1 引言

输电线路覆冰和积雪常会引起线 路的跳闸、断线、倒杆、绝缘子闪络和通信中断等事故。世界各国都曾因输电线路覆冰引发安全事故，给各国带来了巨大的经济损失。而传统除冰方法效率低下而且安全性不高，因此研究新型的除冰方法替代人工除冰就变得十分迫切。除冰机器人是一种实现自动在线除冰的新装备，得到了研究人员和电力公司的广泛关注。但是它的运行环境非常复杂，需要解决许多关键技术难题，尤其在机器人的自主越障机构、传感器与控制等方面，是制约除冰机器人研究进展的主要因素。本文以除冰机器人的在线行走与越障为应用背景，研究利用视觉传感器为主要传感器的视觉控制方法。基于视觉的机器人控制是通过对视觉信息的分析与处理来感知环境，并利用视觉信息引导和控制机器人完成给定的任务。

2 超高压巡线除冰机器人总体方案设计

2.1 工作原理

本设计采用四轮式结构，具有除冰效率高、安装方便、小型轻质、适应恶劣环境强的特点。

本设计采用四轮式结构布局，具有小型轻质，除冰效率高，安装方便，适应环境能力强的特点。工作原理就是由行走电机推动机器行走，通过大齿轮带动轴转动，实现输电线除冰机在电线上行走。工作电机通过轮转动，驱动工作刀具做回转运动。输电线除冰组成框图及运动传递路线如图1所示。

2.2 驱动方式选择

（1）小型柴油机驱动

柴油机驱动特点是马力大，适用环境范围广，但是所需要的工作空间过大，工作状态下会产生很大振动，引起输电线的晃动，不能在输电线路上行走，还有柴油机驱动不环保，对环境造成污染。

（2）电动机驱动

电机可以选择很多型号，在振动和质量方面都有很大的优势，对环境没有污染，很环保。

2.3 传动方式选择

（1）带传动

抗拉强度较大，价格低，耐湿性很好，能够传送较大功率，但由于工作空间要求较大，不适用于急速反向传动和受空间限制的工作场合。

（2）链传动

安装链传动的精度要求低，链轮齿能够承受较大的作用力，中心距大，有一定的减震功能，可以适应恶劣环境，但是但由于工作空间要求较大，同样不适用于急速反向传动和受空间限制的工作场合。

（3）齿轮传动

齿轮传动的传动比是定值，传动比范围内能够实现增速和减速；传动效率高，效率可达99%以上；传递功率和速度和范围广，用于高速（v>40m/s）、中速和低速（v<25m/s）的传动；功率从小于1W到105kW；结构紧凑，适用于近距离传动。

（4）蜗杆传动

蜗杆传动用于交错轴间传递动力。传动比大，传动平稳，结构紧凑，噪声小；效率低，容易发热，蜗轮材料要求是减摩性的有色金属。

带传动和链传动适用环境范围广，但是工作空间较大，不适用于输电线除冰机。蜗杆传动传动平稳，结构紧凑，因此，在各种因素的综合考虑下，输电线除冰机采用蜗杆传动机构。

2.4 行走方式选择

（1）履带式

履带式行走机构广泛应用于拖拉机等野外作业机械，具有足够的强度和刚度；具有良好的转向和行走功能。但是这种行走方式很笨重，不适用于输电线除冰机构。

（2）轮式

轮式行走机构广泛应用于火车、汽车、航空等交通工具，能在大多数的路况下工作，应用范围很广。由于这种传动机构的轻质性，所以便于装配和携带使用。

（3）液压缸式

相同的功率下，液压执行机构结构紧凑、体积小、重量轻。液压传动各元件可以灵活布置。液压装置工作稳定，由于体积小、重量轻、反应快，所以能够快速启动、制动和频繁的变向。液压元件通用化、标准化、系列化，方便制造和使用。但是元件受温度变化的影响，不适用在温度过高或过低的工况下工作。由于流体流动的阻力，所以效率很低。当发生流体泄漏时，不仅污染环境，还有可能引发爆炸和火灾事故。

履带式传动方式很笨重，不适用在输电线上工作；液压传动很复杂，也不适用于输电线除冰机。因此选用轮式机构，本设计为了使除冰机在输电线上行走时更加的平稳，特在行走轮中间开通一个直径为30mm的凹槽。

2.5 除冰方式选择

（1）加热除冰

通过喷火加热或者电阻加热，使冰融化，达到除冰效果。这种方法效率很高，对环境也不会造成任何影响。但是成本很高，耗能过多。

（2）化学法除冰

化学法融冰是通过固体或液体的化学药剂使冰融化，这种方法的特点是效率高，但是成本也很高，化学药剂对环境也会造成影响，尤其是钠盐融雪剂对钢筋混凝土结构有腐蚀作用，很容易造成混凝土路面表皮破坏，影响输电线的使用寿命，对植被造成损害。

（3）振动除冰

振动除冰是通过马达使一定重量的除冰锤做上下周期的敲击，敲击到的覆冰因为振动就会与电线脱离，以达到除冰目的。这种方法效率很高，成本低，效果也很好。但是工作状态下会造成电线的持续振动。

（4）对滚铣削除冰

对滚铣削式除冰工作装置安装在除冰机前端，通过前压轮刀片，在较高转速下将覆冰铲除。这种方法效率高，效果很明显。

加热法除冰不仅需要很重的能源储备装置，而且耗能过多，因此不适用于输电线除冰机。化学法除冰对输电线和环境的影响都很大，因此也不适用。振动法除冰会造成电线的持续振动。最后采用对滚铣削除冰法。

（5）行走轮同步行走方法与减震方法

行走轮主要负责推动除冰机在输电线上的行走，倒挂在电线上的上端行走轮是提供除冰机一个拉力，让除冰机能够挂在输电线上。下端行走轮靠电机直接驱动，负责除冰机的前进。确保除冰机能够行进的足够平稳，将下端两个行走轮通过链传动连接，这样下端行走轮就能够同步。另外，对滚刀具除冰后的输电线可能还会存留小面积的冰块，所以行走轮要具备一定的越障能力，能够轻松跨过小块覆冰。为此，本论文还设计了减震机构，保证行走轮能够轻易跨过小块覆冰。

通过对以上方面的对比和研究，综合考虑：本设计采用电机驱动，蜗轮蜗杆传动机构，轮式行走方式，对滚洗刀除冰方式。

3 绕线压紧传动机构设计

3.1 绕线电机的选择

步进电机操作和维修都很方便，而且实现了全数字化控制。根据设计要求和实际应用情况我们选择步进电机，需要选择的参数是:额定电压、电机转速、输出扭矩等。拟采用的57系列两相混合式步进电机使用24V电压，24V直流电源可以满足电机需求。输出扭矩与传送带和支撑板的摩擦力有关，主要由板料重量和传送带的摩擦系数决定，此外，还和传送待与滚轮间的摩擦力有关，由于摩擦系数很小，虽然传送带和滚轮间的张紧力很大，但是总的摩擦力还是很小，所以忽略不计，图2列出了转速和转矩之间的关系曲线图[10]。

根据计算结果我们选择电机型号为：57BYJ250C。

3.2 蜗杆传动设计计算

3.2.1 选择蜗杆、蜗轮材料

（1）选择蜗杆传动的类型

采用准平行环面蜗杆传动

（2）选择蜗杆、蜗轮材料，确定许用应力

蜗杆传动一般传递的功率不是很大，而且运行速度中等，查表《机械零件课程设计》，选用45钢蜗杆，为了提高传动效率，要求蜗杆螺旋齿面具有较好的耐磨性，蜗轮选用45钢，为了减少贵重有色金属的使用，仅齿圈用45钢铸造，轮芯用灰铸铁HT100制造。

查得蜗轮材料的许用接触应力：

3.2.4 蜗杆传动几何参数设计

准平行二次包络环面蜗杆的几何参数和尺寸计算如下：

4 数控硬件电路设计

数控系统由硬件和软件两部分组成，硬件和软件处理信息的任务是等阶的，硬件处理信息速度快，线路复杂，软件适应性强，但速度较慢。现在数控向着软件控制方向发展。

数控系统的核心是位置控制，最重要的运算是插补运算，最主要的数据处理是刀具补偿。位置控制是通过指令位置和实际位置进行比较，用位置偏差进行控制；插补运算是根据加工程序所确定的坐标点，通过一定的运算法则实时获得位置指令；刀具补偿就是要解决编程轨迹和刀具中心不相符的矛盾。

4.1 硬件电路设计

4.1.1 数控系统的硬件结构

数控系统一般分为单微处理器和多微处理器结构两种。单微处理器控制系统的结构简单，价格较低，所以应用广泛。多微处理器数控系统具有高转速、高精度等优点，是当今数控发展的代表。本设计采用单微处理器数控结构，其精度和速度能够满足实际的切削加工要求。

单微处理器硬件结构电路包括如下的几部分：

（1）中央处理单元CPU；

（2）总线，包括数据总线、控制总线和地址总线；

（3）存储器，包括只读可编程存储器和随机读写存储器；

（4）输入输出接口电路；

（5）外围设备，如键盘、显示器及光电编码器等。

4.1.2 数控系统硬件电路的功能

根据设计要求，确定数控系统应具有以下功能：

读取键盘输入数据；

读取操作面板开关及按钮信号；

控制纵向、横向电动机驱动；

控制主轴正转、反转与停止；

控制交流变频器；

控制冷却泵启停；

可与PC进行串行通信。

本次设计采用8031作为主控芯片，采用两片2764程序存储器之外，还扩展了一片6264数据存储器，用一片74LS373锁存P0口传递低8位地址，地址译码采用74LS138(3~8译码器)；采用全地址码，采用二个8155芯片，完成对执行元件的控制。此外，还设有越界报警急停处理电路。

4.2 关于各线路元件之间线路连接

4.3 关于电路原理图的一些说明

在此电路图中，还有其他功能电路，如报警电路，急停电路，复位电路，隔离电路，功效电路等，此外还有对自动回转刀架，螺纹加工进行控制。

±X、±Z方向的越界和急停信号经过门引入8031的P3.2中断原LNT0，采用硬件申请中断软件查询的方法。这样无论哪个方向都能引起中断，当±X、±Z等一越界，则相应的红灯亮报警。

5 结语

此次设计设计主要确定机器人的工作原理、驱动方式、传动方式、行走方式、除冰方式、电机的选择以及轴的选择。本次设计区别与以往除冰机器人是增加了检测装置，让越障更加智能化。确定蜗杆头数、涡轮齿数、各轴的中心距，选用不同的轴承，画出除冰机器人的整体装配图、越障部分装配图以及远程控制电路图。根据之前数据再画出各个部分的零件图，最后进行蜗轮蜗杆和轴的校核。

参考文献

[1]曹文明.高压输电线路除冰机器人视觉控制方法研究[D].湖南大学, 2014.

[2]张屹,邵威,等.高压输电线路除冰机器人的机构设计[J].三峡大学学报(自然科学版),2008,30(6):69-72.

[3]侯文琦.输电线路除冰机器人本体设计与越障动力学分析[D].国防科学技术大学, 2009.

作者简介

王飞 男 硕士 研究方向：机械工程