李承連

（中鐵十一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司 湖北武漢 430074）

1 引言

高速鐵路接觸網(wǎng)腕臂作為電氣化鐵路的重要組成部分，其工藝質(zhì)量影響著工程質(zhì)量和施工效率，在整個(gè)施工過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。腕臂預(yù)配作為接觸網(wǎng)施工最關(guān)鍵的工序，存在測(cè)量強(qiáng)度大、精度要求高、安裝后需要多次調(diào)整等諸多難點(diǎn)［1］，需進(jìn)一步提高工效?，F(xiàn)階段的腕臂預(yù)配仍根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在車間內(nèi)采用人工方式進(jìn)行預(yù)配，標(biāo)記、切割、組裝、搬運(yùn)，效率不高，精度難以控制，故需要投入大量的成本來(lái)保證高質(zhì)量的接觸網(wǎng)工程建設(shè)。為了建設(shè)精品高速鐵路工程，提高施工工藝標(biāo)準(zhǔn)，降低生產(chǎn)投入成本，加強(qiáng)技術(shù)管理效率，急需有針對(duì)性地研發(fā)新型機(jī)械化、自動(dòng)化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)腕臂流水線預(yù)制，從而實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配的質(zhì)量管控。

2 基于工業(yè)機(jī)器人的全自動(dòng)化腕臂預(yù)配裝置

腕臂生產(chǎn)線采用全自動(dòng)噴碼機(jī)技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)技術(shù)、伺服電機(jī)技術(shù)，具備自動(dòng)噴碼、切割、管件轉(zhuǎn)運(yùn)、零部件定位、力矩緊固等功能，提出零部件自動(dòng)定位、螺栓按力矩緊固、管件自動(dòng)流轉(zhuǎn)等方法［2］，替代傳統(tǒng)人工參與環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)預(yù)配工序全機(jī)械作業(yè)，為高速鐵路接觸網(wǎng)工程提供有效質(zhì)量保障技術(shù)手段。

2.1 全自動(dòng)噴碼切割系統(tǒng)

系統(tǒng)整體采用一體化設(shè)計(jì)，主要由高精度噴頭、噴頭控制系統(tǒng)、伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等組成，利用plc進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫［3］、參數(shù)設(shè)置。采用非接觸式小字符、高解析噴頭，可連續(xù)進(jìn)行弧面管件上文字、條形碼或二維碼噴涂。

腕臂管件長(zhǎng)度切割精度為預(yù)配要點(diǎn)之一，以固定一端為基準(zhǔn)，利用編碼器反饋實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù)，完成閉環(huán)反饋控制，實(shí)現(xiàn)腕臂高精度預(yù)配。工作系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 切割系統(tǒng)

2.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成［4］。主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作；控制系統(tǒng)按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)并進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)等功能。

（1）機(jī)器人選型

工業(yè)機(jī)器人按臂部的運(yùn)動(dòng)形式分為四種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型［5］。腕臂預(yù)配過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)腕臂的抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)、放置、螺栓緊固，需要機(jī)器人具備可移動(dòng)、升降等功能，因此選用關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人。所選機(jī)器人如圖2所示。

圖2 所選六軸關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人

（2）抓取部件設(shè)計(jì)

腕臂管件由于其重量較大且為圓形，單個(gè)抓手無(wú)法將其固定。腕臂管抓取涉及兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是具備張開(kāi)、收緊功能。此處采用了響應(yīng)、動(dòng)作更可靠的氣缸，利用氣缸收縮推動(dòng)卡件握緊、放開(kāi)動(dòng)作。二是牢靠抓緊腕臂管件。根據(jù)腕臂圓弧尺寸設(shè)計(jì)出一種可分離式的卡件，同時(shí)為保持平衡，機(jī)械手臂采用雙固定模式，如圖3所示。

圖3 抓取部件設(shè)計(jì)

（3）力矩緊固槍設(shè)計(jì)

腕臂管上的零部件有4～6個(gè)種類，零部件上螺栓有2種以上不同規(guī)格，預(yù)配要求為每個(gè)零部件螺栓按不同力矩對(duì)角線進(jìn)行緊固。設(shè)計(jì)一種定轉(zhuǎn)矩電動(dòng)扳手，通過(guò)電子監(jiān)控技術(shù)實(shí)時(shí)采集扳手阻力矩的反饋數(shù)據(jù)并與設(shè)定值比對(duì)，如表1所示［6］。

表1 力矩?cái)?shù)據(jù)分析比對(duì)

（4）機(jī)器人行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

行走系統(tǒng)主要由座、直線軌道、直線型齒條和防塵罩組成。結(jié)合電氣控制系統(tǒng)，在不同工位之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到高精度、重復(fù)運(yùn)動(dòng)、速度快等設(shè)計(jì)目標(biāo)要求［7］。同時(shí)為了滿足不同轉(zhuǎn)配環(huán)境下的預(yù)配車間組裝，可以改變行走系統(tǒng)軌道長(zhǎng)度，拓展預(yù)配車間的適應(yīng)性。行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3 零部件自動(dòng)上件系統(tǒng)

腕臂管件分為平、斜腕臂管兩種類型，需要分別單獨(dú)進(jìn)行零部件安裝。每根管件上零部件種類有3～5個(gè)，部件分布位置每套腕臂均不相同，差異性較大，種類繁瑣。上件系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 零部件自動(dòng)上件系統(tǒng)

（1）可翻轉(zhuǎn)式工作臺(tái)

為解決平、斜腕臂管不同工序裝配的問(wèn)題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出一種可翻轉(zhuǎn)式工作臺(tái)，一側(cè)裝配平腕臂，一側(cè)裝配斜腕臂，通過(guò)plc控制工作臺(tái)的翻轉(zhuǎn)伺服機(jī)，在下一步工序前進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)同一機(jī)位上差異化裝配，提升裝配效率。

（2）零部件上件工位設(shè)計(jì)

為解決零部件在每套腕臂管件上精確定位，實(shí)現(xiàn)所有零部件的差異化自動(dòng)裝配，團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)不同零部件的外觀尺寸進(jìn)行三維數(shù)據(jù)掃描采集，制作了可拆卸設(shè)計(jì)的固定零部件夾具，以確保零部件安裝姿態(tài)。工人放置零部件到對(duì)應(yīng)夾具上，按下工序啟動(dòng)鍵，系統(tǒng)調(diào)用腕臂預(yù)配數(shù)據(jù)，通過(guò)電氣控制系統(tǒng)控制變位機(jī)的移動(dòng)［8］，將卡件滑動(dòng)到裝配位置。

3 數(shù)據(jù)追溯系統(tǒng)

腕臂預(yù)配生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)、裝配數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)安裝數(shù)據(jù)作為腕臂裝配施工質(zhì)量追溯的源頭，每個(gè)過(guò)程均至關(guān)重要。利用自動(dòng)噴碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息標(biāo)記，設(shè)置預(yù)配數(shù)據(jù)反饋真實(shí)記錄車間組裝數(shù)據(jù)［9］，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)配到裝配全過(guò)程可追溯、有記錄，作為竣工數(shù)據(jù)移交接管單位。

（1）腕臂生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心

為確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)的唯一性，建立有效的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)機(jī)制，在設(shè)計(jì)之初便考慮到設(shè)備的信息交互，建立腕臂生產(chǎn)數(shù)據(jù)綜合控制中心?？偛吭O(shè)置服務(wù)器，將腕臂預(yù)配數(shù)據(jù)、生產(chǎn)信息整合至云端，供遠(yuǎn)端進(jìn)行控制，時(shí)刻掌握腕臂生產(chǎn)狀況及設(shè)備信息。

（2）二維碼數(shù)據(jù)標(biāo)記

采用時(shí)下最常用的二維碼技術(shù)，配置全自動(dòng)噴碼系統(tǒng)，為每根腕臂賦予身份信息，支持二維碼掃描身份識(shí)別，保證每一根腕臂都能夠從數(shù)據(jù)計(jì)算、腕臂預(yù)配、出廠時(shí)間進(jìn)行追溯［10］。同時(shí)在數(shù)據(jù)中加入了疊加消除算法，同一個(gè)編號(hào)腕臂，二次生產(chǎn)自動(dòng)更新為最近數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，避免數(shù)據(jù)重疊，保證現(xiàn)場(chǎng)安裝與預(yù)配數(shù)據(jù)庫(kù)同步。

4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互作為操作者控制整個(gè)預(yù)配系統(tǒng)的接入口，其設(shè)計(jì)邏輯、簡(jiǎn)潔程度直接關(guān)系預(yù)配系統(tǒng)的整體運(yùn)轉(zhuǎn)，為滿足多數(shù)人員經(jīng)培訓(xùn)后，均可以使用腕臂預(yù)配系統(tǒng)，采用基于PLC的電氣控制系統(tǒng)，整個(gè)界面簡(jiǎn)潔易懂。主界面如圖6所示。

圖6 人機(jī)交互主界面

（1）系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

預(yù)配狀態(tài)監(jiān)控界面由通訊總線、伺服手動(dòng)畫面、報(bào)警、維護(hù)畫面、打孔操作畫面、噴碼和切割數(shù)據(jù)設(shè)定畫面、扭力值監(jiān)控畫面等界面組成。可供操作者判斷預(yù)配系統(tǒng)伺服電機(jī)、機(jī)器人、工作平臺(tái)的通訊狀態(tài)、操作狀態(tài)以及系統(tǒng)各工位異常狀態(tài)情況［11］，在故障或緊急狀態(tài)可快速判斷故障點(diǎn)。

（2）生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

在腕臂智能化預(yù)配過(guò)程中，獲取原始接觸網(wǎng)腕臂相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)RS232串口與PLC通信［12］，傳輸數(shù)據(jù)生產(chǎn)。監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)導(dǎo)入、任務(wù)修改、歷史數(shù)據(jù)查詢、用戶管理等界面組成［13］，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、修改、查詢管理，如圖7所示。

圖7 生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控界面

5 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

在新建武漢至十堰高鐵工程隨縣至襄陽(yáng)段，接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配施工均采用本系統(tǒng)進(jìn)行裝配。線路開(kāi)通以來(lái)，運(yùn)行狀態(tài)良好，實(shí)現(xiàn)了腕臂預(yù)配重要工序無(wú)人工化的目的，保證了腕臂預(yù)配的質(zhì)量，提升了預(yù)配效率。

（1）重要工序無(wú)人工參與

腕臂的數(shù)據(jù)調(diào)用、切割，螺栓按力矩緊固、零部件定位均無(wú)人工參與，從源頭上避免了人工誤差，統(tǒng)一了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

（2）質(zhì)量可控

嚴(yán)格控制管件的長(zhǎng)度、零部件位置、螺栓緊固力矩的大小，同時(shí)引入噴碼標(biāo)記，可用人工進(jìn)行質(zhì)量復(fù)核，進(jìn)一步控制成品質(zhì)量。

（3）腕臂裝配效率提升

采用本系統(tǒng)后，以自動(dòng)化機(jī)械為主、人工監(jiān)控方式，將一套成品腕臂預(yù)配時(shí)間縮短一半以上，人工投入減少2/3以上。

6 結(jié)論

（1）采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行高速鐵路腕臂預(yù)配提高了工作效率、減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約了生產(chǎn)成本。

（2）與傳統(tǒng)人工預(yù)配方式相比，杜絕了人為誤差，提升了裝配精度，有效避免了腕臂在安裝之后的二次調(diào)整，保證了接觸網(wǎng)腕臂安裝進(jìn)度。

（3）腕臂預(yù)配從數(shù)據(jù)計(jì)算到裝配信息全過(guò)程的可追溯，可供運(yùn)維單位作為管理依據(jù)，提升了腕臂數(shù)據(jù)的利用效率。

（4）采用可拆卸設(shè)計(jì)，除滿足鋁合金腕臂預(yù)配，還適用于鋼腕臂預(yù)配，更換方式簡(jiǎn)單，適用范圍廣。

（5）簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互操作系統(tǒng)、清晰的語(yǔ)言邏輯、智能管件物料提示推送功能，實(shí)現(xiàn)技術(shù)人員快速上手控制，確保腕臂預(yù)配生產(chǎn)有效運(yùn)轉(zhuǎn)。