地鐵隧道打孔設(shè)備的研發(fā)分析

張睿航，王宏杰，賈玉周，李政

（中建安裝集團有限公司，江蘇 南京 210000）

1 技術(shù)背景

隨著我國城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵隧道占比越來越多，地鐵隧道牽引供電接觸網(wǎng)、側(cè)壁電纜、管道以及緊急疏散平臺等機電安裝需要在隧道壁上鉆大量的安裝孔，目前，仍主要采用人工劃線、作業(yè)平臺輔助人工手持鉆孔作業(yè)模式，存在以下不足：

（1）由于鉆孔數(shù)量較多，為滿足工期要求，不得不雇用大量技工，成本高；

（2）人工作業(yè)質(zhì)量，如鉆孔的位置、鉆孔方向準確性和一致性難以保證；

（3）部分安裝孔的位置較高，需要搭建臨時支架或移動式升降平臺，輔助作業(yè)時間長，降低了作業(yè)效率，且高空作業(yè)，存在安全隱患問題。

為節(jié)約成本、加快施工進度、提高施工質(zhì)量、保證施工安全，研發(fā)隧道鉆孔機械手，實現(xiàn)鉆孔作業(yè)全自動機械化施工，并建立BIM模型分析如圖1所示。

圖1 BIM建模分析圖

2 重難點分析

因鉆孔設(shè)備需通過載運車實現(xiàn)縱移，軌道與載運車之間的相對位置隨著載運車縱移不斷變化，軌道自身的空間位置也會因線路或安裝實際狀態(tài)表現(xiàn)為隨縱向位置的不同而不同，使孔位標記自動化的實現(xiàn)因測量基準的不確定性而具有挑戰(zhàn)性；鉆孔作業(yè)時的動反力、作業(yè)機構(gòu)運動控制過程中的動載荷會使作業(yè)機構(gòu)（彈性變形是不可忽視的）或者機體發(fā)生振動，影響機構(gòu)精準控制的平穩(wěn)性；機構(gòu)運動間的摩擦、間隙、黏滯等非線性因素的客觀存在，機構(gòu)運動控制本質(zhì)也是非線性控制系統(tǒng)，使得基于幾何計算的位置開環(huán)或者小閉環(huán)控制注定無法實現(xiàn)工程精度要求，而傳統(tǒng)閉環(huán)控制策略也往往會產(chǎn)生極限環(huán)振蕩，影響控制效果；基于孔位的大閉環(huán)控制需要，實時測量目標點與鉆頭實際位置之間的偏差，接觸式測量工程上無法實施，非接觸式精密測量系統(tǒng)對安裝條件、工作環(huán)境有很高要求，基于視頻圖像識別技術(shù)因涉及復(fù)雜算法如何保證速度和效率也是難題。綜上所述，歸結(jié)如下幾個主要技術(shù)難點，給出解決方案。

2.1 機構(gòu)選型及優(yōu)化

鉆機支撐平臺可采用空間并聯(lián)機構(gòu)，也可采用空間串聯(lián)機構(gòu)，并聯(lián)機構(gòu)有剛度大的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自重大、運動范圍??；本設(shè)備采用類似挖掘機的串聯(lián)機構(gòu)（串聯(lián)機械手），多臂并行鉆孔機械手，在具體結(jié)構(gòu)型式、動態(tài)性能等方面進行優(yōu)化分析。另外，傳動與控制元器件需選用精密器件，滿足鉆孔作業(yè)所需的平穩(wěn)、快速定位以及可靠鉆孔。

項目采用粗定位與精定位兩相結(jié)合的技術(shù)手段，粗定位通過電動軌道車縱移、底座調(diào)平、立柱伸縮保證立柱處于垂直位置及連接立柱與中間臂連接關(guān)節(jié)處于隧道斷面中心位置，通過中間臂的轉(zhuǎn)動與伸縮保證末端執(zhí)行器處于預(yù)定位置附近；精定位通過末端執(zhí)行器相對于中間臂的相對移動與擺動實現(xiàn)準確定位，具體實施時，通過軟件控制系統(tǒng)識別末端執(zhí)行器與預(yù)定位置的偏差，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)驅(qū)動末端執(zhí)行器移動和擺動，實現(xiàn)準確定位。

2.2 孔的目標位和鉆頭點位之間偏差的準確測量

通過測量與鉆桿平行的激光束光斑與目標之間的距離及方位，引導(dǎo)伺服控制系統(tǒng)控制末端執(zhí)行器準確定位。激光束光斑與目標之間的距離及方位精確測量需采用光學(xué)定位技術(shù)及其他輔助措施，利用快速算法對測量結(jié)果進行校準與修正。

2.3 智能控制策略的研究

該設(shè)備具有大慣性、強非線性系統(tǒng)，實現(xiàn)快速、精確控制具有較大難度，研究中重點為非線性補償技術(shù)，本設(shè)備采用非線性補償與智能控制相結(jié)合的方法，以滿足系統(tǒng)調(diào)整過程穩(wěn)、快、準，滿足工程要求。

2.4 機械手整機的穩(wěn)定性研究

本設(shè)備的電動軌道車運行于軌道之上，隧道斷面內(nèi)的支點(軌距)小，末端執(zhí)行器在洞壁位置，易導(dǎo)致整機傾覆，為了保證傾覆穩(wěn)定性，本設(shè)備產(chǎn)品的機械臂采用大直徑空心鋼管，在提高剛度的同時盡量減小質(zhì)量；通過簡單的足尺模型實驗測定滿足實際要求的驅(qū)動器功率與轉(zhuǎn)矩，合理確定驅(qū)動器參數(shù)，盡量減小驅(qū)動器質(zhì)量；通過電動軌道車上增加適當配重增加穩(wěn)定性；另外，設(shè)置抓軌裝置提高抗傾覆性能。

3 設(shè)備原理與設(shè)計參數(shù)

3.1 主要技術(shù)

隧道軌行式全向內(nèi)壁鉆孔機器人將載運平板車、電源系統(tǒng)以及打孔機械臂有效統(tǒng)一控制，實現(xiàn)各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，采用PLC自動化控制技術(shù)，通過程序設(shè)定，用以控制不同的子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，以達到準確走位、準確找點、準確鉆孔的要求。同時，本系統(tǒng)還采用了程序預(yù)植技術(shù)，在遇到不同孔徑、不同高度、不同距離的安裝孔以及不同形狀的隧道時，通過改變預(yù)植程序內(nèi)的某一項或者幾項參數(shù)，用以改變鉆孔機器人的程序化工作，以滿足不同專業(yè)不同打孔需求。

3.2 設(shè)備指標

本設(shè)備采用市面常見汽油發(fā)電機供電，為整個設(shè)備運行提供源源不斷的電源；鉆孔設(shè)備滿足最大孔徑30mm扭矩要求；采用無線控制及操作臺控制，既可以無線操作也可以通過操作臺控制設(shè)備運行；兩孔最小孔距300mm，最大孔距850mm；兩電錘鉆頭中心距設(shè)計時需滿足280～900mm可調(diào)；軌道中心到施工面可達距離滿足最小1700mm，軌道面至頂部可達最大距離6500mm；打孔時如果打在鋼筋上，提供兩種選擇：退出/直接打斷；電錘調(diào)節(jié)角度按照45°的調(diào)節(jié)范圍；液壓站及發(fā)電機的布局可沉入平板車平臺下方，以最大限度的騰出折臂的旋轉(zhuǎn)空間，距軌道面距離≥200mm；兩個電錘單獨控制，以滿足一排有三個孔的施工；發(fā)電機加裝尾氣排放過濾器及噪音減弱裝置。

4 經(jīng)濟效益分析

打孔效率與人工相比提升約6～10倍,一條約20km長的地鐵線各種安裝孔約有620000個,使用該設(shè)備可以節(jié)約人工約1800個,為施工單位節(jié)約人工成本約25萬元；施工中縮短工期30天，壓縮城市軌道交通站后機電施工時間，對整體地鐵建設(shè)過程產(chǎn)生的經(jīng)濟效益不可估量，設(shè)備組裝及現(xiàn)場實際應(yīng)用如圖2所示。

圖2 設(shè)備組裝及現(xiàn)場施工圖

5 結(jié)語

本文提出了一種地鐵隧道打孔的新型設(shè)備，考慮了鉆孔作業(yè)時的動反力、作業(yè)機構(gòu)運動控制過程中的動載荷、機體發(fā)生的振動；機構(gòu)運動間的摩擦、間隙、黏滯等非線性因素的客觀存在，具有粗定位與精定位兩相結(jié)合的技術(shù)手段，閉環(huán)控制系統(tǒng)驅(qū)動末端執(zhí)行器移動和擺動，實現(xiàn)準確定位。

智能化設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用是目前中國發(fā)展的大趨勢。研發(fā)機械自動化、施工智能化等新型設(shè)備，應(yīng)以本單位面臨的主要問題及具體條件為導(dǎo)向，做到研究有目的，成果可推廣。