劉澄宇

(中國鐵建電氣化局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030023)

1 引言

近年來，我國高鐵迅猛發(fā)展，高鐵里程逐年提高，高鐵已經(jīng)成為我國的一張閃亮的名片。在高鐵建設(shè)中提高施工效率，保證工程質(zhì)量是當(dāng)前鐵路發(fā)展的首要要求。當(dāng)前國內(nèi)外隧道內(nèi)的接觸網(wǎng)上部結(jié)構(gòu)件安裝，一般采用人工完_成，即定制高度適合的梯車，由人力結(jié)合滑輪組將吊柱拉至隧道頂部，并在梯車上對位安裝。梯車、吊裝裝置屬笨重?zé)o動力設(shè)備，其隧道內(nèi)移動困難、安全防護(hù)性差、用人多，存在較大的安全隱患，已不能滿足當(dāng)前施工進(jìn)度及效率的需求。此外，隧道內(nèi)吊柱安裝完成后，施工人員需要對吊柱現(xiàn)場安裝數(shù)據(jù)精確測量并記錄，確保吊柱本體或吊柱上的金屬部件等在受電弓極限晃動情況下均能滿足絕緣距離[1]。且隨著鐵路重載、提速的技術(shù)政策的實施，對接觸網(wǎng)的施工質(zhì)量提出了更高的要求[2-3]。

為轉(zhuǎn)變目前鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)施工現(xiàn)狀，針對吊柱起吊、安裝調(diào)整存在的困難問題[4]，中國鐵建電氣化局和浙江大學(xué)共同合作開發(fā)了一套接觸網(wǎng)上部結(jié)構(gòu)智能化安裝設(shè)備，可以實現(xiàn)車輛自行走定位，機(jī)械手自動抓取安裝吊柱，實現(xiàn)機(jī)器代替人工操作，通過數(shù)字智能控制器動作，可以確保吊柱安裝精度并提高吊柱安裝效率[5]。本文主要對接觸網(wǎng)上部結(jié)構(gòu)智能化安裝設(shè)備進(jìn)行整體介紹，并對關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點進(jìn)行了闡述。

2 接觸網(wǎng)上部結(jié)構(gòu)智能化安裝設(shè)備整體結(jié)構(gòu)及安裝工藝流程

接觸網(wǎng)上部結(jié)構(gòu)智能化安裝設(shè)備主要用于高鐵隧道內(nèi)部接觸網(wǎng)吊柱部件的自動安裝及檢測。該設(shè)備可實現(xiàn)車輛自動行走定位，吊柱和螺母墊片的自動安裝及斜率檢測等功能。

2.1 設(shè)備整體組成

接觸網(wǎng)上部構(gòu)件智能化安裝設(shè)備主要包括:自動行走定位車輛及全站儀定位系統(tǒng)、多關(guān)節(jié)機(jī)械人、自動操作平臺、吊柱擺放工裝、電力和液壓系統(tǒng)、零重力機(jī)械臂、視覺檢測模塊、墊片夾持機(jī)構(gòu)、吊柱斜率檢測機(jī)構(gòu)、液壓支腿、自動安裝墊片螺母模塊、上料機(jī)械手、螺母墊片儲料盒等部分。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接觸網(wǎng)上部構(gòu)件智能化安裝設(shè)備整體機(jī)構(gòu)

2.2 吊柱安裝工藝流程

接觸網(wǎng)上部結(jié)構(gòu)智能化安裝設(shè)備吊柱安裝工藝流程如圖2所示。

圖2 安裝工藝流程

2.3 設(shè)備主要性能及參數(shù)

(1)設(shè)備只需2～3人作業(yè)，吊柱安裝效率30～40根/d。

(2)吊柱安裝范圍(距離本線線路中心距離):1 600～3 100 mm，順線路方向允許誤差0～20 mm。

(3)吊柱安裝斜率:順線路放線鉛垂安裝，允許誤差:≤1°；垂直線路方向鉛垂安裝，吊柱底部允許向本線線路側(cè)傾斜1°。

(4)設(shè)備工作范圍:4.5 m×4.5 m，裝配高度9.68 m。

(5)設(shè)備規(guī)格尺寸約:16 m×2.5 m×4.8 m。

(6)機(jī)械手載荷250 kg。

3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

在接觸網(wǎng)上部構(gòu)件安裝上，國內(nèi)外多采用腳手架，并采用多人人工將吊柱吊至隧道頂部，工作效率慢，單根吊桿重量約200 kg，安裝高度8～9 m，每組12人每天安裝20～25根。隧道內(nèi)人工安裝吊柱如圖3所示。

圖3 隧道內(nèi)人工安裝吊柱

設(shè)計研發(fā)的接觸網(wǎng)上部結(jié)構(gòu)智能化安裝設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)吊柱全自動安裝，該設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點主要包括:自行走車輛及全站儀定位模塊、多關(guān)節(jié)機(jī)器人、三維視覺掃描模塊、自動操作平臺和自動安裝墊片螺母模塊等。

3.1 自行走車輛及全站儀定位模塊

隨著隧道建筑、汽車制造等大型工業(yè)制造業(yè)的發(fā)展，對于大尺寸、現(xiàn)場自動化測量的需求與日俱增[6-8]。張滋黎等對視覺引導(dǎo)經(jīng)緯儀測量方法進(jìn)行了相關(guān)研究，其視覺引導(dǎo)子系統(tǒng)由精密二維轉(zhuǎn)臺，高分辨率相機(jī)和變焦鏡頭構(gòu)成，取得了一定的效果[9]。周虎等設(shè)計了一種光電子基于視覺的激光電子經(jīng)緯儀跟蹤引導(dǎo)系統(tǒng)來提高電子經(jīng)緯儀工作效率，通過光軸搜索法實現(xiàn)了經(jīng)緯儀激光點自動引導(dǎo)的策略[10]。

本文開發(fā)了一套行走車輛采用電動無人駕駛卡車，車身上裝有定位全站儀，可根據(jù)輸入CPⅡ樁、CPⅢ樁及施工圖工程數(shù)據(jù)并通過全站儀視覺自動掃描隧道內(nèi)反光板基準(zhǔn)坐標(biāo)對車輛進(jìn)行定位，根據(jù)總控系統(tǒng)的坐標(biāo)信息自動行駛到吊柱安裝目標(biāo)位，車輛續(xù)航能力120 km以上。

根據(jù)施工圖紙輸入兩個基準(zhǔn)坐標(biāo)，在隧道內(nèi)根據(jù)施工圖紙?zhí)崆安贾煤枚鄠€CPⅢ反光板，利用圖像特征匹配算法獲取目標(biāo)圖像的中心坐標(biāo)，利用T-link控制器實現(xiàn)全站儀與主控制器的連接。系統(tǒng)根據(jù)輸入的施工圖及工程數(shù)據(jù)自動規(guī)劃路徑及定位。全站儀單次測量流程如圖4所示。

圖4 視覺全站儀單次測量流程

同時在CPⅡ樁、CPⅢ樁、吊柱上安裝射頻卡(RFID)[11]，將各個點坐標(biāo)及裝配精度等數(shù)據(jù)信息寫入對應(yīng)各個射頻卡中，采用無線射頻識別系統(tǒng)可讀取各個射頻卡信息通過上位機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，實現(xiàn)整個線路物聯(lián)網(wǎng)管理。也可在離線的狀態(tài)下采用讀卡器讀取單個射頻卡信息，便于接觸網(wǎng)線路的維護(hù)管理。

3.2 多關(guān)節(jié)機(jī)器人

多關(guān)節(jié)機(jī)器人可實現(xiàn)隧道空間內(nèi)接觸網(wǎng)吊柱大尺度轉(zhuǎn)運和高精度安裝要求[12]。

吊柱抓取和安裝均通過多關(guān)節(jié)機(jī)械人自動控制實現(xiàn)，按照設(shè)定抓取位和目標(biāo)位自動抓取吊柱，完成吊柱的安裝及斜率檢測。

多關(guān)節(jié)機(jī)械人工包含10個關(guān)節(jié)，可分為上下兩個部分，上部為6關(guān)節(jié)機(jī)器人，下部為4個關(guān)節(jié)機(jī)器人可實現(xiàn)上部6關(guān)節(jié)機(jī)器人的整體升降、水平進(jìn)給、旋轉(zhuǎn)和傾翻動作。多關(guān)節(jié)機(jī)器人如圖5所示。

圖5 多關(guān)節(jié)機(jī)器人

3.3 三維視覺掃描模塊

吊柱安裝在隧道頂部位置，吊柱法蘭與隧道頂部預(yù)安裝好化學(xué)錨栓鎖緊固定，吊柱安裝后其軸線需垂直于水平面，因隧道內(nèi)壁是弧形段，故吊柱法蘭安裝時要保持水平，其4個法蘭錨栓孔與隧道頂部之間存在間隙，需增加墊片對吊柱法蘭進(jìn)行調(diào)平。隧道內(nèi)吊柱安裝位置如圖6所示。

圖6 隧道內(nèi)吊柱安裝位置

視覺掃描測距模塊安裝在多關(guān)節(jié)機(jī)器人前端，吊柱安裝前多關(guān)節(jié)機(jī)器人移動到吊柱法蘭安裝位置，3D視覺掃描隧道壁上的化學(xué)錨栓并測出吊柱法蘭對應(yīng)4個點的化學(xué)錨栓位置及錨栓尾部與隧道壁的距離，自動計算出吊柱法蘭上4個安裝孔距離隧道內(nèi)壁的尺寸，以及需要增加吊柱墊片厚度和數(shù)量。后續(xù)將墊片預(yù)安裝在吊柱法蘭上面，確保吊柱安裝后軸線與水平面的垂直斜率符合吊柱斜率安裝要求。

3.4 自動操作平臺

目前，國內(nèi)牽引供電行業(yè)接觸網(wǎng)吊柱腕臂安裝和維修使用的主要設(shè)備為接觸網(wǎng)檢修車，這種標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)車為可升降旋轉(zhuǎn)移動平臺[13]。因此操作平臺控制的方便程度以及工作的穩(wěn)定性和可靠性直接影響了整個接觸網(wǎng)作業(yè)的效率和安全[14]。

接觸網(wǎng)上部結(jié)構(gòu)智能化安裝設(shè)備中的自動操作平臺，可容納1～2人作業(yè)，主要用于吊柱安裝前化學(xué)錨栓的校正和吊柱安裝后的斜率檢測校驗，以及后期接觸網(wǎng)上部結(jié)構(gòu)的維護(hù)作業(yè)。自動操作平臺工作載荷為200 kg。

自動操作平臺可獨立旋轉(zhuǎn)，平臺自身具備升降、水平伸縮、折疊翻轉(zhuǎn)等功能，可以與多關(guān)節(jié)機(jī)器人配合作業(yè)，也可獨立作業(yè)。自動操作平臺如圖7所示。

圖7 自動操作平臺

3.5 自動安裝墊片螺母模塊

自動安裝墊片螺母模塊主要包括:上料機(jī)械手、墊片料倉(8個)、螺母料倉(2個)、視覺模塊、墊片夾持機(jī)構(gòu)、伺服擰螺母機(jī)構(gòu)等。自動安裝墊片模塊如圖8所示。

圖8 自動安裝墊片模塊

車身上設(shè)有上料機(jī)械手及墊片料倉、螺母料倉，機(jī)械手前端裝有視覺檢測模塊可對吊柱法蘭表面安裝孔尺寸和位置進(jìn)行檢測并結(jié)合三維視覺掃描模塊的數(shù)據(jù)自動將調(diào)平墊片及螺母放至對應(yīng)的位置。

多關(guān)節(jié)機(jī)器人端部安裝墊片夾持機(jī)構(gòu)，上料機(jī)械手將對應(yīng)的墊片安裝至墊片夾持機(jī)構(gòu)上。

墊片夾持機(jī)構(gòu)將墊片夾持固定到吊柱法蘭螺栓孔安裝處，伺服擰螺母機(jī)構(gòu)可將螺母與吊柱法蘭及化學(xué)錨栓安裝擰緊固定。

4 結(jié)論

本文對接觸網(wǎng)上部結(jié)構(gòu)智能化安裝設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體介紹，該設(shè)備主要應(yīng)用于高鐵隧道內(nèi)接觸網(wǎng)吊柱的安裝及斜率檢測，提高了吊柱安裝的質(zhì)量和效率。設(shè)備只需2～3人作業(yè)，每天安裝吊柱30～40根。

同時設(shè)計研發(fā)的多個關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到“提質(zhì)增效”的目的。

車輛無人駕駛，依靠視覺全站儀自動定位停車，多關(guān)節(jié)機(jī)器人自動抓取安裝吊柱，自動安裝墊片和伺服鎖緊螺母機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)了吊柱的全自動安裝，安裝后人工站在自動操作平臺上依靠雙傾角傳感器等設(shè)備對吊柱安裝斜率進(jìn)行復(fù)檢校驗確保吊柱安裝質(zhì)量。

接觸網(wǎng)上部結(jié)構(gòu)智能化安裝設(shè)備實現(xiàn)了接觸網(wǎng)吊柱的自動化和智能化安裝，安裝后的數(shù)據(jù)可以保存到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，用于吊柱后期的數(shù)據(jù)查詢和設(shè)備維護(hù)，優(yōu)化了傳統(tǒng)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)吊柱安裝的方式和工藝，實現(xiàn)了國內(nèi)外高鐵工程機(jī)械領(lǐng)域的重大突破。