一种一体化改进型智能电动紧线器及其紧线方法与流程

1.本发明涉及电动工具领域，具体涉及一种一体化改进型智能电动紧线器及其紧线方法。


背景技术：

2.紧线器，又叫棘轮收紧器，是在架空线路敷设施工中作为拉紧导线用的。使用时先把紧线器上的钢丝绳或镀锌铁线松开，并固定在横担上，用夹线钳夹住导线，然后扳动专用板手。由于棘爪的防逆转作用，逐渐把钢丝绳或镀锌铁线绕在棘轮滚筒上，使导线收紧。把收紧的导线固定在绝缘子上。然后先松开棘爪，使钢丝绳或镀锌铁线松开，再松开夹线钳，最后把钢丝绳或镀锌铁线绕在棘轮的滚筒上。
3.随着电力系统控制方式数字化进程的发展应用以及电力系统综合自动化的广泛应用，对系统可视化、自动化、便捷化、实时化、精确化的要求越来越高，相应地对应用面积广、工作效率低、操作较频繁、收紧效果不一致的传统紧线器也就提出了更高的要求，传统紧线器根本无法满足现代电力系统综合自动化的需要。自动化技术的应用于是成了新型紧线器的一个重要发展应用方向，所以对于传统紧线器的智能化研究越来越有必要。
4.电动紧线器中自动化技术的应用核心是保护、测量、监控于一体的多功能行星机构，它主要由行星单元、夹线钳单元、行星防逆转单元、行星减速器单元等几部分组成。目前广大紧线器的使用都是传统紧线器，需要通过人工手工方式转动棘轮收紧器收紧导线，传动效率低，传动精度低，弧垂无法达到测量与计量的精度要求。
5.但是市面上存在的电动收紧器，不能获取当前实际拉力，从而使得输出的精准度不够高。


技术实现要素：

6.针对上述背景技术中存在的问题，提出一种一体化改进型智能电动紧线器及其紧线方法，使施工人员可以轻松完成紧线任务，并且保证导线弧垂的一致性，在紧急转况下可以转为手动操作，提高出工的效率和合格率，实现紧线智能化的同时，还可以节约人力成本，提高施工人员的人身安全系数，实现了易操作、可测量、可计算、可预测、可控制、可遥控、可监测的功能。
7.一种一体化改进型智能电动紧线器，包括挂钩、减速齿轮部分、线缆、动滑轮和遥控器，其特征在于：
8.减速齿轮部分和动滑轮之间通过线缆连接；挂钩包括第一挂钩和第二挂钩；第二挂钩和动滑轮连接；
9.减速齿轮部分包括拉力传感器、线缆轮和与线缆轮配套的电机部分和减速机部分；
10.线缆轮通过拉力传感器与第一挂钩连接；
11.电机部分包括电机控制器和直流电机；减速机部分包括依次连接的一级减速器和
二级减速器，一级减速器采用齿轮减速器，二级减速器采用行星减速机构；电机控制器与直流电机的输入端连接，直流电机的输出端与一级减速器连接。
12.进一步地，直流电机设有手把转轴，转轴上的齿轮与电机转轴后端的齿轮啮合，转动手把时，紧线器从电动工作模式切换到手动工作模式。
13.进一步地，二级减速器的输出轴与线缆轮的轮毂固定连接，控制线缆的收放。
14.一体化改进型智能电动紧线器的控制系统，包括电机控制系统和远程遥控系统；
15.电机控制系统包括采集芯片、数据处理芯片和拉力传感器；采集芯片采集电机的电流数据，拉力传感器采集紧线拉力数据；采集到的数据输入至数据处理芯片运算后，基于pid调节电机的运行；
16.远程遥控系统通过rs485总线和电机控制系统通讯，实时监测电动紧线器的电池电量、当前拉力、剩余行程、控制器芯片温度的数据，进而控制电机输出扭矩，电机转向，电机刹车的操作。
17.进一步地，电机控制通过pid调节pwm输出，调整电机输出功率，表达式如下：
18.y(k)＝y(k-1)+
△
y(k)
19.其中y(k)为第k次输出的控制信号值，即pwm占空比；y(k-1)为上一次输出控制信号值；
△
y(k)为输出增量：
20.△
y(k)＝kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
[0021]
其中：kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，kp、ki、kd三个系数根据需要实际调整；e(k)为第k次采样时的偏差值，e(k-1)为第k-1次采样时的偏差值，e(k-2)为第k-2次采样时的偏差值；pwm占空比y与电机输出功率为线性关系。
[0022]
一体化改进型智能电动紧线器的线缆紧线方法，包括如下步骤：
[0023]
步骤1，基于架空线路的结构，推导得出拉力；
[0024]
步骤2，拉力转换：将步骤1得到的拉力tb，基于电动紧线器的线缆轮和动滑轮形成的滑轮组结构，获得动滑轮拉力转换公式为td＝tb/2，进而得到齿轮组拉力转换公式：
[0025]
tc＝td/p*l
[0026]
其中p为齿轮减速比，l为传送损耗比。
[0027]
步骤3，电机输出功率：基于收线速度s1和线缆轮的收线轴周长c，获得收线轴的转数s＝s1/c，进而得到相应的电机输出功率p
l
＝tc*s；
[0028]
步骤4，补偿计算；对于步骤3获得的电机输出功率，基于每次操作后手动调整电机功率值ph，进行补偿计算，得到最终电机输出功率p：
[0029]
△
p1＝p
l-ph1，
[0030]
△
pn＝p
n-phn，
[0031]
△
p＝(
△
p1+
△
pn)/n
[0032]
p＝p1+
△
p。
[0033]
进一步地，步骤1中，建立直角坐标系xoy，获取架空线路的垂弧、档距、线路直径；对于悬挂于a、b两点之间的自重比载为g的电缆形成的曲线，将其称为悬链线，其方程式双曲线函数如下：
[0034]
y＝h0ch(x/h0)
[0035]
l1＝h0sh(x/h0)
[0036]
式中，h0为电缆线最低点到x轴距离；ch、sh分别为双曲余弦，双曲正弦函数符号；
[0037]
当悬点a、b等高时，oy轴的曲线对称，b点的拉力通过滑轮组应与be段平衡，e为b点在oy轴上的投影点；be段的荷载y2gs与b点沿电线作用的拉力相等，即
[0038]
tb＝y2gs
[0039]
其中，g＝w/s，单位kg/m*mm2；w单位kg/m，为电缆线1m的重量；s＝π*d2/4，单位mm2，为电缆线截面积；d为电缆线直径。
[0040]
本发明达到的有益效果为：
[0041]
1.本发明中，控制系统根据计算出来的拉力输出相应的功率，拉力传感器通过高精度ad转换采集器获取当前实际拉力，电机控制系统根据ad采集器转换的拉力进行pid调节，达到精准输出的目的。
[0042]
2.本发明中，以行星减速机构为基础，保证紧线的基本功能；以电动操作为核心，简化紧线操作，提高紧线速度，实现降低施工人员人力成本，提高工作效率；以传感器为触点，感知导线当前的拉力数值；以控制算法为手段，保证导线弧垂的一致；以预设导线型号，总档距参数为导向，实现预估最优牵引拉力值；以遥控功能为辅助，实现作业人员在操作时完全处于导线外角侧，提高作业人员的安全系数。
[0043]
3.本发明中，让施工人员轻松完成紧线任务，并且保证导线弧垂的一致性，在紧急转况下可以转为手动操作，提高出工的效率和合格率，实现紧线智能化的同时，还可以节约人力成本，提高施工人员的人身安全系数。
[0044]
4.本发明中，采用高性能arm内核cortex m4处理器，能够在两秒内测算出紧线拉力值，电机采用895系列大扭矩滚珠直流电机，通过齿轮减速，能够以每秒钟1mm的速度进行紧线工作，能够输出超过3吨的拉力，电池采用12v 6ah大电池，满电状态能够满足40分钟的工作需求。
附图说明
[0045]
图1为本发明实施例中所述的智能电动紧线器的结构正面图。
[0046]
图2为本发明实施例中所述的智能电动紧线器的结构被面图。
[0047]
图3为本发明实施例中所述的智能电动紧线器的结构局部图。
[0048]
图4为本发明实施例中所述的架空路线的直角坐标系图。
[0049]
图5为本发明实施例中所述的电机pid调节示意图。
[0050]
图中，1-第一挂钩，2-拉力传感器，3-操作按键，4-行星减速机构，5-钢缆，6-动滑轮，7-第二挂钩，8-遥控器，9-电机控制器，10-行星减速器，11-锂电池组，12-线缆轮，13-摇把转轴，14-线缆导向片。
具体实施方式
[0051]
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
[0052]
现有手动紧线器以手动紧线为主，本发明使用高扭力马达配中减速比减速箱作为机构的主要机械技术。高扭矩的马达扭矩要求达到5n
·
m，能够良好驱动减速器且扭矩有一定冗余，马达通过直流电池进行驱动，方便行星机构驱动。相比于交流马达具有良好的启动特性和调速特性，比同等级的交流马达扭矩更大，维修便宜，节能环保等优势。
[0053]
将高精度采集芯片:24位数模转换芯片cs5550、高速数据处理芯片:32位arm cortex m4处理器at32f415rb、s型拉力传感器等集成到电动紧线器上，使之具备高速采样，智能调速，根据导线型号，档距精准计算拉力，根据计算数据，通过pid调节电机转速，使紧线系统运行稳定。同时通过温度传感器采集电机驱动器温度，并通过高精度ad采集芯片采集电机电流，确保驱动器不过热，电机不过载。电机采用大扭矩895系列滚珠直流电机。
[0054]
供电电池设计成可快速更换的组结构。使其能在施工现场快速更换电池，保证工作效率和降级人员劳动强度，同时通过温度传感器，采集电池温度，通过算法计算电池电量，做到电池状态的实时检测。
[0055]
远程遥控系统通过rs485总线和电机控制系统通讯。实时监测电动紧线器电池电量，当前拉力，剩余行程，控制器芯片温度等数据。可以随时控制电机输出扭矩，电机转向，电机刹车等操作，使其作业人员在操作时完全处于导线外角侧，在紧线时提高人员的安全系数，使电动紧线器操作更便捷。
[0056]
一体化改进型智能电动紧线器由电动机、减速齿轮箱、外壳、行星减速器、挂钩、控制器、遥控器组成。图3和4部分处于外壳中，外壳保护齿轮传动组不受外部干扰，同时避免和减缓齿轮组的润滑油挥发，外壳内中部设有减速机，减速机两侧分别设有动力输出轴，的端部固定连接行星减速器，行星减速器的外端部与三级减速器相连，三级减速器与线缆轮12毂相连，线缆另一端设有挂钩并分别延伸至壳体两端外；壳体外侧中部设有与减速机动力连接的电动机，电动机的一侧设有控制器，控制器上设有电源连接端子，控制器与遥控器通过rs485总线连接。本发明设计合理，结构简单，体积小，重量轻，操作省时省力，安全系数高及方便携带。
[0057]
s型拉力传感器2的内部设置有圆柱形拉力测力计，在紧线器工作中实时测量线缆受到的拉力，通过与其相连的数据线将拉力数据传回控制芯片中，控制芯片通过反馈回来的拉力值输入到拉力测算公式中，实时计算并预测接下来需要的电机转速，最后将转速指令发送给电机控制器9让其对电机转速实施控制。
[0058]
利用三个减速器的组合来达到紧线器需要的减速比和需要的拉力，利用行星减速结构的自锁功能来保证紧线器的结构可靠性，在不工作的情况下自动锁定保证施工安全。在紧急情况下施工人员通过机器配送的摇把人工转动电机转轴驱动紧线器工作，以此来达到自动手动切换的目的，因为行星自带锁定特性，施工人员摇动摇把就自动解锁，停止摇动则自动锁定。
[0059]
如图4，建立直角坐标系xoy，垂弧、档距、电缆直径、由人工输入。
[0060]
自重比载为g的电缆，悬挂于a、b两点之间。所形成的曲线称为悬链线。
[0061]
其方程式双曲线函数如下：
[0062]
y＝h0ch(x/h0)1
[0063]
l1＝h0sh(x/h0)2
[0064]
公式中，h0为电缆线最低点到x轴距离；ch、sh分别为双曲余弦，双曲正弦函数符号。
[0065]
当悬点a、b等高时，oy轴的曲线是对称的，b点电线上的拉力通过滑轮组应与悬吊着的be平衡，e为b点在oy轴上的投影点。be段的荷载y2gs与b点沿电线作用的拉力相等，即
[0066]
tb＝y2gs 3
[0067]
其中，g＝w/s，单位kg/m*mm2；w单位kg/m，为电缆线一米的重量；s＝π*d2/4，单位mm2，为电缆线截面积；d为电缆线直径。
[0068]
根据公式3得到的拉力。通过滑轮组，齿轮组减速后作用于电机转动轴。
[0069]
动滑轮拉力转换公式为td＝tb/2，进而得到齿轮组拉力转换公式：
[0070]
tc＝td/p*l4
[0071]
其中p为齿轮减速比，l为传送损耗比。
[0072]
电机输出功率：
[0073]
已知收线速度s1。收线轴直径为dz。其周长为c，其公式：
[0074]
c＝πdz 5
[0075]
收线轴转速sz＝s1/c 6
[0076]
根据式4、5、6计算电机输出功率pl＝tc*sz
[0077]
由于理论数据和实际数据会存在一定误差，为让控制更精准，故采用智能补偿算法。
[0078]
△
p1＝pl-ph1，
[0079]
△
pn＝pn-phn，
[0080]
△
p＝(
△
p1+
△
pn)/n
[0081]
p＝p1+
△
p
[0082]
其中ph为每次操作后手动调整电机功率值。设备会根据n次使用过程中输入的手动调整参数phn，计算自动补偿值
△
p。
[0083]
将高精度采集芯片、高速数据处理芯片、拉力传感器等集成到电动紧线器上，使之具备高速采样，智能调速，根据线缆型号，档距精准计算拉力，根据计算数据，通过pid调节电机转速，使紧线系统运行稳定。同时通过温度传感器采集电机驱动器温度，并通过高精度ad采集芯片采集电机电流，确保驱动器不过热，电机不过载。
[0084]
电机控制通过pid调节pwm输出，调整电机输出功率，pid调节原理如图5的pid调节示意图。
[0085]
表达式如下：
[0086]
y(k)＝y(k-1)+
△
y(k)
[0087]
其中y(k)为第k次输出的控制信号值，即pwm占空比；y(k-1)为上一次输出控制信号值；
△
y(k)为输出增量可正可负：
[0088]
△
y(k)＝kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
[0089]
其中：kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，e(k)为第k次采样时的偏差值，e(k-1)为第k-1次采样时的偏差值，e(k-2)为第k-2次采样时的偏差值。
[0090]
上述公式中，kp、ki、kd三个系数根据需要实际调整。
[0091]
pwm占空比y与电机输出功率p1为线性关系，即p1＝k*y，其中k为常量，需要实验获得。
[0092]
可手动和电动工作模式切换的传动结构：
[0093]
动力来自于直流高扭矩马达，马达与一级减速器相连，一级减速器连接行星二级减速器，行星输出端连接线缆轮12毂；在马达转轴后出一端，带有一个齿轮和一个转轴凹槽，手动摇把将转轴插入凹槽，转轴上的齿轮与马达转轴后端的齿轮啮合，转动摇把时，紧
线器自动从电动工作模式切换到手动工作模式。
[0094]
电瓶电池组：
[0095]
利用常见电动车电瓶为整个机构提供动力来源，考虑通用性，亦可通过随行工程车的车载电瓶进行供电。
[0096]
摇把转轴13的底端设置有线缆导向片14，线缆导向片14在紧线器工作中线缆放出和收回的过程中起线缆的导向作用，防止线缆打结和移动到意料之外的位置，保证了紧线器在收放线缆工作过程中的正确性。
[0097]
遥控系统：
[0098]
遥控器通过rs485总线方式和电机控制器连接。
[0099]
遥控器采用oled屏显示方式，实时监测电动紧线器电池电量，当前拉力，剩余行程，控制器芯片温度等数据。可以随时控制电机输出扭矩，电机转向，电机刹车等操作，使其作业人员在操作时完全处于线缆外角侧，在紧线时提高人员的安全系数，使电动紧线器操作更便捷。
[0100]
同时，通过按键操作，输入垂弧，档距，线直径等相关参数，并通过前文中的公式，计算出相应数据。同时，该系统也具备学习和记忆功能，通过深度学习，不断调整相应参数，并记录调整后的参数，使计算出来的数据更精准。并再下次相同条件下使用的时候，一键调用相关参数。
[0101]
以上仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

技术特征：
1.一种一体化改进型智能电动紧线器，包括挂钩、减速齿轮部分、钢缆(5)、动滑轮(6)、行星减速器(10)和遥控器(8)，其特征在于：减速齿轮部分和动滑轮(6)之间通过线缆连接；挂钩包括第一挂钩(1)和第二挂钩(7)；第二挂钩(7)和动滑轮(6)连接；减速齿轮部分包括拉力传感器(2)、线缆轮(12)和与线缆轮(12)配套的电机部分和减速机部分；线缆轮(12)通过拉力传感器(2)与第一挂钩(1)连接，所述拉力传感器(2)的外部设置有钢缆(5)。2.根据权利要求1所述的一种一体化改进型智能电动紧线器，其特征在于：直流电机设有手把转轴，转轴上的齿轮与电机转轴后端的齿轮啮合，转动手把时，紧线器从电动工作模式切换到手动工作模式。3.根据权利要求1所述的一种一体化改进型智能电动紧线器，其特征在于：二级减速器的输出轴与线缆轮(12)的轮毂固定连接，控制线缆的收放。4.一种一体化改进型智能电动紧线器，其特征在于：包括电机控制系统和远程遥控系统；电机控制系统包括采集芯片、数据处理芯片和拉力传感器；采集芯片采集电机的电流数据，拉力传感器采集紧线拉力数据；采集到的数据输入至数据处理芯片运算后，基于pid调节电机的运行；远程遥控系统通过rs485总线和电机控制系统通讯，实时监测电动紧线器的电池电量、当前拉力、剩余行程、控制器芯片温度的数据，进而控制电机输出扭矩，电机转向，电机刹车的操作。5.根据权利要求4所述的一种一体化改进型智能电动紧线器，其特征在于：电机控制通过pid调节pwm输出，调整电机输出功率，表达式如下：y(k)＝y(k-1)+
△
y(k)其中y(k)为第k次输出的控制信号值，即pwm占空比；y(k-1)为上一次输出控制信号值；
△
y(k)为输出增量：
△
y(k)＝kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]其中：kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，kp、ki、kd三个系数根据需要实际调整；e(k)为第k次采样时的偏差值，e(k-1)为第k-1次采样时的偏差值，e(k-2)为第k-2次采样时的偏差值；pwm占空比y与电机输出功率为线性关系。6.一种一体化改进型智能电动紧线器的紧线方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，基于架空线路的结构，推导得出拉力；步骤2，拉力转换：将步骤1得到的拉力tb，基于电动紧线器的线缆轮(12)和动滑轮形成的滑轮组结构，获得动滑轮拉力转换公式为td＝tb/2，进而得到齿轮组拉力转换公式：tc＝td/p*l其中p为齿轮减速比，l为传送损耗比；步骤3，电机输出功率：基于收线速度s1和线缆轮(12)的收线轴周长c，获得收线轴的转数s＝s1/c，进而得到相应的电机输出功率p
l
＝t
c
*s；步骤4，补偿计算；对于步骤3获得的电机输出功率，基于每次操作后手动调整电机功率
值ph，进行补偿计算，得到最终电机输出功率p：
△
p1＝p
l-ph1，
△
p
n
＝p
n-ph
n
，
△
p＝(
△
p1+
△
p
n
)/np＝p1+
△
p。7.根据权利要求6所述的一种一体化改进型智能电动紧线器的紧线方法，其特征在于：所述步骤1中，建立直角坐标系xoy，获取架空线路的垂弧、档距、线路直径；对于悬挂于a、b两点之间的自重比载为g的电缆形成的曲线，将其称为悬链线，其方程式双曲线函数如下：y＝h0ch(x/h0)l1＝h0sh(x/h0)式中，h0为电缆线最低点到x轴距离；ch、sh分别为双曲余弦，双曲正弦函数符号；当悬点a、b等高时，oy轴的曲线对称，b点的拉力通过滑轮组应与be段平衡，e为b点在oy轴上的投影点；be段的荷载y2gs与b点沿电线作用的拉力相等，即t
b
＝y2gs其中，g＝w/s，单位kg/m*mm2；w单位kg/m，为电缆线1m的重量；s＝π*d2/4，单位mm2，为电缆线截面积；d为电缆线直径。8.根据权利要求1所述的一种一体化改进型智能电动紧线器的紧线方法，其特征在于：所述电机部分包括电机控制器(9)和直流电机；减速机部分包括依次连接的一级减速器和二级减速器，一级减速器采用齿轮减速器，二级减速器为行星减速机构(4)；电机控制器(9)与直流电机的输入端连接，直流电机的输出端与一级减速器连接。9.根据权利要求1所述的一种一体化改进型智能电动紧线器的紧线方法，其特征在于：所述电机控制器(9)的控制端电性连接有遥控器(8)，所述的表面设置有操作按键(3)，所述电机控制器(9)的电源端电性连接有锂电池组(11)。10.根据权利要求1所述的一种一体化便携式智能电动紧线器，其特征在于：所述摇把转轴(13)的底端设置有线缆导向片(14)。

技术总结
本发明公开了一种一体化改进型智能电动紧线器及其紧线方法，涉及电动工具领域，以行星减速机构为基础，保证紧线的基本功能；以电动操作为核心，简化紧线操作，提高紧线速度，降低施工人员人力成本，提高工作效率；以传感器为触点，感知导线当前的拉力数值；以控制算法为手段，保证导线弧垂的一致，实现预估最优牵引拉力值；以遥控功能为辅助，实现作业人员在操作时完全处于导线外角侧，提高作业人员的安全系数；让施工人员轻松完成紧线任务，在紧急转况下可以转为手动操作，提高出工的效率和合格率；能够快速测算出紧线拉力值，输出的拉力高。高。高。


技术研发人员：沈家渝 兰通旻
受保护的技术使用者：重庆孚竞科技发展有限公司
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/10/19