will last for a long time.Then the workers set up high altitude platform, and working aloft professionally.As a result of the test site belongs to the high voltage danger zone and the distribution of complex environment, which puts forward difficulty work and severe test for the security of the site test and the transport of test equipment.Therefore, developed a field test of integrated intelligent auxiliary integration device is necessary.In this paper, comprehensive comparison of the current transformer is a variety of methods of field experiment.And we take transformer field test of heavy workload and the present situation of the many risk factors into account, and put forward the design idea of integration of intelligent auxiliary transformer field test device.high security and economy of integration of intelligent auxiliary transformer field test device is composed of overhead working truck as the carrier, in central processing unit (CPU) for the central control unit, through the android devices to realize remote control, by overhead working truck, sliding yuntai,advanced measuring equipment and mechanical arm by modification and design. According to steps of the test ,this article will work from the elevator, triaxial cantilever type linear sliding table, to electric clamping arm and clamp wire clip one by one. And realize the overall design on the basis of institutions size parameters.Finally make intelligent auxiliary transformer field test device can meet technical requirements of the project.Key words: Transformer field test；Intelligence assist device；Mechanism design；SolidWorks；Modeling animation simulation前 言本课题为互感器现场试验智能辅助装置机构设计，课题源于福建省互感器现场试验智能辅助装置的实体项目。随着电力行业体制改革和技术改革的不断深入,各个电能大用户和各级供电公司之间、各级供电公司和电网之间、电网和发电厂之间的结算都要求通过电能计量装置进行。同时，随着电网建设的快速发展，现场计量互感器数量随之快速增加，计量互感器的检定任务也随之快速增长。同时，供电用电双方企业对“挖潜增效”工作的进一步推进，计量关口也将进一步成为双方的关注焦点，因而对包括计量互感器在内的计量装置的检定将更加严格。现场试验装置属于安装式设备,必须在现场完成试验,以防止重大事故的发生。由于现场的高电压和分布环境,给现场试验的安全性和试验设备搬运工作量提出了严峻的考验，以试验一次电流1000A为例，质量为50100kg，升流器容量约10kVA，再加上标准电流互感器（CT）、调压器、导线等，总质量约200kg。特别是安装在变电站现场的电流互感器，由于安装位置高，现场检定时需要登高作业。按照安全规程，工作人员需要事先搭好脚手架，把仪器设备搬运到脚手架上，然后将一次电流线与被检电流互感器连接妥当后，进行测试。从准备工作、测试到恢复现场，检定工作周期长，强度大，安全隐患多，作业效率很低。以220kV变电站为例，完成脚手架的搭建就需要一天时间。这个过程需要停电作业，停电时间过程，对供电系统影响很大，不利于设备的快速检修和恢复，同时也增加了安全生产的隐患。互感器现场校验受现场条件的限制,长期以来开展该校验项目难度较大、劳动强度高、工作效率低、质量不高,现场校验没有固定的试验平台,也没有设备固定的合适地方,每次现场校验都要装卸试验设备,给人力资源带来极大的浪费,也很不方便。这个问题在国内外至今都没有得到很好地解决。 因此,非常有必要研制一种集成式的互感器现场试验智能辅助一体化装置来解决成本、安全性等问题。本文针对互感器现场校验检定的诸多不安全因素和繁重工作量的现状,并综合比较了互感器现场校验的几种方法,提出了互感器现场试验智能辅助一体化装置的研制思路。本文详细说明了这种新型的互感器现场试验智能辅助一体化装置的机构设计内容。该文内容将依次从项目、设计要求、设计概述、各部件设计、关键零部件的设计分析、SolidWorks三维建模及仿真、基于MATLAB对整体设备稳定性及动力学分析阐述。本文主要使用计算机软件SolidWorks和MATLAB分别作为建模和分析工具。该课题有多种整体设计方案，该文只阐述最优方案之一。为了完成装置工程样机，部分零部件已加工成实物。本文根据课题要求仅对装置机构设计进行详细阐述。1 绪论1.1 课题来源1.1.1 项目背景互感器是电能结算的必要计量装置。国家技术监督部门及电力部门的规定都要求对互感器执行强制检定，以保障供电用电双方的利益。但是，长期以来人们不够重视计量互感器的现场检定，甚至因测试仪器笨重而难以普及现场首次检定及周期检定工作，不能保证计量的完全正确和覆盖。以测试一次电流1000A为例，升流器容量约10kVA，质量为50100kg，再加上标准电流互感器（CT）、调压器、导线等，总质量约300kg。 特别是安装在变电站现场的电流互感器，由于安装位置高，现场检定时需要登高作业。按照安全规程，工作人员需要事先搭好脚手架，把仪器设备搬运到脚手架上，然后将一次电流线与被检电流互感器连接妥当后，进行测试。从准备工作、测试到恢复现场，检定工作周期长，强度大，安全隐患多，作业效率很低。以220kV变电站为例，完成脚手架的搭建就需要一天时间。这个过程需要停电作业，停电时间过程，对供电系统影响很大，不利于设备的快速检修和恢复，同时也增加了安全生产的隐患。同时，随着电网建设的快速发展，现场计量互感器数量随之快速增加，计量互感器的检定任务也随之快速增长。同时，供电用电双方企业对“挖潜增效”工作的进一步推进，计量关口也将进一步成为双方的关注焦点，因而对包括计量互感器在内的计量装置的检定将更加严格。因此，如何为计量互感器检定工作提供便捷的仪器和工具设备等成为进一步提升计量互感器的检定质量，确保电能量计量准确的关键；也是减少安全生产隐患和降低劳动强度的关键。1.1.2 国内外的研究进展和水平针对这些问题，国内外的技术人员也进行了各种尝试。（1）改进检定设备，使设备朝着轻量化发展。20世纪80年代，国内的研究学者就提出了“二次电流下测误差的测量用大电流互感器”，但但是由于原理不够完善，使用对象受到限制，也不在检定规程的范围，因而没有计量的合法地位，不能正式使用。目前,互感器现场试验方法主要有两种,包括直接断电搭建工作平台和通过升降装备工作人员在高空进行试验。两种方法皆需要工作人员高空作业，且两种方法都不具备普遍适用性，工作过程存在一定的危险性，测量过程中高电流产生的电磁辐射会对工作人员健康造成伤害，且需要长时间断电，给变电站的安全可靠运行带来众多安全隐患等。（2） 通过辅助装置方便试验过程。 在现有实际试验中，试验的工作人员必须通过吊车或者托架将标准电流互感器和升流器提升至电流互感器一次接线端子排附近以减小试验回路阻抗来确保试验顺利进行。而目前已有的升降作业台在最大行程为10m左右的，自重均在1000kg以上，结构笨重，不方便移动。但是，已有的研究都没有从根本上改变登高作业所带来的安全隐患和高强度作业的问题。1.1.3 研究意义和应用前景（1）现有现场试验面临的问题：1.互感器现场试验的工作量非常繁重,现场大电流和高电压互感器的试验,配套有相应的大电流和高电压测量设备,这些设备不仅价格昂贵,而且难以移动；2.因为受到试验现场环境的限制,现场试验仍不能完全满足相关规程规定的要求，并且试验完成质量比较低；3.互感器现场试验成本高昂,试验所需工作人员多。此外，还需租用运输工具进行运输、租用吊车等进行高空升降作业；4.互感器现场试验仪器的体积大,重量重。在每次试验过程中需经常搬运移动，非常容易对仪器造成一定的损坏，增加了发生严重的安全隐患的几率；5.目前在实施大电流、高电压互感器现场试验时现场环境存在诸多危险因素，比如临时租用吊车或起重机,由于租用设备使用人员都是随机借用的,不具有电力系统相应常识，且不熟悉现场复杂环境及待吊装置的特性,在吊装过程中，一个小失误变有可能导致重大安全隐患发生；6.因为每次试验环境的不同，进行互感器现场试验的设备和仪器数量多，装搭接线复杂，极易造成人为差错发生，对仪器和人身安全造成威胁。同时每次试验校验仪器、设备搭接都需要耗费时间和精力，并且容易发生错误。这些都会直接影响现场试验数据，很难充分保证计量校准数据的公正性和准确性；7.互感器现场试验属于高电流、高电压检定。试验项目新、难度大、多变，同时对安全有着很高的要求。因此，目前试验工作人员试验操作难以规范，不利于实现工作人员规范化操作；因此，研究一种能够替代人工去完成登高作业，降低安全隐患，辅助工作人员完成互感器检测的设备显得尤为重要。本课题目的在于研究出一种能够将互感器检定的仪器设备自动运载到工作高度，并自动完成接线的智能辅助装置。智能辅助装置的应用将能够避免工作人员的登高作业，降低了安全隐患；能够减少工作人员提升仪器设备和导线的工作，降低了劳动强度；能够快速完成仪器设备的定位和接线，缩短了工作时间，避免电力设备长时间停电的影响。该课题主要立足研究试验辅助装置的机构设计，通过查阅与此相关的各类资料及文献，并根据自己所学的专业知识以及与导师进行讨论确定论文题目。（2）本课题研究的智能辅助装置在以下方面有广泛的应用前景：1.计量互感器的现场检定：全国各地电能计量中心平均负责百十座变电站近千个关口计量点的互感器新装、更换、设备改造的首次检定和周期检定工作，工作量很大。智能辅助装置在互感器现场检定中减小安全隐患、降低劳动强度和提高工作效率将起到重要的作用，具有广泛的应用前景。 2.高空试验接线：电力系统中需要利用大电流电缆的进行临时试验连线时，用智能辅助装置可以将很重的电线送上空中，并自动接好连线。3.有效降低互感器现场试验时长、成本：现有试验成本居高不下,试验人数需求较多,同时,还需租用大型货车进行运输、租起重机械进行高空升降作业。新型互感器现场试验智能辅助一体化装置能适应各种现场条件，无需额外设备，现场试验时长大大缩短，减少断电时间和人力资源。 4.提高互感器现场试验的安全性，避免人员高空作业：互感器现场试验需要试验人员较多，需要高空搭建工作平台（此过程需全程断电），工作人员存在高空作业的危险。新型互感器现场试验智能辅助一体化装置能通过专门定制升降机遥控升降。工作人员只需通过监控摄像头在地面实现从升降到接线再到收线的远程遥控即可。这样大大提高了互感器现场试验的安全性，避免工作人员高空作业。5.全新的试验方式和手段，具有高经济和社会效益：通过整合专业升降机、三轴悬臂式直线滑台、电动夹持手臂、装夹装置、平板遥控装置以及各类传感器等等组成的新型互感器现场试验智能辅助一体化装置具有高性能高效益的工作能力，能实现全遥控便捷安全的全新试验方式。减少人为接线错误的几率，减少设备停电时间,节约大量人力、物力、财力，提高工作效率和工作效果,经济效益和社会效应十分显著。1.2 研究、推广应用内容和预期成果1.2.1 研究内容（1）针对不同的现场环境进行归纳、总结，建立互感器现场试验智能辅助装置的设计需求模型；（2）根据智能辅助装置的设计需求模型，进行系统分析与设计；（3）根据需求模型对智能辅助装置的结构设计；（4）智能辅助装置的传感器系统设计；（5）智能辅助装置的控制系统设计；（6）智能辅助装置的试制与调试。1.2.2 关键技术（1）智能辅助装置的系统设计；（2）智能辅助装置的结构设计，包括分体式的升降装置、接线装置；（3）智能辅助装置的传感器系统设计，升降定位和接线定位；（4）智能辅助装置的控制系统设计。1.2.3 预期技术成果指标（1）智能辅助装置的关键技术指标如下：1、便于运输，符合快装要求； 2、能方便在不同的变电站和电站现场内移动； 3、自动或者手动进行工作高度的定位； 4、自动或者手动进行线路定位和接线；（2）关键技术指标： 1、辅助装置最大载重为100kg 2、最高工作位置为8m 3、移动地面环境为水泥路面、草坪、碎石地面等 4、可自动支撑非规则平面的装夹，且装夹面可支持不小于4000A电流 5、支持手动遥控作业模式1.3 拟采用的研究方法和技术路线1.3.1 研究方法（1）理论分析与工程样机研制相结合的方法研究通过不同的应用环境，建立智能辅助装置的理论研究模型，进行各种结构的理论分析计算，确定结构各部分的结构参数和装配参数；完成理论分析之后，运用理论分析的结果完成工程样机的研制。（2）系统设计中应用产品模块化设计方法，模块化设计是着重与模块的系列化、标准化和通用化的一种设计方法。在智能辅助装置设计过程中利用模块化的产品设计方法，可以将不同模块的设计工作并行展开，能够加快产品的设计过程；同时也可以将产品设计进行系列化、标准化和通用化的优化。（3）利用CAD/CAE相结合的产品优化设计方法智能辅助装置设计过程中利用先进的计算机辅助设计工具（CAD/CAE）等工具，利用CAD工具能够快速建立智能辅助装置数字样机，随后利用CAE工具进行智能辅助装置数字样机的分析测试，检验产品的设计性能；设计过程中利用优化分析方法对智能辅助装置的设计进行全面优化。1.3.2 技术路线具体来说，本项目采用的技术路线可以按照以下步骤来进行：（1）针对不同的现场环境进行分析、归纳、总结，建立互感器现场试验智能辅助装置的具体需求；（2）根据具体需求建立智能辅助装置的设计需求模型；（3）按照设计需求模型，进行互感器现场试验智能辅助装置的系统分析设计；（4）分析系统设计结果，利用模块设计方法进行子模块的分析和划分；（5）建立智能辅助装置系统模型和分系统模型；（6）进行理论分析计算，获得相应的设计参数，包括结构参数和装配参数；（7）建立智能辅助装置的参数化三维模型；（8）根据设计结果，加工、装配智能辅助装置；（9）调试、测试智能辅助装置。2 智能辅助装置的机构设计2.1 设计概述2.1.1 设计思路：升流器负载箱标准电流互感器被测电流互感器调压器数字式互感器校验仪计算机打印机图2.1电流互感器检定工作框图 测试原理的简单描述就是用大电流通过标准互感器和被检互感器，看输出两者是否匹配。下图2.2中的三个就是A、B、C三相的电流互感器安装在现场的情况。如果要检定，则需要通过最大约4000A的大电流，由于电流太大，负荷（主要是线路和互感器的阻抗）需要尽可能小，否则升流器功率无法满足。因此要将升流器、标准互感器放置到被检互感器的旁边（尽可能缩小线路长度），但升流器、标准互感器很重，提升很困难。因此，需要综合考虑其解决方法。图2.2 试验现场照片 解决方法（思路）：将升流器和标准互感器安装在专业的升降平台上，在升降平台顶端设计特殊的自动化装置，其必须能精准定位、多轴移动、实现仪器和被测互感器的连接动作，通过远程控制该自动化装置将测量仪器的夹具连接到被测互感器上，整个实验过程由工作人员在地面上通过安卓平台远程控制，关键操作均由视频摄像头在安卓设备上实现远程实时监测。2.2.2 设计路线（1）为了达到项目各类预期设计要求，我们将从整套试验末端即与被测量装置（已知外部几何参数的高压线柱）接触的特殊夹具开始初步设计，提出各类方案，并选择最优方案。（2）接着根据特殊夹具的特性及各项技术要求对夹爪手臂进行初步设计，同样提出各类方案，综合各因素选择最优方案。（3）根据项目预期技术指标选型配合夹爪手臂及特殊夹具精确定位的移动平台。同样综合考虑各类方案结合项目各项要求选出最佳方案。（4）最后根据项目关键技术指标要求综合考虑现有各类升降方式选择最优升降平台。（5）综合考虑各个环节方案最终定型整体设计方案。2.2.3 最优机构设计方案选择（方案确定过程、方案详细内容等将在文中呈现）： 特殊夹线夹子电动夹持手臂三轴悬臂式直线滑台双桅柱式升降机 其中特殊夹线夹子、电动夹持手臂需根据预期技术指标要求进行创新型设计。三轴悬臂式直线滑台、双桅柱式升降机只需根据技术指标要求在市面上选型及部分改装。2.2.4 设计预期技术要求（1）辅助装置最大载重为100kg（2）最高工作位置为8m（3）移动地面环境为水泥路面、草坪、碎石地面等（4）可自动精确进行非规则平面的装夹，且装夹面可支持不小于4000A电流（5）可自动将特殊夹具装夹和取下（6）整个试验过程操作简单、装置运动轨迹简单、成功率高。（7）可靠性强、成本低廉、具备量产可能性。2.2 特殊夹具的设计2.2.1 设计要求： 在互感器试验中需要将升流器、标准互感器与被测互感器连接，而我们设计的特殊的夹具就是起到连接作用。（1）装夹位置：电流互感器的一次侧的进线和出线，需要用测试电流线和电流互感器的两侧装夹起来，但是不同类型的电流互感器形状不太一样。特别是测试电流比较大，需要最大电流到4000A。（下图2.3为项目被测互感器的实际照片）图2.3 多种被测互感器的现场照片 招标甲方给我们提供了现阶段使用的手工装夹电流互感器引线采用的方法，即下图2.4的装置进行装夹。图2.4 手工夹具 其中，放笔的位置为夹住互感器接线端子的位置，通过转动下方的木质手柄进行夹紧。引出的线通过后端孔，通过螺钉与电流线相连。（图2.5）图2.5 手工电流线和夹具（2）设计参数 综合以上数据，我们对夹具的基本设计参数有了一个大致设计轮廓： 1、能配合电动手臂实现夹持和松开，要求动作简单、稳定性高。 2、装夹厚度尺寸范围应满足：5-30mm（被夹物体） 3、为了方便定位操作，夹具要求双向同步夹持。（上图为单向，但在自动化操作中很难适用）2.2.2 最优设计方案选择在满足设计要求的前提下，综合考虑设计出以下三套夹具方案（SolidWorks建模截图）：（1）方案一图2.6 方案一优点：1、夹板可在垂直平面内移动，便于装夹； 2、结构新颖、美观。缺点：1、零部件、结构复杂、制作难度大、成本较高； 2、夹持动作较复杂、稳定可靠性较低； 3、与电动手臂的接触点为线接触，不利于电动手臂的夹持。 4、被测互感器不能与电流线通过一个零件直接连接。（2）方案二图2.7 方案二优点：1、结构简单，小巧轻便，稳定可靠； 2、加工难度低，成本低廉； 3、被测互感器能与电流线通过一个零件直接连接； 4、适应性强，可设计多种不同尺寸和形状适应不同试验要求。缺点：暂无（3） 方案3图2.8 方案三优点：1、结构简单； 2、被测互感器能与电流线通过一个零件直接连接。缺点：1、经实际加工制作，最大问题是导柱与滑套很容易锁死，无法运动； 2、体积较大、加工制作难度较高； 3、运动轨迹不便于装夹定位。综合以上3套方案，选择方案二为最佳方案。2.2.3 最优方案的设计与计算（1）弹簧 在无外加力的情况下，弹簧使两压板夹紧，并有一定的夹紧力。所以在此需采用压缩弹簧。图2.9 各类压缩弹簧 各类压缩弹簧在各类压缩弹簧中，中凹型弹簧最为适合，因为中凹型压缩弹簧阻尼特性线接近于直线，自振频率为变值，防共振能力比变节距的压缩弹簧强。稳定性好，机构紧凑，能承受较大载荷，压缩弹性变形许用量大，有利于整个装夹动作的稳定完成。（中凹型压缩弹簧特性线如下图所示）图2.10 中凹型压缩弹簧（2）特殊夹具的具体设计尺寸参数：见光盘中三维图。2.3 电动夹持手臂的机构设计2.3.1 设计要求作为在三轴悬臂滑台和终端夹线夹子之间的关键枢纽，将夹具安装在被测互感器上。（1）平稳精确地夹持夹线夹子安装在被测互感器和取夹器上；（2）平稳精确地将夹线夹子从被测互感器和取夹器取下；（3）能双向同时进给运动。（一面固定，另一面单向运动的夹爪在取下夹子时在实际试验中会遇到问题，在此不做特别说明）2.3.2 电动夹持手臂各机构的选型和计算（1） 动力源的选择 电动夹持手臂以电源为动力，它由执行机构和控制电路两个在电路上完全独立的部分组成，这里只对执行机构作出设计说明。除电动外，目前市场上比较主流的夹爪类型还有气动和液动。相对于气动、液动夹爪而言，这里设计的电动夹持手臂主要有以下几点优势： 1.与气动、液动夹爪不同，电动夹持手臂不需要特定的气压源和液压源，即使突然断电，也能使夹爪保持断电前的位置，避免高空落物伤人。 2.在互感器现场试验中需要远距离传输信号要求的情况下，电信号更易与计算机连接，更容易实现智能远程控制，而且在进行线路检测时也更加便利。 3相较于其它方式，电动夹持手臂能实现夹爪位置和夹持力的精确控制。 综合以上优势，得出在这里使用电动夹持方式为最优选择。（2）电机 电机种类繁多，我要们要综合考虑能方便远程精确控制，以及电机尺寸等各项要求。伺服电机可通过PLC轻松控制电机转向、转速等，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。在这里最适合使用伺服电机。 1、伺服电机型号选择： 24V 120W 圆57无刷伺服配1000线编码器 + 交流伺服电机驱动器 2、电机转动参数计算： 根据实际要求我们设定电动夹持手臂加紧和松开的过程均为2.5s 对单边螺杆进行分析：螺母在螺杆上行进速度为v=25mm/2.5s=10mm/s 又因为根据国标选定螺纹导程S=P=2mm，所以伺服电机的转速V=300r/min (以上电动机转矩、转速、转向、限位控制均通过系统设计实现控制，课题只针对机构设计进行说明)（3）传动机构直线传动中有齿轮齿条等传动方式。为了实现平稳精确地控制，完成双向同步夹持动作，并能与电机通过简单机构配合，我们选用双向螺杆螺旋传动方式。螺旋传动类型的选择： 1.螺旋传动：螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它能平稳精确地将电机的回转运动转变为夹持所需的直线运动。 2.传导螺旋：这里的螺旋传动以传递运动为主，需在较长的时间内连续工作，要求较高的传动精度，并能承受较大的轴向载荷。 3.滑动螺旋：结构简单、便于制造、易于自锁。 4.梯形螺纹：工艺性好，牙根强度高，对中性好，最为常用。 5.双向螺杆：同步实现双向夹持动作。（4）双向螺杆和配套螺母的螺纹计算图2.11 国标GB/T 5796.1-2005 根据国标GB/T 5796.1-2005，结合设计要求选取表1中螺距P=2mm的尺寸。可得其基本牙型如上图1所示。2.3.3 电动夹持手臂的各类设计图样（1）机构设计简图图2.12 机构设计简图（2）电动夹持机械装置结构爆炸图图2.13 结构爆炸图（3） 电动夹爪机械装置各个元件名称表表2.1 元件名称表编号元件名称编号元件名称1双向螺杆6夹板2螺杆轴承座7安装底座3螺母8电机4连接滑块9电机支座5直线导轨（4）电动夹持机械装置装配全尺寸SolidWorks三维图图2.14 三维装配图（5）电动夹持手臂各零件图纸元件见附件。2.4 定位平台的最优方案选装和定制参数设计2.4.1 技术要求在互感器现场试验智能辅助装置中作为升降平台与被测互感器之间的移动枢纽，将电动夹持手臂比较精确地定位到特殊夹具与被测互感器的连接处。图2.15 项目现场被测互感器照片（1） 能够较大范围地在三维空间中精确定位（上图为项目中被测互感器的照片） 1.正对被测互感器横向移动范围应大于等于1200mm 2.正对被测互感器前后移动范围应大于等于700mm 3.正对被测互感器纵向移动范围应大于等于500mm（2）运动轨迹简单，便于远程遥控操作（3）结构轻巧，能适应现场复杂环境（4）能适应户外工作，易于维护维修，可靠性高。2.4.2 最优设计方案的选装（1） 方案一：多自由度机械手臂图2.16 方案一优点：1、重复动作精确度高（能够0.05 mm）； 2、除了三维空间定位，还能实现多角度精确定位。缺点：1、整套设备质量过重（满足技术要求的设备市面上多大于200kg）； 2、现场试验非重复动作，每次试验需重新定位，定位过程复杂，不便于现场操作； 3、市场价格昂贵，维护成本高； 4、功率较大，电源要求高； 5、动作范围比较局促，若需满足项目要求，横向移动还需加装滑台； 6、多用于室内高精密仪器制作工作，难以适应户外工作。（2） 方案二：三轴悬臂式直线滑台图2.17 方案二优点：1、定位动作简单，方便系统设计和现场操作； 2、定位精度高（能够0.02 mm）； 3、成本低，结构便于维护维修（市场价格5000元左右），可靠性高； 4、定制程度高，市面上可依照客户需求高度定制； 5、三维空间定位范围大，能独自满足项目要求； 6、安装和改装难度低，便于在升降平台的安装和安装电动夹持手臂； 7、铝合金材质，装置轻便，符合项目要求。缺点：暂无综合以上两套方案比较，明显可知三轴悬臂式直线滑台更适合项目技术要求，所以方案二为最优选装方案。2.4.3 三轴悬臂式直线滑台的选装和定制参数设计（1） 三轴悬臂式直线滑台的选装1.产品型号：北京九维银泰科技发展有限公司工业机械手臂ZTSA1602.产品特点：a）产品多样化，可搭配需要选用；b）驱动方式：滚珠丝杆、传动皮带； c）电机选择：可选配30W750W伺服电机，也可选配步进电机； d）电机连接：直接、下接、内藏、左接、右接，依使用空间而定； e）有效行程：100mm2000mm，依丝杆转速而定； f）可承载：水平最大300kg，垂直最大80kg； g）单轴可任意组合成多轴使用，组装与维护方便。 h）U型铝挤压型底座，重量轻、刚性好。 i）可依客户需要做定制化、特殊件（单件或组合件）的设计制造。（2）三轴悬臂式直线滑台的简单定制设计 1.三轴悬臂式直线滑台简单三维图（依定制尺寸简单建模）图2.18 三轴悬臂式直线滑台三维示意图 2.三轴悬臂式直线滑台定制参数设计 根据设计要求定制参数：a）工作面（mm）：160160b）丝杆螺距（mm）：5c）行程（mm）：x轴（固定横向滑轨）1200mm y轴（前后方向滑轨）：800mm z轴（纵向滑轨）：600mm d）最高速度（mm/s）：500 e）水平/垂直承载(kg)：110/35 f）电机（W）：200Wg）重复定位精度（mm）：100 0.012.5 升降平台的选型和改装2.5.1 技术要求（1）升降机需适应的环境（下图为实地试验现场照片）：1、 移动运输需经过碎石地、草地、不规整路面；2、 除了直上直下的动作外，能进行小范围的水平面移动（绕过障碍物）；3、 户外露台工作；4、 互感器现场试验时能在不规整地面上调平设备，并具有较高稳定性；图2.19 实地试验现场照片1图2.20 实地试验现场照片2（2） 升降机的基本工作要求1、升降工作高度高于8米2、非工作状态下移动时体积小巧（长宽高均小于：2m1.5m3m）2.5.2 升降平台方案的最优选型（1）各类升降装置 升降机根据其结构的不同可以划分为五大类：铝合金式升降机（如图1.1）、套缸式升降机（如图1.2）、剪叉式升降机（如图1.3）、曲臂式升降机（如图1.4）以及导轨链条式升降机等。1、铝合金式升降机的起升部分采用的是铝型材料，它操作方便，体积较小，重量也比较轻，而且还有造型美观，移动方便等优点，在高空作业领域也是常用设备之一。主要产品有单立柱式、双立柱式和多立柱式等；2、套缸式升降机采用多级液压缸直立升降的形式，具有稳定、美观的特点，主要用于照明电器维修和电路检测等方面。3剪叉式升降机采用剪叉机械结构，使升降台起升有较高的稳定性，宽大的作业平台和较高的承载能力，使高空作业范围更大，高空作业效率更高，安全更保障。4、曲臂式升降机能伸缩作业并可以跨越一定的障碍物进行多点作业，消防队多使用这种升降机。 图2.21 各类升降机图（2）市面上最优选型综合考虑各类型升降装置的可操作性、成本、稳定性、场地和试验适应性等各项因素。我们决定采用特殊的剪叉式升降机进行改装。剪叉式升降机只有纵向的运动轨迹，在上升下降中不会产生其它方向的位移，这样的好处在于方便通过摄像头目测并使升降机进行粗略地定位操作，同时有效避免在上升过程中产生其它方向的位移导致安全事故的方式。同时，剪叉式升降机具有宽大的作业平台和较高的承载能力，能方便测量仪器的放置和平台改装。剪叉式升降机种类繁多，有固定剪叉式升降机，移动剪叉式升降机，自行剪叉式升降机，车载剪叉式升降机，人工牵引剪叉式升降机，载货专用剪叉式升降梯等。在这里，采用移动剪叉式升降机，自行剪叉式升降机，人工牵引剪叉式升降机较为适合，其中自行剪叉式升降机为最优选择。2.5.3 自行是剪叉式升降机产品特性及型号参数综合考虑多方面因素，我们决定采用Haulotte 欧历胜集团型号为Compact8的剪叉式升降车。（1） 产品特性：可充电式全电力驱动便于户外移动。全高度驾驶能力，能平衡式控制可使运动平缓渐进，这点非常利于精确定位，并节省定位的时间。狭窄的旋转半径为在拥挤场地工作提供了出色的灵活性。地面和平台上都有配有紧急停止按钮，3度倾斜传感器与锁孔保护提高了安全性，0.92米的可延伸平台使整个机身在互感器试验中更加灵活，4公里/小时的行驶速度，3度的爬坡能力使之具有良好的稳定性。平台和地面上都备有控制台，有利于系统控制的改装。底盘配有四角扩散式液压支腿，保证静止实验时整套设备的稳定性。人性化以及特殊的平台设计使其坚固，可靠，易于维护保养。 除此之外该升降设备还标配了很多很实用安全的辅助装置，可以直接用于互感器现场试验中：倾斜报警装置、超载报警装置、自行控制行驶速度、紧急下降装置和安全带锁扣。最终要的是它350kg的承载能力远满足项目技术要求，非常利于设备改装。图2.22 Haulotte型号为Compact8的剪叉式升降车（2） 型号及技术参数：表2.2 型号及技术参数型号Compact 8工作高度8.2m平台高度6.2m承载能力350kg收藏长度（A）2.48m收藏宽度（B）0.81m收藏高度（C）2m平台尺寸（F x G）2.3 x 0.8m平台延伸距离0.92m上升/下降速度41/37 sec行驶速度1 - 3.5km/h转弯外径2.38m爬坡能力25%动力来源24V - 185Ah轮胎实心无痕轮胎重量1730kg图2.23 升降机三视图2.5.4 升降机的改装及稳定性实验方案（1）剪叉式升降机的平台改装 升降装置的改装主要是在平台上，使三轴悬臂式直线滑台精确稳定地安装在升降平台的延伸平台上。在此只需设计一个能可靠承载三轴悬臂式直线滑台的安装座板，然后将安装座板精确焊接或安装固定在延伸平台上。除此之外还需在平台上设置出升流器、标准互感器的放置位置。图2.24 升流器和标准电流互感器的大小示意图（地面的瓷砖是60cm60cm）（2） 加装测量仪器及定位装置的升降机稳定性的实验方案在这里主要考虑升降机在8米最高工作高度的工作状态下，加装测量仪器等装置的升降平台的偏摆量是否超过安全标准，即采购升降装置自带的倾斜报警装置是否会发出报警。在这里有两种方法可以采用两种方法进行整套装置稳定性的判断。一种方法是通过计算，建立附有关键参数的简单模型通过理论力学、材料力学或者结构力学进行计算判断其稳定性是否可靠，是否需要加装配重装置。但这种方法中建立简单的模型可靠性差，建立完全符合的模型又太复杂，简单的力学计算不足以验证其稳定性是否可靠。因为整套装置变量因素过多，比如升降机各个机构的质量分布情况、加装的测量仪器及三轴悬臂式直线滑台等三维空间内的质量分布情况，这些必要参数都很难测量。因而做模拟仿真难度大并且不能保证辅助装置的绝对安全可靠。另一种方法是通过实验，购置升降机后，将相应测量设备安装到延伸平台上，然后在水平地面上逐渐升高高度，若达到最高工作高度8米，倾斜报警装置（倾斜角度3）仍未发出报警，即可证明整套装置稳定性安全可靠。相反若在未达到8米前装置即发出警报，证明装置稳定性不足，需要加装相应配重。这种实验方法可靠性和可行性高，试验难度较小。因为剪叉式升降机还未采购，不能进行实验说明，本文只对实验方法进行详细说明：1、 将所有配套装置安装到剪叉式升降机上；2、 将整套装置移动到户外的平坦的地面上，再将四脚扩散式液压支腿启动并调平整套装置；3、 完全打开延伸平台，将三轴悬臂式直线滑台的x轴、y轴、z轴均调整到极限工作位置，如示意图2.25所示。图2.25 实验时装置的极限工作位置示意图4、 绘制实验数据采集图表（表2.3），初始收藏高度2米，每上升1米进行一次数据测量，共6次实验。表2.3 实验数据采集表实验次数高度（m）倾斜角度（）是/否报警报警高度1234565、 实验注意事项： a）任何一次试验过程中，倾斜警报若响起，立即按下紧急停止和紧急下降按钮； b）若倾斜警报响起，需根据报警响起的高度加装相应配重，或者重新布局升流器和标准互感器位置（等同于增加配重），然后从初始状态重复进行实验，直到报警器不再响起。2.6 智能辅助装置的机构设计小结互感器现场试验智能辅助装置作为一正在进行的实体项目，国内外相