高速鐵路接觸網(wǎng)支柱組立智能裝備研究

陳圣喜

（中國鐵建電氣化局集團有限公司，北京 100043）

1 研究背景

“十四五”期間國家將貫通哈爾濱至北京至香港（澳門）、連云港至烏魯木齊、上海至昆明、廣州至昆明高速鐵路通道，進一步拓展區(qū)域連接線。高速鐵路營業(yè)里程將達到3萬公里，覆蓋80%以上的大城市。

針對大規(guī)模的高速鐵路建設(shè)項目，為進一步降低施工人員的體力勞動強度，提高施工效率、施工質(zhì)量，提升高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠性，研發(fā)高鐵接觸網(wǎng)支柱組立智能裝備具有十分重要的現(xiàn)實意義。該套裝備是基于現(xiàn)有一體化工藝數(shù)據(jù)信息、標準化工序、工人施工技能等一系列技術(shù)要求，實現(xiàn)可靠精準的數(shù)據(jù)信息智能化施工控制和管理，實現(xiàn)建筑企業(yè)接觸網(wǎng)工程的全面自動機械化，打造智能高鐵建設(shè)。

2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

2.1 總體設(shè)計

支柱組立裝備主要由基礎(chǔ)平臺、機械臂、立桿機械手、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、管路系統(tǒng)等部分組成。支柱組立裝備完成立桿半自動安裝功能，在安裝環(huán)節(jié)采用自動形式，在中間移位采用半自動形式，降低對工人技術(shù)水平要求，提高現(xiàn)場使用效率。在立桿安裝過程中同時對用戶的基礎(chǔ)施工情況進行檢測和測量，并與用戶BIM管理系統(tǒng)進行對接，共享安裝過程數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)信息。

2.2 工作原理及關(guān)建技術(shù)

該裝備的工作原理是采用雙相機視覺系統(tǒng)作為引導(dǎo)，在支柱基礎(chǔ)適當(dāng)位置安置引導(dǎo)靶板，待支柱到達基礎(chǔ)附近，通過視覺系統(tǒng)完成位置標定后，自動完成支柱與地腳螺栓的位置對接，作業(yè)人員完成支柱固定。

（1）基于智能測量底座的支柱斜率精準調(diào)整技術(shù)。智能測量底座由兩個基礎(chǔ)適配座、主機組成。其中主機用于搭載傳感器、人機交互與數(shù)據(jù)處理，是智能測量底座的核心,由密封蓋、主機底座、傳感器、顯控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成?；A(chǔ)適配座用于和立桿基礎(chǔ)螺栓孔配合，根據(jù)基礎(chǔ)的不同，可更換不同的基礎(chǔ)適配座與之適應(yīng)，有三種基礎(chǔ)適配座可以選擇?；A(chǔ)適配座通過兩個金屬銷和兩個塑料導(dǎo)向塊與主機連接，按下主機兩邊的解鎖按鈕即可實現(xiàn)基礎(chǔ)適配座的安裝。

智能測量底座實時精準檢測、顯示支柱預(yù)裝傾斜率，通過調(diào)整打底螺母，使支柱垂直線路、順線路傾斜率達到驗標要求，縮短支柱整正作業(yè)時間，提高了施工一次性達標率。同時可實現(xiàn)待安裝支柱位置的坐標采集、實時傳輸，為機車聯(lián)控提供精準數(shù)據(jù)。

（2）基于視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的機械臂自動對位安裝技術(shù)。機器視覺引導(dǎo)系統(tǒng)是支柱組立裝備的導(dǎo)引與眼睛，在工作過程中引導(dǎo)作業(yè)車找到合適的安裝工位進行安裝。機器視覺引導(dǎo)系統(tǒng)采用雙工業(yè)相機作為引導(dǎo)，配合支柱組立裝備完成立桿的精準對位，同時視覺引導(dǎo)系統(tǒng)具有測量工程，可對預(yù)安裝的底座進行測量分析，檢查底座的施工狀態(tài)。

將雙相機安裝在機械手法蘭盤處，該位置一方面在抓取立桿過程中要保證雙相機能夠看到立桿指定位置粘貼的靶標點，另一方面要保證在將抓取的立桿精確安置到預(yù)埋螺栓過程中能看到地面引導(dǎo)板，并能完成預(yù)埋螺栓及立桿法蘭孔的位姿標定。支柱組立智能裝備基于高精度控制作業(yè)機械臂，搭載視覺引導(dǎo)系統(tǒng)以及自動化末端執(zhí)行機構(gòu)，完成支柱自動抓取及精準對位，實現(xiàn)支柱組立自動化。

（3）高精度重載機械臂多自由度控制技術(shù)。支柱組立裝備在重載條件下通過機械臂空間X、Y、Z三個方向和三個轉(zhuǎn)軸姿態(tài)的6個自由度精確調(diào)整，完成法蘭與基礎(chǔ)螺栓精準對位，偏差±3mm。

（4）多重安全措施保障技術(shù)。整體設(shè)備充分考慮安全保護的設(shè)計，通過軟件流程空間作業(yè)限制、流程動作順序保護、平衡閥自鎖保護、電機制動自鎖保護、急停保護以及手動應(yīng)急裝置以實現(xiàn)設(shè)備全過程的安全工作。

2.3 設(shè)備操作流程

基礎(chǔ)檢測：當(dāng)智能測量底座可以在預(yù)埋基礎(chǔ)的外露螺栓進行套裝時，把智能測量底座放置在預(yù)埋基礎(chǔ)上安裝到位，開始測量預(yù)埋基礎(chǔ)的偏差。當(dāng)測量數(shù)據(jù)滿足施工要求時,判定預(yù)埋基礎(chǔ)合格,然后調(diào)整打底螺母將支柱的傾斜率調(diào)整到設(shè)計值，之后進入下一道工序。

停車引導(dǎo)：根據(jù)智能底座傳輸?shù)闹е恢眯畔⒑托熊嚤倍沸畔?，通過停車引導(dǎo)屏準確確定停車位置。

起吊作業(yè)：這個過程可自動完成或手動完成，自動完成時需將引導(dǎo)標簽放置在支柱大致中心位置，立桿機械手在機器視覺的引導(dǎo)下抓緊支柱；手動完成時，操作人員目視立桿中心位置，進行手動抓取，抓取支柱后移動至預(yù)安裝測量位置。

放置靶標、引導(dǎo)板：事先將靶標放到指定位置，同時將視覺引導(dǎo)板置于基礎(chǔ)附近地面任意位置。

自動精準對位：在機械臂視覺引導(dǎo)系統(tǒng)檢測到靶標后，移開靶標、視覺引導(dǎo)板，通過視覺引導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)，自動完成立桿對位安裝。

緊固螺母、自動復(fù)位：待支柱安裝到位后，操作人員進行支柱螺母緊固工作，待螺栓緊固后，撤走立桿抓手，完成支柱組立，進行下一個支柱組立過程。

2.4 設(shè)備主要性能指標

（1）軌道車司機可接收到支柱基礎(chǔ)位置信息，確保停車位置誤差不超過±1000mm；（2）走行或非工作時，設(shè)備總高度不大于4.2m；（3）機械臂的工作范圍按線路中心分為半幅左180°、半幅右180°和全幅360°工作；（4）作業(yè)半徑:≥6m；（5）測量支柱傾斜率誤差控制在1‰；（6）支柱安裝過程中，視頻監(jiān)控系統(tǒng)能滿足視頻實時傳輸至走行牽引機車駕駛室內(nèi)并顯示；（7）能夠與用戶BIM管理系統(tǒng)可靠對接；（8）抓取最大重量：2t；（9）滿足室外-10～45℃施工條件，具有防雨雪、冰凍、防塵等多重安全防護功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)解決的問題

3.1 基于視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的機械臂自動對位技術(shù)

傳統(tǒng)支柱組立裝配需要吊車吊裝和多個工作人員配合對位，在安全上存在很大隱患，在時間上完全取決與工作人員的配合度；而支柱組立裝備主要依靠機械臂，手動對位對操作人員帶來極大挑戰(zhàn)，為了減少工作人員勞動強度、提高作業(yè)的安全性和可靠性，本項目搭載視覺引導(dǎo)系統(tǒng)及自動化末端執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)支柱組立的自動化。其中，視覺引導(dǎo)系統(tǒng)模擬人類眼睛，配備兩個機器視覺相機，將法蘭、螺柱在空間的幾何關(guān)系映射在引導(dǎo)板上，然后根據(jù)引導(dǎo)板反饋的實時信息發(fā)送給機械臂；末端執(zhí)行機構(gòu)通過各種傳感器（角度傳感器、拉線傳感器等）和視覺數(shù)據(jù)信息對機械臂進行精準運動控制，從而完成支柱與樁基礎(chǔ)的精準對位安裝功能。

3.2 高精度重載機械臂多自由度控制

支柱組立裝備需要對不同類型支柱組立進行抓取和姿態(tài)調(diào)整與對位，完成支柱法蘭與水泥基礎(chǔ)的精準對位，最大的支柱重量為2t，對位偏差為±3mm。對不同類型的H型支柱在夾爪上設(shè)置不同卡槽，保證其在合適的卡槽位置卡緊，實現(xiàn)安全可靠的支柱抓取流程。在重載條件下機械臂在三維空間范圍內(nèi)實現(xiàn)6+3自由度在可達范圍內(nèi)的任意姿態(tài)調(diào)整。

3.3 多重安全措施，保障設(shè)備安全工作

整體設(shè)計充分考慮設(shè)備的安全可靠性，通過軟件流程空間作業(yè)限位、流程動作順序保護、平衡閥自鎖保護、電機制動自鎖保護、急停保護、手動應(yīng)急裝置及遙控器急停保護等來實現(xiàn)設(shè)備作業(yè)全過程的安全性。

4 測試與應(yīng)用

根通過在京雄高鐵雄安段對支柱組立裝備樣機進行了測試,進行了各項技術(shù)性能試驗和驗證，功能和性能滿足技術(shù)設(shè)計要求，詳見表1。

表1 整機性能檢驗結(jié)果

經(jīng)過施工現(xiàn)場應(yīng)用驗證，接觸網(wǎng)支柱組立施工效率大大提高，傳統(tǒng)施工采用立桿吊，需6人，5分鐘/根；智能裝備僅需2人，5分鐘/根，效率等同；作業(yè)過程中不需要人工扶支柱及輔助對位，安全性優(yōu)于傳統(tǒng)施工。施工效益可節(jié)約人工費30元/根（按照每臺班組立40根計算）。

5 結(jié)語

高鐵接觸網(wǎng)支柱組立智能裝備，能夠適應(yīng)高鐵接觸網(wǎng)的現(xiàn)場施工作業(yè)環(huán)境，能快速、精確對位，減小施工人員作業(yè)內(nèi)容和作業(yè)強度，代替現(xiàn)有吊車對H型支柱的吊裝、施工人員手動對位的施工作業(yè)流程，同時具備操作安全簡單、調(diào)試方便及較好的可維護性。能夠?qū)崟r采集安裝過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)并存儲記錄，從而與用戶BIM管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接。