GIS检测机械臂结构设计和优化

GIS检测机械臂结构设计和优化

卢智斌刘振武

（桂林长海发展有限责任公司，桂林541001）

摘要：随着我国电力输送系统的发展，当前在变电站中已经广泛使用GIS系统进行电路控制，在电路检测过程中，机械臂检测方式由于能够降低劳动力被大量使用。基于对机械臂挂载设备以及所要满足功能的分析，本文提出GIS检测机械臂的结构设计过程，并在此基础上进行GIS检测机械臂的结构优化，让机械臂能够更好用于GIS检测。

关键词：GIS检测机械臂；结构设计；结构优化；有限元分析

引言：

GIS检测机械臂设计和优化过程中，需要使用有限元分析方法对其受力情况进行分析，以进行相关参数的确定，从而使机械臂能够满足负载要求。另外，机械臂工作中需要对挂载X射线检测装置进行GIS开关检测，需要对相关参数进行考虑防止机械臂使用过程中发生变形现象。在满足设计和工作要求的情况下进行机械臂结构优化。

1GIS检测机械臂结构设计

1.1检测机械臂的约束

在机械臂设计时，需要考虑其中涉及的各种约束从而进行杆件、关节甚至底座参数确定，GIS检测机械臂主要约束如下：（1）工作范围。工作范围主要由GIS开关的排列间距和高度确定。例如在某变电站中GIS开关在同一高度，且高度为0.9m，开关中心距为2.4m，由于机械臂基座与小车连接，当小车可移动时机械臂展开长度能够满足高度要求即可，即机械臂末端与基座轴线重合时，末端距离地面0.9m即可。（2）挂载设备重量。机械臂系统的载荷主要在机械臂末端，设备主要为X射线发生器，同时还涉及相关设备的夹具重量，例如，某X射线发生器重量为20kg，考虑到夹具重量，机械臂的有效载荷需要按照30kg来设计。（3）机械臂系统折叠体积。机械臂系统折叠体积主要由机械臂的连接杆长度决定，连接杆长度需要满足折叠状态下的长、宽和高的要求。（4）机械臂系统整体重量和强度要求。通常连接杆为轻质高强度结构，并需要在优化过程中进行减重设计。

1.2检测机械臂关节确定

在机械臂设计中，通常采用杆件与关节连接的方式进行机械臂伸缩和控制，这就要求需要根据机械臂的功能要求进行关节确定，常见的关节系统如下：（1）直角坐标关节。这种关节有很高的结构强度，并且没有死点，但是工作范围较小，灵活性差。（2）球坐标关节。这种关节运动空间很大，并且关节本身体积较小，但是在工作过程中关节部位不易被防护，机械臂定位过程复杂。（3）圆柱型关节。这种关节控制过程较为简单，并且会提升机械臂强度，成本也较低，但是这种关节工作中的死区多，并且机械臂定位困难。（4）关节型机械臂。这种机械臂有很强的灵活性，并且工作范围较为广阔，相关部位容易被保养和维护，但是控制系统编程较为复杂。（5）SCARA型机械臂。这种机械臂运行速度快，并且结构简单，但是控制系统编程困难[1]。

考虑到GIS检测机械臂的工作环境和工作范围，结合机械臂工作时的维护和保养的要求，通常GIS检测机械臂采用关节型机械臂进行设计，以更好地满足工作要求。同时由于机械臂工作中涉及多个机械臂关节的协同工作，所以需要根据连接杆的工作状态和工作要求进行关节运动形态。

1.3检测机械臂臂长确定

由于GIS机械臂需要能够被折叠，所以机械臂有多个连接杆构成的模式进行设计和制造，通常机械臂采用三个连接杆构成的形式，在机械臂连接杆长度确定过程中，需要按照以下两个准则进行连接杆杆长确定：（1）灵活性准则。灵活性准则是机械臂设计中需要优先考虑的，通过相关公式的计算和整理，得到相关公式，该式子能够将涉及机械臂灵活性的参数与式子结合，可以通过灵活性准则确定各连接杆长度。（2）力的可操作性。在机械臂系统能够满足灵活性准则的基础上，还需要进行力的可操作性设计，需要注意的是，在该过程中需要找到机械臂力的可操作性最大的方向，并得到可操作性公式，将得到的公式与连接杆的各项约束进行联系，可以得到各连接杆的长度[2]。

1.4检测机械臂截面确定

在机械臂设计过程中，为了使机械臂能够满足工作和设计要求，在满足各种力学性质的基础上，需要尽量降低机械臂重量，这就导致在机械臂设计中，连接件通常采用空心结构，杆件横截面形状确定中需要考虑以下方面：（1）矩形梁放置因素。根据材料力学以及理论力学知识，对于矩形梁来说，矩形梁竖放具有更高的抗弯能力，所以对于机械臂中的矩形梁部分，需要使梁保持竖放状态。（2）矩形梁实/空心对性能的影响。根据材料力学知识可以写出矩形梁实/空心状态下的抗弯强度方程，并使用比值法对两种结构的抗弯强度值进行比较，结果表明空心梁性能优于实心梁。（3）圆形空/实心梁抗弯能力对比。对比过程与上文相似，结果表明空心圆形梁性能优于实心梁。（4）空心圆/矩形梁抗弯强度比较。结果表明，空心矩形梁性能优于空心圆梁，故而机械臂设计中，需要采用空心矩形梁进行结构设计。

2GIS检测机械臂结构优化

结构设计优化中涉及电机、基座以及车体优化等多个方面，但是其中最重要的是对机械臂中的连接杆系统进行优化，连接杆系统优化涉及以下方面。

2.1连接杆长度优化

在进行连接杆长度优化过程中，采用ANSYSworkbench软件以及SolidWorks建模软件进行优化设计，使连接杆能够更好地满足工作和设计要求。在该过程中，首先通过SolidWorks软件进行建模，建模完成后将建设的模型导入到ANSYSworkbench软件中。在进行结果优化之前，需要对机械臂进行静力学分析，使软件能够根据静力学结果进行优化设计，同时在优化前还需要将所选用的材料参数导入到软件中，通过软件进行连接杆长度优化。但是需要注意的是，在该过程中需要进行合理的网格划分，提升优化结果的准确度。

2.2机械臂重量优化

杆件重量优化可以通过多种方式进行，但是在材料和杆件长度确定的条件下，重量优化将主要通过以下两方面确定：（1）连接杆横截面确定。连接杆横截面积减小能够有效降低杆件的质量，但是在杆件横截面优化过程中需要采用PATRAN&NASTRAN等有限元分析软件对杆件的承力情况进行研究，必须使各杆件能够满足机械臂系统的负载条件。（2）杆件形状优化。杆件形状优化涉及两个方面，其一是采用各类工字梁替代空心矩形梁机械臂生产，其二是对连接杆进行镂空，这两种方式都能在一定长度上降低杆件质量，但是需要满足抗弯条件。

2.3机械臂拓扑优化

拓扑优化中采用有限元分析的方式对三个连接杆进行模拟和分析，并按照机械臂系统实际工作装填对杆件参数进行模拟，通过有限元软件中的拓扑功能确定连接杆变形最小的方案，实现拓扑优化。例如在采用拓扑优化中，优化后的杆件为平面挖空状态，模拟结果表明，该结构优化前质量为12kg，变形为0.5mm，最大应力为15MPa，而优化后质量为7.5kg，变形为0.8mm，最大应力为27MPa，结果表明，优化后的结构能够满足工作要求，并在很大程度上降低了连接杆的质量。

结论：

综上所述，在GIS检测机械臂结构设计过程中，首先需要对机械臂的各种约束条件进行了解和调查，大体确定连接杆长度，然后进行具体参数的确定，最后需要对相关结构进行力学性能的了解和研究，找到最佳的连接杆结构。在结构优化过程中，涉及建模软件和有限元软件的使用，在保证机械臂性能的基础上对结构进行优化。

参考文献

[1]苏双燕.GIS检测机械臂结构设计及优化[D].沈阳理工大学,2017.

[2]马朋飞.电力设备X射线无损检测移动平台机械臂控制研究[D].华北电力大学,2017.