一种高压带电作业机器人专用电动套筒及控制系统的制作方法

本实用新型涉及电动工具领域，特别涉及一种高压带电作业机器人专用电动套筒及控制系统。

背景技术：

随着技术的更新，信息化的迅速发展，为了减轻高压带电操作人员的劳动强度和强电磁干扰对人身的威胁，开始开展大量的带电作业机器人的研究和样机的研制。将人力重复复杂的动作，设计成用机器简单操作，无限循环工作；而带电作业工具就是高压带电作业机器人需要研究的主要方向之一，高压带电作业专用电动套筒也是高压带电作业机器人的最常用的专用作业工具，用于螺栓拧紧和螺母装卸；现有的高压带电作业机器人专用套筒或扳手却只能实现单一操作固定，装卸特定螺栓螺母，由于整个10kva电杆上安装的螺栓和螺母规格众多，导致实用性差，需要不断更换不同规格的扳手或套筒，加剧带电作业工作量。

现有的一种高压带电作业机器人专用声控扳手（公告号：cn102615617b），是一种能够进行声控发送，接收无线信号，直接进行声控控制高压带电作业机器人专业作业声控扳手作业，但这种专业的声控扳手，只能进行一次统一规格的螺栓或螺母工作，一旦出现不同规格尺寸，需要重新替换相应的扳手头，这将加长操作作业时间，并有安全性问题；而且相应的扳手头无固定抓住螺栓螺母机构，容易在装卸螺栓螺母时，影响操作安装，加剧工作量；并对工况比较苛刻，在作业空间小的范围内，电动扳手扳手头无法进行正常作业。

因此，需要一种可以简单操作，可直接无需换装，能够装卸各种规格螺栓及螺母，适应比较多特殊工况，可以灵活操作的套筒。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种高压带电作业机器人专用电动套筒及控制系统，旨在解决现有机器人专用电动套筒工具不能进行直接装卸各种规格螺栓和螺母，在狭隘、苛刻的环境下作业，装卸零件的过程中零件掉落且无法定位和作业过程中遭受电磁干扰的问题。

本实用新型针对上述缺陷所采取的技术方案为：

一种高压带电作业机器人专用电动套筒及控制系统，包括外壳、与外壳相连的安装座、转动装置、驱动装置、套筒总成和控制系统。

转动装置包括圆弧齿轮、轴向齿轮、径向齿轮、丝杠、支撑架、转动架和插销。

圆弧齿轮与驱动装置相连用于控制旋转，丝杠穿过支撑架与轴向齿轮相连，径向齿轮固定在转动架上，转动架固定在外壳上，支撑架和转动架通过插销转动连接。

驱动装置包括驱动电机、辅助电机、电池包、联轴器、驱动轴、转动轴和轴承。

驱动电机通过联轴器与驱动轴的一端相连控制驱动轴旋转，驱动轴的另一端与圆弧齿轮相连，转动轴一端与圆弧齿轮相连，另一端与套筒总成相连；辅助电机与丝杠相连控制轴向齿轮转动，驱动电机和辅助电机以电池包为能源；

控制系统控制驱动装置带动套筒总成转动完成作业。

进一步地，套筒总成由套筒外腔、凸轮块、沉头螺栓、套筒安装板、紧缩螺母和圆环磁铁组成，圆环磁铁安装在套筒外腔底层通过紧缩螺母固定，凸轮块按前后端依次相切环形排列，沉头螺栓将凸轮块前端固定在套筒安装板上，安装在套筒外腔的上层。

进一步地，控制系统包括无线遥控控制面板、arm控制模块、pwm隔离驱动、buck电路和直流电源，buck电路与驱动电机和辅助电机相连。

进一步地，控制系统设有过压保护电路、电流检测及过电流电路和转速检测反馈电路。

优选的，联轴器为十字滑块frp绝缘联轴器，驱动轴与联轴器相连的一端有对应一字槽。

优选的，轴承为角接触球轴承和深沟球轴承。

本实用新型具有如下有益效果：

1、结构简单，套筒总成的凸轮块组合通过顺时针、逆时针旋转进行尺寸调节，可实现直接匹配安装多种规格螺栓及螺母，无需不断替换套筒或扳手头。

2、套筒总成内装有圆环形磁铁，能够解决拆卸安装螺栓螺母过程中，零件掉落，无法定位的问题。

3、设有转动装置，通过轴向齿轮驱动径向齿轮，转动装置能够0-90度角之间调节，使得该电动套筒能够在严苛狭窄的环境中进行作业。

4、采用双闭环控制操作系统，实现高压带电作业机器人专用电动套筒平滑稳定调速及高扭矩输出，不受强电磁干扰。

5、设置保护电路和检测反馈电路，通过amr控制模块系统和pwm隔离驱动进行信号控制实现在一定的设定转速范围内，平滑稳定的调节转速，并可以在各种强电磁干扰下或者其他干扰下不出现转速波动，及系统功率输出不足现象，从而在增速及减速中稳定调节。

附图说明

图1为本实用新型实施例的内部结构示意图

图2为本实用新型实施例的转动90°的状态示意图

图3为本实用新型实施例的套筒总成结构示意图

图4为本实用新型实施例的套筒总成开口状态示意图

图5为本实用新型实施例的双闭环调制系统的工作示意图

图6为本实用新型实施例的主电源电路图

图7为本实用新型实施例的辅助电源电路图

图8为本实用新型实施例的igbt保护电路图

图9为本实用新型实施例的igbt驱动电路图

图10为本实用新型实施例的电流反馈电路图

图11为本实用新型实施例的转速反馈电路图

图中：1-安装座，2-外壳，3-驱动电机，4-绝缘联轴器，5-驱动轴，6-转动轴，7-套筒总成，8-圆弧齿轮，9-角接触球轴承，10-深沟球轴承，11-电池包，12-辅助电机，13-控制系统，14-支撑架，15-转动架，16-丝杠，17-轴向齿轮，18-径向齿轮，19-插销，71-沉头螺栓，72-套筒外腔，73-凸轮块，74-套筒安装板，75-紧缩螺母，76-圆环磁铁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详述。在此需要说明的是，下面所描述的本实用新型各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种高压带电作业机器人专用电动套筒及控制系统，包括外壳2、与外壳2相连的安装座1、转动装置、驱动装置、套筒总成7和控制系统13。

转动装置包括圆弧齿轮8、轴向齿轮17、径向齿轮18、丝杠16、支撑架14、转动架15和插销19。

圆弧齿轮8与驱动装置相连用于控制旋转，丝杠16穿过支撑架14与轴向齿轮17相连，径向齿轮18固定在转动架15上，转动架15固定在外壳2上，支撑架14和转动架15通过插销19转动连接。

驱动装置包括驱动电机3、辅助电机12、电池包11、联轴器4、驱动轴5、转动轴6和轴承9、10。

驱动电机3通过联轴器4与驱动轴5的一端相连控制驱动轴5旋转，驱动轴5的另一端与圆弧齿轮8相连，转动轴5一端与圆弧齿轮8相连，另一端与套筒总成7相连；辅助电机12与丝杠16相连控制轴向齿轮17转动，驱动电机3和辅助电机12以电池包11为能源；

控制系统13控制驱动装置带动套筒总成7转动完成作业。

套筒总成7由套筒外腔72、凸轮块73、沉头螺栓71、套筒安装板74、紧缩螺母75和圆环磁铁76组成，圆环磁铁76安装在套筒外腔72底层通过紧缩螺母75固定，凸轮块73按前后端依次相切环形排列，沉头螺栓71将凸轮块73前端固定在套筒安装板74上，并安装在套筒外腔72的上层。

控制系统13包括无线遥控控制面板、arm控制模块、pwm隔离驱动、buck电路和直流电源，buck电路与驱动电机3和辅助电机12相连。

控制系统13设有过压保护电路、电流检测及过电流电路和转速检测反馈电路。

联轴器4为十字滑块frp绝缘联轴器，驱动轴5与联轴器4相连的一端有对应一字槽。

轴承为角接触球轴承9和深沟球轴承10。

如图1所示，一种高压带电作业机器人专用电动套筒，包括安装座1，外壳2，安装在外壳2内的驱动电机3，驱动与绝缘联轴器4连接的驱动轴5旋转，驱动轴5同联轴器相连的一端带有一字凹槽，绝缘联轴器4为十字滑块联轴器，解决安装时同轴度误差，并采用可塑性，质地坚硬的frp高压绝缘材料，同样保证带电作用时，绝缘保护电机，不被高压电击穿损坏。

如图1所示，驱动轴5的另一端连接圆弧齿轮8，转动轴4的一端为圆弧齿轮8，成对设置的圆弧齿轮8相啮合，另一端连接套筒总成7。故驱动电机3驱动驱动轴5转动，通过深沟球轴承10和角接触球轴承9实现动力传动，驱动轴5的转动带动圆弧齿轮8转动，从而使转动轴6转动，最终带动套筒总成7旋转。

如图1所示，驱动电机3和辅助电机12由电池包11供电，电池包11为可充放电的锂电池；并在电池包11表面包裹着一层聚乙烯绝缘材质塑料。

如图2所示，电动套筒的转动装置包括固定在外壳2上的支撑架14和转动架15，丝杆16穿过支撑架14和轴向齿轮17相连，径向齿轮18固定在转动架15上，支撑架14和转动架15通过插销19转动连接。

其中丝杆16由辅助电机12驱动，带动轴向齿轮17转动，通过轴向齿轮17和径向齿轮18的转动传递，电动套筒的转动轴6产生转动，使得电动工具可以在有限空间内转动，克服苛刻环境完成零件装卸的困难。

驱动电机3和辅助电机12共用控制系统13、控制系统13为一种双闭环控制调试系统，为无线信号传输控制，可直接通过地面上的中控遥控设备进行直接控制，方便操作，保证操作人员在高压作业安全范围内工作。

该电动套筒可实现一种进行直接装卸各种规格螺栓和螺母的带电作业工具，并能够在狭窄作业空间，苛刻工况范围环境下工作。

如图3所示，套筒总成7的包括沉头螺栓71，套筒外腔72，套筒外腔72上层环形阵列安装了六个凸轮块73，凸轮块73按前后端依次相切排布，并通过沉头螺栓71固定在套筒外腔72上层的套筒安装板74上，使凸轮块73可自由转动。在套筒外腔72下层安装圆环磁铁76，通过紧缩螺母75进行固定。在进行带电作业装卸螺栓螺母过程中，保证螺栓螺母因磁铁磁性特性，不会出现装卸过程中掉落及无法定位问题。

如图4状态一所示，通过顺时针转动，可达到套筒的开口最大。当紧锁螺栓和螺母时，逆时针旋转，通过惯力，套筒的开口缩小至与之六角螺帽尺寸大小如图4状态二和状态三所示，可实现直接匹配安装多种规格螺栓及螺母，无需不断替换套筒或扳手头。

该套筒总成7可实现一种进行直接拆卸安装各种规格螺栓及螺母的带电作业工具，并能够解决拆卸安装螺栓螺母过程中，零件掉落，无法定位问题。

控制系统13的工作流程图如图5所示，整个流程为：操作人员操作无线遥控控制面板输入控制指令，通过发射无线传波信号，至arm控制模块系统中，arm控制模块系统根据控制指令，产生相应的运动状态至pwm隔离驱动中。

由pwm隔离驱动相应生成pwm信号发送至buck电路，通过buck电路对pwm信号进行隔离、放大、滤波处理后，通过控制系统13的pwm内的igbt功率模块提供输出功率，进而控制驱动电机3及辅助电机12运行工作，实现对驱动电机3及辅助电机12的稳定调速控制，同时控制系统13通过电流检测及过电流电路，对驱动电机3及辅助电机12的电流进行实时采集，将采集的电流一方面反馈于arm控制模块系统，用于电流pi调节，另一方面作为过电流保护的参数值。

控制系统13还设有转速检测及反馈电路，通过光电传感器将驱动电机3及辅助电机12的速度信号进行隔离、增压后反馈到arm控制模块系统中，用于速度pi调节，进一步实现速度的稳定调速及功率的输出；直流电流为控制系统13的电源，并在直流电流与电路之间增加了过电压保护电路，起到防止带电作业时，电压异常以及功率模块的损坏对系统的损坏。

该控制系统13可实现在一定的设定转速范围内，平滑稳定的调节转速，并可以在各种强电磁干扰下或者其他干扰下不出现转速波动，及系统功率输出不足现象，从而在增速及减速中稳定调节。

如图6所示，为控制系统13的主电源电路图。其220v交流电经过c1去除谐波和噪声干扰的处理后由全桥整流器进行整流，经过整流后的220v的交流电压，经80v/470uf大电容得到72v左右的直流电压。电路中ri为压敏电阻，防护因系统的瞬时电压突变所可能对电路的伤害。当高压来到时，压敏电阻ri的电阻降低而将电流予以分流，防止受到过大的瞬时电压破坏或干扰。在交流电压输入端设置了10a的保险管fu1，如果交流电的电流超过了10a，那么保险管就会熔断，此时直流电机的供电电源的电路将会被切断，软启动器是由47k/3w的功率电阻和继电器kl组成继电器的开关端接在功率电阻的a、b两端，当系统接入市电的时候，此时由于未按下电机起动的按键，因此继电器是断开的，此时通过r2限流的直流电压对电解电容c进行充电。从而避免了瞬间的大电流对系统的损害。

如图7所示，为控制系统13的辅助电源电路图。在pcb进行铺地系统中，zr2101需+12v电源、lm258需要+15v和+5v电源、jtag接口与芯片驱动电路电压+3.3v电源、触摸屏需要+3.3v电源，来实现系统的稳定电源隔离；所以采用外接式的13v至10v的变压器对72v的直流电进行降压，降压后72v直流电经过整流和滤波之后得到15v和13v的直流电压。13v直流电压经过lm7812稳压后经过滤波输出稳定的12v直流电压，依次同类原理得出相关直流5v电源和3.3v直流电压为控制系统13不同电源器件提供输入电源。

如图8与图9所示，分别为控制系统13的igbt保护电路图和igbt驱动电路图。经过pwm隔离驱动，进行相关的igbt功率驱动输出及保护，igbt的集电极、发射集合栅极分别为电机直流电源的正极、电机的m＋和ir2101驱动的pwm控制信号。在igbt的g极和e极之间并联r4和c20的串联电路，来缓冲吸浪涌电压。考虑到igbt工作时也有可能栅极和g极之间的过流或者短路而损坏，在栅极和g极之间并联一个15v/iw的续流二极管和10k的电阻；pwm中驱动功率igbt驱动通过芯片，输出pwm信号经过pc817进行光耦隔离，防止回流对控制芯片的伤害，而后将pwm信号经ir2101放大，把放大后的控制信号加在igbt的栅极是igbt进行控制。

如图10和图11所示，分别为控制系统13的电流反馈电路图和转速反馈电路图。控制系统13是双闭环的电流、转速控制，对电枢回路的电流和电机转速进行采样，电流反馈采用电阻法测电流，0.01欧康铜丝来进行负载电流采样，康铜丝把主电路电流转换为小电压信号，电压信号在lm258构成的运算放大电路对电压信号进行放大到3.3v，通过对电压信号的滤波和限流再送入微控制器的pa2口，实现电流闭环调速；速度反馈由j2进行外接h2b6光电传感器，h2b6检测到的脉冲信号经三极管放大后，分别通过电容和光电耦合器pc817对信号的进行整形和光耦进行隔离，（pc817输出信号为5v，其芯片输入信号不能高于3.3v）并将信号进行分压及滤波处理后，转换为3.3v后直接接pao口，实现速度闭环调速。

根据这些相关控制系统各部件电路图，可实现控制系统13电源电路稳定输出不同规格的电源电路，及对直流电机进行速度环和电流环的双闭环调速。

在实际使用过程中，上述高压带电作业机器人专用电动套筒及控制系统使用过程如下：

操作人员通过无线遥控发送命令给控制系统13，控制系统13分析指令，传递信号，内部电路接收信号控制辅助电机12驱动丝杠16使得轴向齿轮17转动，带动固定在转动架15上的径向齿轮18旋转，径向齿轮18转过一定角度，继而转动架15带动转动轴6转过一定角度，然后驱动电机3驱动驱动轴5旋转，驱动轴5旋转，带动圆弧齿轮8的旋转，通过动力传递，最后驱动套筒总成7旋转，套筒总成7的凸轮块73根据旋转方向和惯力，使得套筒的开口张开或紧缩到合适的开口尺寸，然后对螺栓螺母进行装卸作业，套筒总成7中的圆环磁铁76能够吸住金属零件，使得零件不易脱落，易于定位。

以上仅为本实用新型的最佳实施例，但本实用新型不应局限于该实施例和附图所公开的内容。因此，凡不脱离本实用新型原理所做出的等效替换和修改都落入本实用新型的保护范围之内。