大型电机型式试验台智能巡检小车系统的制作方法
【专利摘要】大型电机试验台智能巡检小车系统，由主轨道及辅轨道、牵引小车、巡检机器人、控制器、第一道岔控制装置、第二道岔控制装置、自动充电装置、初始位置传感器组成。牵引小车在主轨道或辅轨道上由电机牵引，巡检机器人和控制器位于牵引小车上，第一道岔控制装置、第二道岔控制装置、自动充电装置分别位于轨道一侧。控制器分别与牵引小车、巡检机器人、第一道岔控制装置、第二道岔控制装置、自动充电装置、初始位置传感器连接，牵引小车与第一道岔控制装置、第二道岔控制装置连接。该系统节省了人力，增加了大型电机试验中的准确性、可追溯性，也方便相关人员的实时观察。
【专利说明】大型电机型式试验台智能巡检小车系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电机试验监控领域，具体涉及基于轨道轮式智能机器人小车的大型电 机试验中的智能温度检测、现场监测、报警，及与之匹配自动供电装置等。
【背景技术】
[0002] 大型电机，一般指从几百KW到几 MW之间的各类交直流电机，如各类交直流牵引电 动机、牵引发电机、风力发电机、石油钻井电动机、冶金主轧电动机等等，在大型电机产品的 型式试验站，大多承担新电机产品的试验任务，对这些新品种电机的试验测试设备有较高 要求，对人的素质要求也较高，测试数据是否精确、人员是否及时观察到位等对一种电机的 设计定型和试验安全至关重要。
[0003] 温升试验是电机型式试验中耗时最长的试验项目，业界常用的有两类方法，一是 通过电阻法或埋置温度计法为代表的非现场测算，在监控室内仪表盘中实时显示，这类方 法的优点是人无需到试验台现场，缺点是对电机实时温度的掌握不全面，不能很好的掌握 电机的局部温度情况，尤其电机定子及轴承等局部的温度，而局部故障引起发热严重，会造 成电机意想不到的质量问题。二是采用红外点温计，根据试验大纲由人工按时到试验台现 场采集，优点是可以根据实际情况随时采集各处的温度，缺点是人必须到现场，并且距离电 机要比较近的距离，另外电机内部尤其转子的温度情况不能很好的采集到。在大型电机温 升试验中，由于新产品研制耗资巨大，业界常采用以上两类方法兼顾的形式，不过还是需要 在试验过程中人工定时出现在现场，并且需要人员的素质必需到位，大型电机体积大，若想 比较全方位的测量电机表面温度，耗时很长，更不容易方便记录分析众多点面的温度值，所 以不能很好的掌握电机表面温度。
[0004] 在电机试验过程中，对于部分重点试验项目，尤其是临界类项目，如温升试验后 期、超载试验、超速试验、堵转试验、耐压试验等，需要注意观察试验台电机的状况，譬如直 流电机换向器是否有火花出现，如不及时发现可能造成环火等严重故障，还譬如耐压时若 出现打火点在哪里、电缆接头局部接触不良引起过热或打火等等不可预知的情况。实际中 会采用在临界类试验时安排专人到试验台旁值守，但完全靠人工观察判断很不现实，不能 客观对故障点追溯。
[0005] 新产品的型式试验项目多，时间长，部分项目还要反复调整参数不停重复测试，一 台电机多则在24小时倒班情况下也要耗时数天甚至一周以上的时间才能完成试验任务。 试验人员虽然大多在封闭监控室内，但也容易疲劳、注意力不集中，尤其对现场情况的掌 握，有必要能有方便的视频的方式，并且能对现场故障有报警提醒。
[0006] 新产品电机的研制进展很受企业领导、设计师的关注，尤其对设计师来说，需要对 试验这道最重要的生产工序的实时掌握，以利于根据实际数据做出后续改进设计，所以，如 果企业领导和设计师们若能实时方便的调取试验现场情况，也是非常有意义的。
[0007] 当前，智能机器人技术逐步进入各行各业，譬如轮式巡检机器人小车在电力行业 变电站巡检的应用，这当中巡检机器人小车的充电是个问题，自动充电是发展方向，业界也 出现了一些自动充电的方式方法。也有在固定线路轨道上进行巡检的机器人及其牵引小车 系统，一般来说载有智能巡检机器人的牵引小车在固定轨道线路上运行，但在一些复杂的 巡检系统中，有必要使得牵引小车能变轨到其他线路中去；再者其电能供应，有采用实时受 电弓模式供电，也有使用蓄电池供电，电能不足后，或手工插电充电或自动充电。其中自动 充电模式，目前业界所采用的方式安全性不高，譬如不管是否充电期间，蓄电池的受电板裸 露在外，这也与当前业界的巡检小车机器人系统载重较轻、功率较低、蓄电池电压定额较低 并在安全电压范围内有关。
[0008] 红外测温技术业已成熟，红外成像测温技术也发展很快，逐步在深入各个领域应 用，电机试验领域大多采用红外点温计、电阻测温、埋置温度计测温等方法，诸如以上所提 到的问题，如能利用红外成像技术检测电机温度，则能较为全面的实时的并可保存追溯的 掌握其温度、温升及故障点情况。同时，通过红外成像测温，若能对电机试验中其他温度变 化而引起故障的问题发现后报警，则更有意义。
【发明内容】
[0009] 根据以上提出的问题及背景趋势，本发明提出了一种在大型电机试验台面上，安 装环形轨道，并采用轨道智能巡检机器人小车载着红外与可见光双视频摄像机，通过安装 在机器人上的控制器传送信号及报警的巡检装置，以及配套的轨道变道道岔控制、自动充 电装置。其技术方案为：
[0010] 大型电机试验台智能巡检小车系统，由主轨道及辅轨道、牵引小车、巡检机器人、 控制器、第一道岔控制装置、第二道岔控制装置、自动充电装置、初始位置传感器组成。被试 及陪试电机位于主轨道的中间。牵引小车在主轨道或辅轨道上由直流电机牵引，巡检机器 人和控制器位于牵引小车上。控制器分别与牵引小车、巡检机器人、第一道岔控制装置、第 二道岔控制装置、自动充电装置、初始位置传感器连接，牵引小车与第一道岔控制装置、第 二道岔控制装置连接。当控制器接收到启动或停车信号时，将控制牵引小车运行并寻找初 始位置传感器位置，然后作为牵引小车的初始点或停车点。第一道岔控制装置接收牵引小 车上的蓄电池电量检测与控制器中的缺电无线信号而动作并气动搬动道岔，引导小车驶入 辅轨道，辅轨道一侧的自动充电装置待小车运行到其附近，有充电位置传感器判断并使得 小车定位，然后自动充电装置动作并向蓄电池充电；电量充满后发射无线信息给第二道岔 控制装置的接收端，第二道岔控制装置气动搬动道岔引导小车进入主轨道。
[0011] 牵引小车包括车体、直流电机、直流电机驱动器、前后两对轮对、蓄电池、蓄电池电 量检测及控制器、蓄电池引出线开关管。直流电机与直流电机驱动器连接，直流电机与前对 轮连接，蓄电池与直流电机、蓄电池电量检测与控制器连接。控制器与蓄电池电量检测及控 制器、蓄电池引出线开关管、直流电机驱动器连接。
[0012] 巡检机器人安装于牵引小车平台上，包括支架、云台、红外摄像机和可见光摄像 机、滚珠丝杠、支架步进电机系统。支架的上下伸缩运动采用滚珠丝杠，由支架步进电机驱 动滚珠丝杠旋转从而带动支架上下运动，支架上安装有云台，云台跟随支架可上下运动，云 台上安装有红外摄像机和可见光摄像机，云台的平行旋转与上下运动由两台步进电机驱 动，并可带动摄像机的所摄区域位置变化。红外摄像机和可见光摄像机与控制器相连。当 红外摄像机检测到超出设置的温度值时，发出报警信号，并经控制器驱动LED报警灯闪烁。
[0013] 控制器由触摸屏、PLC、无线数据接收模块、视频接收模块、数据发射模块、视频发 射模块、LED报警器组成。触摸屏可进行各类参数的设置，触摸屏与PLC连接，PLC与无线 数据接收模块、视频接收模块、数据发射模块、视频发射模块、LED报警器连接，PLC也与牵 引小车、巡检机器人、初始位置传感器、自动充电装置连接，除无线发送或接收的数据、视频 夕卜，控制器的接收和发出的信号均由PLC负责。
[0014] 第一道岔控制装置和第二道岔控制装置均由气动搬动机构、无线接收模块、电磁 阀控制器、末端传感器组成。电磁阀控制器与无线接收模块、气动搬动机构、末端传感器连 接。第一道岔控制装置接收来自控制器发射模块的缺电信息，通过电磁阀控制器靠气泵的 动力搬动道岔，引导牵引小车进入辅轨道。道岔末端传感器检测到牵引小车已通过后通过 电磁阀控制器合拢道岔回原位。第二道岔控制装置接收模块接收到来自控制器发射模块 的满电信息，通过电磁阀控制器控制气阀动作，搬动道岔，将牵引小车引入辅轨道进入主轨 道，第二道岔控制装置的末端传感器检测到牵引小车通过后合拢道岔到原来位置。
[0015] 自动充电装置由充电位置传感器、充电检测控制器、蓄电池受电弓、满电信号受电 弓、第一柔性弹簧、第二柔性弹簧、蓄电池充电弓、满电信号充电弓、气动电磁阀组成。自动 充电装置在牵引小车运行过来由充电位置传感器检测到小车位置并由控制器发出停车指 令后，蓄电池引出线开关管由控制器同时发出指令闭合，充电检测控制器在接收到充电位 置传感器信号后发出指令给电磁阀，电磁阀打开带动末端的蓄电池充电弓和满电信号充电 弓插入小车下部的蓄电池受电弓与满电信号受电弓。
[0016] 自动充电装置的充电弓分四路，相应的牵引小车的受电部分也有四路，其中两路 为正负极性给蓄电池充电，另外两路用于传递充电检测控制器的满电信号给牵引小车上的 控制器。四路均为金属刚性铜制导电材质相对的硬接触，其中第一柔性弹簧与蓄电池受电 弓固定在一起，第二柔性弹簧与满电信号受电弓固定在一起，起到在充电期间接触部分能 柔性接触。
[0017] 初始位置传感器为光电传感器，由A、B两部分组成，分别置于主轨道上和小车上。 初始位置传感器的数量与牵引小车的数量相同，并沿着主轨道均布，每台牵引小车对应各 自的初始位置传感器。当运行中出现两辆小车发生追尾时，通过直流电动机电流传感器检 测到因追尾电流超限过载，直流电机驱动器输出保护信号给PLC，中断系统的运行，延时一 定时间后再运行。
[0018] 本发明的技术效果主要有：大型电机试验台智能巡检小车系统装置，无需人工经 常出现在试验台面现场，避免了 一些人为因素，节省了一些人力。在试验中通过红外摄像头 可实时扑捉到局部高温点并报警处理，红外摄像机的图像视频可存储并通过无线发射模块 给监控室主机，也使得监控室内人员能准确观察；可见光摄像机的视频也通过发射模块发 射给监控室，人员可在室内观测到现场的情况，同时这些摄像机保存下来的视频，可留作后 续的故障追溯，另外也方便了决策者在远程实时掌握试验情况。 巡检机器人上的可上下运动的支架，可带动云台上下运动，并且可通过触摸屏设置其 行程，这方便了针对不同高度、体积的电机试验时，可通过调整支架高低行程，确保摄像机 能全方位照射整个被试和陪试电机，尽量不留死角。 辅轨道的存在实际上给予了专门的充电区域，因为考虑到充电时间也较长，以及数台 牵引小车的情况，当一台小车进入充电后，其余小车要正常在主轨道巡检的需要。而道岔控 制装置则支持了这种需求。 自动充电装置则免去了人工，同时满电后第一时间自动进行后续动作，省去了需要等 待人工去巡视是否充满电，提高了效率。 当系统布置多台牵引小车系统运行时，可更实时全面的掌握现场情况。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1所示为本发明的结构分布图。
[0020] 图2所示为本发明的巡检机器人结构示意图。
[0021] 图3所示为本发明的自动充电装置牵引小车部分结构图。
[0022] 图4为图3的受电部分以及充电弓部分的俯视图。 图中：1、主轨道，2、辅轨道，3、牵引小车，4、巡检机器人，5、控制器，6、第一道岔控制装 置，7、第二道岔控制装置，8、自动充电装置，9、初始位置传感器，10、支架，11、云台，12、红外 摄像机，13、可见光摄像机，14、滚珠丝杠，15、支架步进电机系统，16、充电位置传感器，17、 蓄电池引出线开关管，18、蓄电池受电弓，19、满电信号受电弓，20、第一柔性弹簧，21、第二 柔性弹簧，22、蓄电池充电弓，23、满电信号充电弓。
【具体实施方式】
[0023] 如图1所示的总体结构分布图。由主轨道（1)及辅轨道（2)、牵引小车（3)、巡检机 器人（4)、控制器（5)、第一道岔控制装置（6)、第二道岔控制装置（7)、自动充电装置（8)、初 始位置传感器（9)组成。被试及陪试电机位于主轨道的中间。总体来说，牵引小车（3)在轨 道上由直流电机牵引，巡检机器人（4)和控制器（5)位于牵引小车（3)上，巡检机器人（4) 的控制信息来自于控制器（5)，当控制器（5)的数据接收模块接收到启动或停车信号时，将 控制牵引小车（3)在轨道上运动，并在安装于小车上的初始位置传感器（9)A遇到安装于主 轨道上的初始位置传感器（9)B端时，作为系统工作起始位置或停车位置。第一道岔控制装 置（6)接收牵引小车（3)上的蓄电池电量检测与控制器中的缺电无线信号而动作并气动搬 动道岔，引导牵引小车（3)驶入辅轨道（2)，辅轨道（2) -侧的自动充电装置（8)待牵引小 车（3)运行到其附近，由充电位置传感器（16)判断并使得牵引小车（3)定位，然后自动充 电装置（8)动作并向蓄电池充电；电量充满后发射无线信息给第二道岔控制装置（7)的数 据接收模块，第二道岔控制装置（7)的电磁阀控制器输出搬动道岔引导牵引小车（3)进入 主轨道（1)。
[0024] 直流电机驱动前轮带动牵引小车（3)运行，后轮为万向轮，直流电机驱动器接收 来自控制器（5)的启动、停止、及速度信息，并控制直流电机，直流电机带有电流传感器检 测电机绕组电流，但电流超限时发出中断信号给PLC，牵引小车（3)系统停止工作。蓄电池 是整个牵引小车上所有用电设备的电源，根据不同用电设备的电压等级配备相应的DC/DC 模块而合理供电，蓄电池的缺电警告与满电信息都由蓄电池电量检测与控制器监测后发信 息给控制器（5)。蓄电池引出线开关管（17)的开闭由控制器（5)产生信号驱动，蓄电池缺 电时闭合、满电时断开。
[0025] 巡检机器人（4)安装于牵引小车（3)平台上，如图2所示，支架（10)的上下伸缩 运动采用滚珠丝杠（14)，由支架步进电机系统（15)驱动滚珠丝杠（14)旋转，从而带动支架 (10)上下运动，支架上安装有云台（11)，云台（11)跟随支架（10)可上下运动，云台（11) 上安装有红外摄像机（12)和可见光摄像机（13)，云台（11)的平行旋转与上下运动由两台 步进电机驱动，云台（11)的旋转与上下俯仰运动可带动红外摄像机（12)和可见光摄像机 (13)的所摄区域位置变化。红外摄像机（12)和可见光摄像机（13)与控制器（5)相连。当 红外摄像机（12)检测到超出设置的温度值时，发出报警信号，并经控制器（5)驱动LED报 警灯闪烁。
[0026] 控制器（5)是整个小车系统的中枢。在使用之前，闭合电源，由人工在触摸屏上设 置好各类参数，包括牵引小车（3)牵引直流电机的正反转和速度、支架（10)的运动行程与 速度、云台（11)旋转和俯仰速度和行程、红外摄像机（12)报警温度上限、发射模块的参数 等。触摸屏设置完成后，通过PLC完成触摸屏所设置的一切信息的执行。当无线数据接收 模块接收到来自总监控室的启动信号时，将该信号传递给PLC，PLC发出驱动牵引小车（3) 直流电机的信号，带动牵引小车（3)运动寻找初始点，遇到初始位置传感器（9)后，到达指 定初始位置，随后根据触摸屏的设置进入工作状态；如果无线数据接收模块接收到停止信 号时，牵引小车（3)的运动依然是寻找到初始位置点，然后进入待机状态；PLC还接收红外 视频检测的过温报警信号，并输出一路驱动信号给LED报警器；PLC还接收蓄电池的缺电和 满电信号，并输出给数据发射模块和蓄电池引出线开关管（17)的控制端；PLC也接收各传 感器的信号，包括初始位置传感器（9)、充电位置传感器（16)的信号，并输出为控制直流电 机的信号。视频接收模块接收红外摄像机（12)与可见光摄像机（13)的视频。视频发射模 块包括红外视频发射、可见光视频发射，数据发射模块包括蓄电池电量检测与控制器的缺 电和满电的信号的发射。
[0027] 第一道岔控制装置（6)和第二道岔控制装置（7)均由气动搬动机构、无线接收模 块、电磁阀控制器、末端传感器组成，第一道岔控制装置（6)负责靠气泵的动力搬动道岔， 引导牵引小车（3)进入辅轨道（2)，第一道岔控制装置（6)的无线接收模块接收到来自控制 器（5)发射模块的缺电信息时，并且检测到牵引小车（3)接近道岔时，控制气阀动作，搬动 道岔，将牵引小车（3)引入辅轨道（2)上来，道岔末端传感器检测到牵引小车（3)已通过后 通过电磁阀控制器合拢道岔回原位。当在辅轨道（2)上的自动充电装置（8)完成充电后， 第二道岔控制装置（7)无线接收模块接收到来自控制器（5)数据发射模块的满电信息，控 制气阀动作，搬动道岔，将牵引小车（3)引入主轨道（1)，道岔处的末端传感器检测到牵引 小车（3)通过后合拢道岔到原来位置。
[0028] 图3和图4为自动充电装置（8)的部分结构图，其中图4为图3的俯视图。自动 充电装置⑶在牵引小车⑶运行过来由充电位置传感器（16)检测到牵引小车（3)位置 并由控制器（5)发出停车指令后，蓄电池引出线开关管（17)由控制器（5)同时发出指令闭 合，充电检测控制器在接收到充电位置传感器（16)所带无线数据发送模块的位置信号后 发出指令给电磁阀，电磁阀打开带动末端的气动驱动蓄电池充电弓（22)和满电信号充电 弓（23)插入牵引小车（3)下部的蓄电池受电弓（18)和满电信号受电弓（19)，当充电检测 控制器检测到充电已满，则牵引小车（3)上的蓄电池电量检测与控制器接收到通过气动满 电信号充电弓（23)传递过来的满电信号后，即通知控制器（5)并发射满电信号给第二道岔 控制装置（7)，同时收回全部气动充电弓。蓄电池引出线开关管（17)采用IGBT开关，其驱 动电路接收控制器（5)中PLC发出的信号。
[0029]自动充电装置（8)的充电弓分为四路，如图4所示，相应的牵引小车（3)的受电部 分也有四路，其中两路为正负极性给蓄电池充电，另外两路用于传递充电检测控制器的满 电信号给牵引小车（3)上的控制器（5)。四路均为金属刚性铜制导电材质相对的硬接触，为 了增加柔性，安装有第一柔性弹簧（20)和第二柔性弹簧（21)。
【权利要求】
1. 大型电机试验台智能巡检小车系统，由主轨道及辅轨道、牵引小车、巡检机器人、控 制器、第一道岔控制装置、第二道岔控制装置、自动充电装置、初始位置传感器组成。被试及 陪试电机位于主轨道的中间。牵引小车在主轨道或辅轨道上由位于牵引小车上的直流电机 牵引，巡检机器人和控制器位于牵引小车上。控制器分别与牵引小车、巡检机器人、第一道 岔控制装置、第二道岔控制装置、自动充电装置、初始位置传感器连接，牵引小车与第一道 岔控制装置、第二道岔控制装置连接。当控制器接收到启动或停车信号时，将控制牵引小车 运行并寻找初始位置传感器位置，该位置作为牵引小车的初始点或停车点。第一道岔控制 装置接收牵引小车上的蓄电池电量检测与控制器中的缺电无线信号而动作并气动搬动道 岔，引导小车驶入辅轨道，辅轨道一侧的自动充电装置待小车运行到其附近，有充电位置传 感器判断并使得小车定位，然后自动充电装置动作并向蓄电池充电，电量充满后发射无线 信息给第二道岔控制装置的无线数据接收端，第二道岔控制装置气动搬动道岔引导小车进 入主轨道。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述牵引小车包括车体、直流电机、直流电 机驱动器、前后两对轮对、蓄电池、蓄电池电量检测及控制器、蓄电池引出线开关管。直流电 机与直流电机驱动器连接，直流电机与前轮对连接，蓄电池与直流电机、蓄电池电量检测与 控制器连接。控制器与蓄电池电量检测及控制器、蓄电池引出线开关管、直流电机驱动器连 接。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述巡检机器人安装于牵引小车平台上，包 括支架、云台、红外摄像机和可见光摄像机、滚珠丝杠、支架步进电机系统。支架的上下运动 采用滚珠丝杠，由支架步进电机驱动滚珠丝杠旋转从而带动支架上下运动，支架上安装有 云台，云台跟随支架可上下运动，云台上安装有红外摄像机和可见光摄像机，云台的平行旋 转与上下运动由两台步进电机驱动，接收来自控制器驱动信号并可带动摄像机的所摄区域 位置变化。红外摄像机和可见光摄像机与控制器相连。当红外摄像机检测到超出设置的温 度值时，发出报警信号，并经控制器驱动LED报警灯闪烁。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述控制器由触摸屏、PLC、无线数据接收模 块、视频接收模块、数据发射模块、视频发射模块、LED报警器组成。触摸屏可进行各类参数 的设置，触摸屏与PLC连接，PLC与无线数据接收模块、视频接收模块、数据发射模块、视频 发射模块、LED报警器连接，PLC也与牵引小车、巡检机器人、初始位置传感器、自动充电装 置连接，除无线发送或接收的数据、视频外，控制器的接收和发出的信号均由PLC负责。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述第一道岔控制装置和第二道岔控制装 置均由气动搬动机构、无线接收模块、电磁阀控制器、末端传感器组成。电磁阀控制器与无 线接收模块、气动搬动机构、末端传感器连接。第一道岔控制装置接收来自控制器发射模块 的缺电信息，通过电磁阀控制器靠气泵的动力搬动道岔，引导牵引小车进入辅轨道。道岔末 端传感器检测到牵引小车已通过后通过电磁阀控制器合拢道岔回原位。第二道岔控制装置 接收模块接收到来自控制器发射模块的满电信息，通过电磁阀控制器控制气阀动作，搬动 道岔，将牵引小车引入辅轨道进入主轨道，第二道岔控制装置的末端传感器检测到牵引小 车通过后合拢道岔到原来位置。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述自动充电装置由充电位置传感器、充 电检测控制器、蓄电池受电弓、满电信号受电弓、第一柔性弹簧、第二柔性弹簧、蓄电池充电 弓、满电信号充电弓、气动电磁阀组成。自动充电装置在牵引小车运行过来由充电位置传感 器检测到小车位置并由控制器发出停车指令后，蓄电池引出线开关管由控制器同时发出指 令闭合，充电检测控制器在接收到充电位置传感器信号后发出指令给电磁阀，电磁阀打开 带动末端的蓄电池充电弓和满电信号充电弓插入小车下部的蓄电池受电弓与满电信号受 电弓。自动充电装置的充电弓分四路，相应的牵引小车的受电部分也有四路，其中两路为正 负极性给蓄电池充电，另外两路用于传递充电检测控制器的满电信号给牵引小车上的控制 器。四路均为金属刚性铜制导电材质相对的硬接触，其中第一柔性弹簧与蓄电池受电弓固 定在一起，第二柔性弹簧与满电信号受电弓固定在一起，起到在充电期间接触部分能柔性 接触。
【文档编号】G05D1/02GK104122892SQ201310155450
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月26日 优先权日:2013年4月26日
【发明者】孙冠群 申请人:中国计量学院