高鐵智能化接觸網(wǎng)腕臂柔性預(yù)配平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用研究

劉海斌，朱興華，包劍波

（常州數(shù)控技術(shù)研究所，江蘇 常州 213164）

隨著我國高速鐵路的迅速發(fā)展，優(yōu)秀工程項(xiàng)目碩果累累，四電工程的施工規(guī)范、工藝標(biāo)準(zhǔn)和裝備配套等也達(dá)到了前所未有的高度，高鐵建造配套智能裝備的設(shè)計(jì)開發(fā)也不斷取得創(chuàng)新成果。常州數(shù)控技術(shù)研究所發(fā)揮其在數(shù)控技術(shù)和自動(dòng)化發(fā)面的技術(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)學(xué)研合作模式優(yōu)勢，聯(lián)合中鐵建電氣化局集團(tuán)軌道交通器材有限公司，于2021年成功開發(fā)融合了可以生產(chǎn)鋁腕臂、鋼腕臂和簡統(tǒng)化腕臂的高鐵智能化接觸網(wǎng)腕臂柔性預(yù)配平臺(tái)，于2022年在新福廈高鐵項(xiàng)目莆田和漳州料庫投入應(yīng)用。

本文將從施工現(xiàn)狀和腕臂零件類型、柔性預(yù)配平臺(tái)設(shè)計(jì)（以鋁腕臂為例）與開發(fā)和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用效果3個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1 施工現(xiàn)狀和腕臂零件類型

當(dāng)前高鐵接觸網(wǎng)腕臂施工建造過程，依然存在人工預(yù)配和機(jī)器預(yù)配并存的局面。

人工預(yù)配，在一定程度依賴技術(shù)工人和管理人員的能力和水平。如圖1所示，腕臂切割采用手動(dòng)切管機(jī)、打孔采用手動(dòng)臺(tái)鉆、劃線采用卷尺和記號(hào)筆、預(yù)配采用投線儀和扭矩扳手，工藝水平還是受到工器具和傳統(tǒng)半自動(dòng)設(shè)備的約束。人工預(yù)配的優(yōu)勢僅僅在于項(xiàng)目緊張大干時(shí)候，多上幾個(gè)小組保證進(jìn)度，但是人工預(yù)配的局限性越來越多越嚴(yán)重。

圖1 人工預(yù)配腕臂工藝流程

機(jī)器預(yù)配，主要還是配套半自動(dòng)或者自動(dòng)化水平偏低的腕臂預(yù)配設(shè)備。要么是簡易的切割打孔人工上料的輔助平臺(tái)，要么是基于數(shù)控系統(tǒng)或者小型PLC的自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化上下料和緊固，但是工藝單一，穩(wěn)定性較差，無法適應(yīng)大批量生產(chǎn)。國內(nèi)多個(gè)施工單位很早就開始不斷摸索，但是很難集成所有功能，難以適應(yīng)多個(gè)廠家多種類型腕臂零件，無法滿足大批量生產(chǎn)。

根據(jù)鐵標(biāo)《TB/T 2075-2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》和《TB/T 2075-2020電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》，結(jié)合近5年開通鐵路所使用的接觸網(wǎng)腕臂零部件，總結(jié)出目前并存的四種接觸網(wǎng)腕臂零件類型，主要分為350Km/h鋁腕臂、250Km/h鋼腕臂、350Km/h簡統(tǒng)化鋁腕臂和250Km/h簡統(tǒng)化鋼腕臂四種。如表1所示，以中鐵建電氣化局集團(tuán)軌道交通器材有限公司生產(chǎn)的350Km/h鋁腕臂零件為例。

表1 350Km/h鋁腕臂零件

2 柔性預(yù)配平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

本文以350Km/h鋁合金腕臂為例，從腕臂柔性預(yù)配平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、預(yù)配工藝流程設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)3個(gè)方面重點(diǎn)介紹。如果需要更換腕臂類型，如從鋁腕臂更換為簡統(tǒng)化鋁腕臂，只需要更換交換料倉和裝配工裝即可，因?yàn)檫@些零件的設(shè)計(jì)是根據(jù)腕臂零件的外形進(jìn)行定位。

2.1 腕臂柔性預(yù)配平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，腕臂柔性平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)分為管子上料區(qū)、一段加工區(qū)、二段預(yù)配區(qū)、三段預(yù)配區(qū)、成品碼垛轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)五大部分，全長近50m。平臺(tái)分區(qū)設(shè)計(jì)和功能分段，將上料、加工和預(yù)配和下料區(qū)分開來，模塊化設(shè)計(jì)便于設(shè)備運(yùn)輸安裝調(diào)試，便于車間設(shè)備布局和車間分區(qū)管理。分區(qū)設(shè)計(jì)，可以將生產(chǎn)流程分解，流水線作業(yè)，將工序的時(shí)間并聯(lián)疊加，縮短成品下線的效率。

圖2 腕臂柔性預(yù)配平臺(tái)

管子上料區(qū)，主要由4臺(tái)上料輸送機(jī)和桁架機(jī)械手組成。如果生產(chǎn)鋼腕臂或者簡統(tǒng)化腕臂，可以根據(jù)不同來料長度的腕臂管進(jìn)行間隔布置，大大提升了腕臂管上料靈活性。如果生產(chǎn)是12m來料長度的腕臂管，可以根據(jù)圖3所示布置。4臺(tái)上料輸送機(jī)同步運(yùn)行，步進(jìn)送料，通過桁架機(jī)械手單根喂料。

一段加工區(qū)，主要將腕臂管的鉆孔、鋸切、噴碼等加工工藝全部集中，還包括任意長度腕臂管測長，旋轉(zhuǎn)定位單耳連接板和銷孔，修磨管頭等功能。此段夾緊定位需要采用液壓系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)，也創(chuàng)新采用伺服液壓站，響應(yīng)極快，節(jié)能環(huán)保。鉆孔、鋸切和修磨產(chǎn)生的鋁屑在加工區(qū)處理和收集，鋸切下來的管頭廢料也可以快速處理。由于此處的加工環(huán)節(jié)具有一定的操作風(fēng)險(xiǎn)，增加了機(jī)械防護(hù)和安全程序，確保人員和生產(chǎn)安全。

二段預(yù)配區(qū)，設(shè)置2個(gè)裝配工位，主要以一個(gè)六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人為工作中心，進(jìn)行零件上料和緊固螺絲工作。此處的料倉上料模具和裝配工位裝配模具，可以根據(jù)腕臂類型不同，更換模具。

三段預(yù)配區(qū)，設(shè)置3個(gè)裝配工位，工作內(nèi)容與二段預(yù)配區(qū)類似。

成品碼垛轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)，主要是通過六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人將預(yù)配完成的腕臂管取下，碼放到成品托盤上。AGV小車自動(dòng)將碼垛完成的成品托盤運(yùn)輸?shù)较乱粋€(gè)生產(chǎn)工位。

腕臂柔性平臺(tái)可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，選擇3種生產(chǎn)模式。第一種扭矩生產(chǎn)模式，全自動(dòng)生產(chǎn)完成所有既定設(shè)計(jì)的工藝流程，螺栓扭矩緊固到位，下料即成品，此模式每根生產(chǎn)效率為3～5min。第二種快速生產(chǎn)模式，全自動(dòng)生產(chǎn)完成所有既定設(shè)計(jì)的工藝流程，螺栓扭矩不需要緊固到位，便于現(xiàn)場安裝調(diào)整，此模式每根生產(chǎn)效率為2～4min，在任務(wù)進(jìn)度較為緊張時(shí)選擇使用。第三種半成品模式，管子上料區(qū)和一段加工區(qū)加工完成后的腕臂管，被一號(hào)六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人取下放置到半成品料架，可由人工安裝零件，此模式每根生產(chǎn)效率2min，在任務(wù)進(jìn)度最為緊張或者設(shè)備故障檢修時(shí)選擇使用。3種生產(chǎn)模式，滿足了不同項(xiàng)目不同時(shí)期的使用要求，深受操作人員的喜愛。

2.2 預(yù)配工藝流程設(shè)計(jì)

由于高鐵線路設(shè)計(jì)時(shí)考慮到回避穿山和特殊地段，基本都是彎曲的，即由若干個(gè)不同曲線半徑的線路組成。接觸網(wǎng)的承力索和接觸線隨著鐵軌的彎曲而彎曲，這就會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)院最終測算出來的腕臂預(yù)配數(shù)據(jù)每一根都互不相同。腕臂預(yù)配數(shù)據(jù)互不相同，主要體現(xiàn)在腕臂類型和安裝尺寸。腕臂類型主要是，考慮到正反定位、隧道內(nèi)外、定位管支撐型式、車站、隧道、錨段關(guān)節(jié)等等特殊形式，腕臂預(yù)配平臺(tái)需要考慮腕臂零件的類型和數(shù)量。安裝尺寸主要是，從預(yù)配數(shù)據(jù)表格中的安裝尺寸和安裝角度，腕臂預(yù)配平臺(tái)需要考慮是否干涉能否安裝到位、零件裝配順序、安裝角度和尺寸精度等。

腕臂柔性預(yù)配工藝流程基本相同，控制系統(tǒng)的上位軟件再根據(jù)預(yù)配數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際調(diào)整。如圖3所示，可以在上位界面上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，上位軟件最終會(huì)針對(duì)每一個(gè)腕臂的類型和尺寸數(shù)據(jù)生成一個(gè)最終的生產(chǎn)工藝流程。

圖3 上位軟件裝配參數(shù)設(shè)置

2.3 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

如圖4所示，腕臂柔性預(yù)配控制系統(tǒng)平臺(tái)硬件架構(gòu)。上位工控機(jī)主要選在研華IPC系列工控機(jī)，安裝有自主開發(fā)的上位軟件和搭建的數(shù)據(jù)庫。PLC控制器主要為安川MP3000系列，配套安川Σ7系列伺服驅(qū)動(dòng)器。與PLC通過交換機(jī)通訊的設(shè)備有LINX8900系列小字符噴碼機(jī)，ABB6700系列六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人和國內(nèi)知名品牌地牛式AGV小車。

圖4 腕臂柔性預(yù)配平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

控制系統(tǒng)以上位軟件為核心，腕臂預(yù)配所有功能均可以在軟件界面選擇，生產(chǎn)運(yùn)行在軟件界面操作，如圖5所示。上位系統(tǒng)是基于 Visual Studio 2015C#編程實(shí)現(xiàn)Window應(yīng)用軟件，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2014。在C#中使用 YcsMPScope.dll實(shí)現(xiàn)MP Scope的連接，從而與MP3300控制器之間的通信和數(shù)據(jù)的讀取。

圖5 上位軟件界面主頁

上位軟件還具有的功能主要有腕臂預(yù)配數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出，腕臂預(yù)配工藝和參數(shù)設(shè)置、腕臂預(yù)配工藝流程生成與下發(fā)、腕臂預(yù)配信息的存儲(chǔ)與上傳、AGV系統(tǒng)的調(diào)度。

3 現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用效果

如圖6所示，2022年3～12月，高鐵智能化接觸網(wǎng)腕臂柔性預(yù)配平臺(tái)第一臺(tái)在新福廈高鐵一分部莆田料庫生產(chǎn)運(yùn)行，172公里632個(gè)錨段10632套腕臂預(yù)配基本完成。2022年5月起，高鐵智能化接觸網(wǎng)腕臂柔性預(yù)配平臺(tái)第二臺(tái)在新福廈高鐵二分部漳州料庫生產(chǎn)運(yùn)行，目前已經(jīng)完成一半預(yù)配任務(wù)。目前2臺(tái)平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)良好，全自動(dòng)預(yù)配鋁腕臂，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)和使用要求。設(shè)備生產(chǎn)效率高，預(yù)配精度和一致性較高，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、減少人工數(shù)量降低人工成本，其智能化和自動(dòng)化水平，符合“智能建造精品工程”的建設(shè)理念。

圖6 新福廈高鐵莆田料庫腕臂柔性預(yù)配平臺(tái)現(xiàn)場照片

腕臂柔性預(yù)配平臺(tái)不足和未來的發(fā)展方向：

（1）提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提升設(shè)備故障診斷水平和自我處理故障能力，兼顧更多的特殊數(shù)據(jù)生產(chǎn)能力。

（2）設(shè)備布局更加模塊化，便于運(yùn)輸，便于安裝調(diào)試，縮短腕臂生產(chǎn)類型的切換周期，縮短安裝調(diào)試時(shí)間，以便快速恢復(fù)生產(chǎn)，增強(qiáng)靈活性和機(jī)動(dòng)性。

（3）擴(kuò)展和優(yōu)化數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和追溯；預(yù)留更多數(shù)據(jù)通訊接口，可以對(duì)接工廠ERP和MES系統(tǒng)，對(duì)接BIM和智慧工地等平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)預(yù)配大數(shù)據(jù)的獲取融合及協(xié)同共享。

（4）測試平臺(tái)在高低氣壓、高低溫度和潮濕等復(fù)雜氣候條件下的工作穩(wěn)定性，以適應(yīng)不同地區(qū)不同維度和不同國家的鐵路項(xiàng)目現(xiàn)場的要求。