CN109635359A - 在屈服点自动紧固螺栓的方法及系统和非暂态存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在屈服点自动紧固螺栓的方法及系统和非暂态存储介质，其中，该方法包括：在通过作业机器人紧固输电线路的待作业螺栓的过程中，实时获取所述待作业螺栓的拧紧扭矩和扭转角度；根据所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的曲线斜率，确定所述待作业螺栓的屈服点；通过所述作业机器人的作业末端将所述待作业螺栓紧固至所述屈服点。通过本发明的技术方案，可自动对待作业螺栓的屈服点的准确计算，实现了快速高效的自动紧固螺栓作业，取代了相关技术中的人工紧固螺栓作业，节省了人工成本和时间成本，降低了输电线路螺栓紧固作业的危险程度，提升了作业安全性和实用性。

Description

在屈服点自动紧固螺栓的方法及系统和非暂态存储介质

【技术领域】

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种在屈服点自动紧固螺栓的方法及系统和非暂态存储介质。

【背景技术】

架空的输电线路长期暴露在空气中，常年受风、雨、冰雪等气象条件的影响，悬垂线夹、耐张线夹等金属器具的连接螺栓经常发生松动、脱落等现象，导致螺栓松动处接触电阻迅速增大，引发发热烧灼事故，严重影响输电线路的正常运行。更甚者，老旧架空输电线路运行年限长，螺栓松动、脱落有逐年上升趋势，使得螺栓维护、紧固作业工作日益频繁。随着我国经济的快速、稳定发展，对电力线路的不间断供电要求越来越高，高压带电检修作业也变得越来越广泛。

输电线路的高空带电检修是提高电网供电可靠性的重要保障，但也是一项艰苦而危险的工作。这些工作的开展都必须由作业人员登塔上线进行等电位带电操作方可完成，劳动强度大，危险程度高。随着电网的不断发展，给人工带电作业的安全性带来了新的难题，加上带电检修技术人材的严重匮乏，极大地制约了带电作业的及时、高效进行，影响了供电的可靠性。

因此，如何安全高效地完成对输电线路的螺栓检修工作，成为目前亟待解决的技术问题。

【发明内容】

本发明实施例提供了一种在屈服点自动紧固螺栓的方法及系统和非暂态存储介质，旨在解决相关技术中对输电线路的螺栓检修工作劳动强度大、危险程度高的技术问题，能够应用作业机器人取代人工作业，在屈服点自动紧固螺栓，以完成输电线路的螺栓检修工作。

第一方面，本发明实施例提供了一种在屈服点自动紧固螺栓的方法，包括：在通过作业机器人紧固输电线路的待作业螺栓的过程中，实时获取所述待作业螺栓的拧紧扭矩和扭转角度；根据所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的曲线斜率，确定所述待作业螺栓的屈服点；通过所述作业机器人的作业末端将所述待作业螺栓紧固至所述屈服点。

在本发明上述实施例中，可选地，所述根据所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的曲线斜率，确定所述待作业螺栓的屈服点的步骤，具体包括：将所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的所述曲线斜率应用于预定屈服点计算模型，输出所述待作业螺栓的屈服点。

在本发明上述实施例中，可选地，在所述实时获取所述待作业螺栓的拧紧扭矩和扭转角度的步骤之前，还包括：根据历史作业螺栓的历史拧紧扭矩和历史扭转角度，确定所述历史拧紧扭矩随所述历史扭转角度变化的历史曲线斜率；将所述历史拧紧扭矩随所述历史扭转角度变化的历史曲线斜率作为输入，将所述历史作业螺栓对应的历史屈服点作为输出，训练所述预定屈服点计算模型。

在本发明上述实施例中，可选地，还包括：每隔预定时间间隔，检测所述作业机器人的剩余电量。

在本发明上述实施例中，可选地，还包括：通过有限元法和预定电磁场分析算法，确定所述输电线路的电场分布；根据所述输电线路的电场分布，建立等电位充放电模型；通过所述等电位充放电模型计算所述作业机器人受到的暂态冲击电流；根据所述暂态冲击电流，为所述作业机器人设置对应的电磁防护策略。

第二方面，本发明实施例提供了一种在屈服点自动紧固螺栓的系统，包括：参数获取单元，用于在通过作业机器人紧固输电线路的待作业螺栓的过程中，实时获取所述待作业螺栓的拧紧扭矩和扭转角度；屈服点确定单元，用于根据所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的曲线斜率，确定所述待作业螺栓的屈服点；螺栓紧固单元，用于通过所述作业机器人的作业末端将所述待作业螺栓紧固至所述屈服点。

在本发明上述实施例中，可选地，所述屈服点确定单元用于包括：将所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的所述曲线斜率应用于预定屈服点计算模型，输出所述待作业螺栓的屈服点。

在本发明上述实施例中，可选地，还包括：历史参数获取单元，用于在所述参数获取单元实时获取所述待作业螺栓的所述拧紧扭矩和所述扭转角度之前，根据历史作业螺栓的历史拧紧扭矩和历史扭转角度，确定所述历史拧紧扭矩随所述历史扭转角度变化的历史曲线斜率；模型训练单元，用于将所述历史拧紧扭矩随所述历史扭转角度变化的历史曲线斜率作为输入，将所述历史作业螺栓对应的历史屈服点作为输出，训练所述预定屈服点计算模型。

在本发明上述实施例中，可选地，还包括：剩余电量检测单元，用于每隔预定时间间隔，检测所述作业机器人的剩余电量。

在本发明上述实施例中，可选地，还包括：电场分布确定单元，用于通过有限元法和预定电磁场分析算法，确定所述输电线路的电场分布；等电位充放电模型建立单元，用于根据所述输电线路的电场分布，建立等电位充放电模型；暂态冲击电流计算单元，用于通过所述等电位充放电模型计算所述作业机器人受到的暂态冲击电流；电磁防护单元，用于根据所述暂态冲击电流，为所述作业机器人设置对应的电磁防护策略。

第三方面，本发明实施例提供了一种非暂态存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行上述第一方面中任一项所述的方法流程。

通过以上技术方案，针对相关技术中的对输电线路的螺栓检修工作劳动强度大、危险程度高的技术问题，对于作业机器人的作业末端的力矩控制，拟采用屈服点法，通过监测拧紧扭矩随扭转角度变化曲线的斜率，将螺栓的螺纹件拧紧至屈服点。

本发明的一种实现方式下，在拧紧过程中，作业机器人随时计算扭矩-转角曲线的斜率，当斜率呈水平状态时，拧紧扭矩和预紧力均处于拧紧的弹性区，当斜率明显下降时，说明材料己进入塑性区。扭矩曲线从弹性区到塑性区，拧紧扭矩与扭转角度的线性关系发生变化，斜率也发生变化。当斜率的变化达到预定范围时，就认为达到屈服点。在作业机器人的作业末端的工作过程中，不但能测试螺纹件的装配扭矩，而且能在测试拧紧扭矩的同时不断地测试转角，从而计算出扭矩与转角的微商，计算微商公式如下：

式中dT为拧紧扭矩变化量，dθ为扭转角度变化量。

当待作业螺栓的材料达到屈服点以后，即当拧紧力矩不再增加或增加较慢，而扭转角度却增加较快时，此时Δ趋于规定值，一般为(1/2～1/3)Δ_max，即发出控制信号，结束拧紧工作，完成一个工作循环。屈服点法利用扭矩-转角增量比概念，将螺纹件拧紧至待作业螺栓的屈服点，即可认为待作业螺栓已拧紧。

通过以上技术方案，可自动实现对待作业螺栓的屈服点的准确计算，实现了快速高效的自动紧固螺栓作业，取代了相关技术中的人工紧固螺栓作业，节省了人工成本和时间成本，降低了输电线路螺栓紧固作业的危险程度，提升了作业安全性和实用性。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了本发明的一个实施例的在屈服点自动紧固螺栓的方法的流程图；

图2示出了本发明的一个实施例的屈服点法原理图；

图3示出了本发明的另一个实施例的在屈服点自动紧固螺栓的方法的流程图；

图4示出了图1和图3实施例所使用的作业机器人的示意图；

图5示出了本发明的一个实施例的在屈服点自动紧固螺栓的系统的框图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

图1示出了本发明的一个实施例的在屈服点自动紧固螺栓的方法的流程图。

如图1所示，本发明的一个实施例的在屈服点自动紧固螺栓的方法的流程包括：

步骤102，在通过作业机器人紧固输电线路的待作业螺栓的过程中，实时获取所述待作业螺栓的拧紧扭矩和扭转角度。

步骤104，根据所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的曲线斜率，确定所述待作业螺栓的屈服点。

步骤106，通过所述作业机器人的作业末端将所述待作业螺栓紧固至所述屈服点。

对于作业机器人的作业末端的力矩控制，拟采用屈服点法，通过监测拧紧扭矩随扭转角度变化曲线的斜率，将螺栓的螺纹件拧紧至屈服点。

本发明的一种实现方式下，在拧紧过程中，作业机器人随时计算扭矩-转角曲线的斜率，当斜率呈水平状态时，拧紧扭矩和预紧力均处于拧紧的弹性区，当斜率明显下降时，说明材料己进入塑性区。扭矩曲线从弹性区到塑性区，拧紧扭矩与扭转角度的线性关系发生变化，斜率也发生变化。当斜率的变化达到预定范围时，就认为达到屈服点。在作业机器人的作业末端的工作过程中，不但能测试螺纹件的装配扭矩，而且能在测试拧紧扭矩的同时不断地测试转角，从而计算出扭矩与转角的微商，计算微商公式如下：

式中dT为拧紧扭矩变化量，dθ为扭转角度变化量，其中，图2示出了本发明的一个实施例的屈服点法原理图，F曲线表示预紧力，T曲线表示拧紧扭矩。

当待作业螺栓的材料达到屈服点以后，即当拧紧力矩不再增加或增加较慢，而扭转角度却增加较快时，此时Δ趋于规定值，一般为(1/2～1/3)Δ_max，即发出控制信号，结束拧紧工作，完成一个工作循环。屈服点法利用扭矩-转角增量比概念，将螺纹件拧紧至待作业螺栓的屈服点，即可认为待作业螺栓已拧紧。

通过以上技术方案，可自动实现对待作业螺栓的屈服点的准确计算，实现了快速高效的自动紧固螺栓作业，取代了相关技术中的人工紧固螺栓作业，节省了人工成本和时间成本，降低了输电线路螺栓紧固作业的危险程度，提升了作业安全性和实用性。

图3示出了本发明的另一个实施例的在屈服点自动紧固螺栓的方法的流程图。

如图3所示，本发明的另一个实施例的在屈服点自动紧固螺栓的方法的流程包括：

步骤302，根据历史作业螺栓的历史拧紧扭矩和历史扭转角度，确定所述历史拧紧扭矩随所述历史扭转角度变化的历史曲线斜率。

步骤304，将所述历史拧紧扭矩随所述历史扭转角度变化的历史曲线斜率作为输入，将所述历史作业螺栓对应的历史屈服点作为输出，训练预定屈服点计算模型。

步骤306，在通过作业机器人紧固输电线路的待作业螺栓的过程中，实时获取所述待作业螺栓的拧紧扭矩和扭转角度。

步骤308，将所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的所述曲线斜率应用于所述预定屈服点计算模型，输出所述待作业螺栓的屈服点。

步骤310，通过所述作业机器人的作业末端将所述待作业螺栓紧固至所述屈服点。

历史拧紧扭矩随所述历史扭转角度变化的历史曲线斜率与所述历史作业螺栓对应的历史屈服点间体现有曲线斜率与屈服点的依赖关系，因此，通过历史数据来训练预定屈服点计算模型，可以将曲线斜率与屈服点的依赖关系以模型的形式表现出来，以便在测得实时的待作业螺栓的拧紧扭矩和扭转角度后，可将所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的所述曲线斜率直接代入预定屈服点计算模型，以输出对应的屈服点。

通过大量历史数据训练预定屈服点计算模型，可以将曲线斜率与屈服点的依赖关系以模型的形式表现出来，以便在计算屈服点时，仅提供待作业螺栓的拧紧扭矩随扭转角度变化的曲线斜率，就可得出有效的屈服点。以上技术方案，可自动实现对待作业螺栓的屈服点的准确计算，实现了快速高效的自动紧固螺栓作业，取代了相关技术中的人工紧固螺栓作业，节省了人工成本和时间成本，降低了输电线路螺栓紧固作业的危险程度，提升了作业安全性和实用性。

在本发明的一种实现方式中，还包括：每隔预定时间间隔，检测所述作业机器人的剩余电量。作业机器人可通过包括但不限于锂电池的方式进行供电，因此，为保证作业机器人能够有效工作，可实时监控其剩余电电量，并在其剩余电量低于预定值时发出待充电提示。

在本发明的一种实现方式中，还包括：通过有限元法和预定电磁场分析算法，确定所述输电线路的电场分布；根据所述输电线路的电场分布，建立等电位充放电模型；通过所述等电位充放电模型计算所述作业机器人受到的暂态冲击电流；根据所述暂态冲击电流，为所述作业机器人设置对应的电磁防护策略。

要确保作业机器人安全进出强电场，作业机器人的电磁防护尤为关键，通过输电线路的电场分布可以建立等电位充放电模型，进而计算暂态冲击电流，根据暂态冲击电流可确定作业机器人需要何等程度的电磁防护，从而有效保护作业机器人安全进出强电场，提升了作业安全性和成功率。

图4示出了图1和图3实施例所使用的作业机器人的示意图。

如图4所示，作业机器人的机器人本体由机体、伸缩机械臂、双机械手、行走轮、夹爪以及等电位轮构成，行走轮与伸缩机械臂相连，带动机体在导线上行走，两伸缩机械臂布置在机体中间，可沿机体横向移动，通过臂的伸缩和横向移动，可实现机器人越障。

为满足机器人等电位作业能力，采用等电位技术，在行走轮一侧安装有等电位轮，保证机器人始终与导线等电位，在伸缩机械臂上还有一个能夹紧导线的夹爪装置，保证带电作业时，机器人本体的稳定性。机器人本体携带两个机械手，均为具有5个自由度的关节机构，机械手配上螺栓紧固末端装置即可完成紧固作业。

机械手关节机构中，横向移动关节a和横向移动关节b可以沿机体横向地移动，使末端执行机构靠近或离开作业目标；俯仰关节c和俯仰关节d可以实现360°的旋转；伸缩关节e和伸缩关节f可以带动末端执行机构实现垂直方向的升降；回转关节g和回转关节h可以实现360°的旋转；纵向移动关节i和纵向移动关节j可以分别调整末端执行机构的中心面相对于作业目标的位置。5个关节协同工作，将螺栓紧固末端执行机构带到或离开作业目标的工作平面。

作业机器人的作业末端分别为螺栓固定装置和螺栓紧固装置，分别安装在两个机械手上。螺栓固定装置跟随机械手到达螺栓头的位置，螺栓固定装置与机械手之间设置为柔性连接，使其能对卡住螺栓头，进而对螺栓头进行锁定；螺栓紧固装置类似于电动扳手，由一个旋转副进行螺母的紧固，螺栓紧固装置与机械手之间设置为柔性连接。

图5示出了本发明的一个实施例的在屈服点自动紧固螺栓的系统的框图。

如图5所示，本发明的一个实施例的在屈服点自动紧固螺栓的系统500包括：参数获取单元502，用于在通过作业机器人紧固输电线路的待作业螺栓的过程中，实时获取所述待作业螺栓的拧紧扭矩和扭转角度；屈服点确定单元504，用于根据所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的曲线斜率，确定所述待作业螺栓的屈服点；螺栓紧固单元506，用于通过所述作业机器人的作业末端将所述待作业螺栓紧固至所述屈服点。

该在屈服点自动紧固螺栓的系统500使用图1和图3示出的实施例中任一项所述的方案，因此，具有上述所有技术效果，在此不再赘述。在屈服点自动紧固螺栓的系统500还具有以下技术特征：

在本发明上述实施例中，可选地，所述屈服点确定单元504用于包括：将所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的所述曲线斜率应用于预定屈服点计算模型，输出所述待作业螺栓的屈服点。

在本发明上述实施例中，可选地，还包括：历史参数获取单元，用于在所述参数获取单元502实时获取所述待作业螺栓的所述拧紧扭矩和所述扭转角度之前，根据历史作业螺栓的历史拧紧扭矩和历史扭转角度，确定所述历史拧紧扭矩随所述历史扭转角度变化的历史曲线斜率；模型训练单元，用于将所述历史拧紧扭矩随所述历史扭转角度变化的历史曲线斜率作为输入，将所述历史作业螺栓对应的历史屈服点作为输出，训练所述预定屈服点计算模型。

在本发明上述实施例中，可选地，还包括：剩余电量检测单元，用于每隔预定时间间隔，检测所述作业机器人的剩余电量。

在本发明上述实施例中，可选地，还包括：电场分布确定单元，用于通过有限元法和预定电磁场分析算法，确定所述输电线路的电场分布；等电位充放电模型建立单元，用于根据所述输电线路的电场分布，建立等电位充放电模型；暂态冲击电流计算单元，用于通过所述等电位充放电模型计算所述作业机器人受到的暂态冲击电流；电磁防护单元，用于根据所述暂态冲击电流，为所述作业机器人设置对应的电磁防护策略。

另外，本发明实施例提供了一种非暂态存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行上述图1和图3实施例中任一项所述的方法流程。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，通过本发明的技术方案，可自动对待作业螺栓的屈服点的准确计算，实现了快速高效的自动紧固螺栓作业，取代了相关技术中的人工紧固螺栓作业，节省了人工成本和时间成本，降低了输电线路螺栓紧固作业的危险程度，提升了作业安全性和实用性。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)或处理器(Processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (10)

1.一种在屈服点自动紧固螺栓的方法，其特征在于，包括：

在通过作业机器人紧固输电线路的待作业螺栓的过程中，实时获取所述待作业螺栓的拧紧扭矩和扭转角度；

根据所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的曲线斜率，确定所述待作业螺栓的屈服点；

通过所述作业机器人的作业末端将所述待作业螺栓紧固至所述屈服点。

2.根据权利要求1所述的在屈服点自动紧固螺栓的方法，其特征在于，所述根据所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的曲线斜率，确定所述待作业螺栓的屈服点的步骤，具体包括：

将所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的所述曲线斜率应用于预定屈服点计算模型，输出所述待作业螺栓的屈服点。

3.根据权利要求2所述的在屈服点自动紧固螺栓的方法，其特征在于，在所述实时获取所述待作业螺栓的拧紧扭矩和扭转角度的步骤之前，还包括：

根据历史作业螺栓的历史拧紧扭矩和历史扭转角度，确定所述历史拧紧扭矩随所述历史扭转角度变化的历史曲线斜率；

将所述历史拧紧扭矩随所述历史扭转角度变化的历史曲线斜率作为输入，将所述历史作业螺栓对应的历史屈服点作为输出，训练所述预定屈服点计算模型。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的输电线路螺栓紧固方法，其特征在于，还包括：

每隔预定时间间隔，检测所述作业机器人的剩余电量。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的输电线路螺栓紧固方法，其特征在于，还包括：

通过有限元法和预定电磁场分析算法，确定所述输电线路的电场分布；

根据所述输电线路的电场分布，建立等电位充放电模型；

通过所述等电位充放电模型计算所述作业机器人受到的暂态冲击电流；

根据所述暂态冲击电流，为所述作业机器人设置对应的电磁防护策略。

6.一种在屈服点自动紧固螺栓的系统，其特征在于，包括：

参数获取单元，用于在通过作业机器人紧固输电线路的待作业螺栓的过程中，实时获取所述待作业螺栓的拧紧扭矩和扭转角度；

屈服点确定单元，用于根据所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的曲线斜率，确定所述待作业螺栓的屈服点；

螺栓紧固单元，用于通过所述作业机器人的作业末端将所述待作业螺栓紧固至所述屈服点。

7.根据权利要求6所述的在屈服点自动紧固螺栓的系统，其特征在于，所述屈服点确定单元用于包括：

将所述拧紧扭矩随所述扭转角度变化的所述曲线斜率应用于预定屈服点计算模型，输出所述待作业螺栓的屈服点。

8.根据权利要求7所述的在屈服点自动紧固螺栓的系统，其特征在于，还包括：

历史参数获取单元，用于在所述参数获取单元实时获取所述待作业螺栓的所述拧紧扭矩和所述扭转角度之前，根据历史作业螺栓的历史拧紧扭矩和历史扭转角度，确定所述历史拧紧扭矩随所述历史扭转角度变化的历史曲线斜率；

模型训练单元，用于将所述历史拧紧扭矩随所述历史扭转角度变化的历史曲线斜率作为输入，将所述历史作业螺栓对应的历史屈服点作为输出，训练所述预定屈服点计算模型。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的输电线路螺栓紧固系统，其特征在于，还包括：

剩余电量检测单元，用于每隔预定时间间隔，检测所述作业机器人的剩余电量。

10.一种非暂态存储介质，其特征在于，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行如权利要求1至5中任一项所述的方法流程。