接觸網(wǎng)上部結(jié)構(gòu)智能化安裝設(shè)備設(shè)計(jì)

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(dòng)力設(shè)備，其隧道內(nèi)移動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)車輛自行走定位，機(jī)械手自動(dòng)抓取安裝吊柱，實(shí)現(xiàn)機(jī)器代替人工操作，通過數(shù)字智能控制器動(dòng)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(diǎn)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(dòng)安裝及檢測。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)行走定位，吊柱和螺母墊片的自動(dòng)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(dòng)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(dòng)操作平臺(tái)、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(dòng)安裝墊片螺母模塊、上料機(jī)械手、螺母墊片儲(chǔ)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(diǎn)

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(jì)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(dòng)安裝，該設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)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(dòng)操作平臺(tái)和自動(dòng)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(dòng)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(tái)，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(jì)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(shí)現(xiàn)了經(jīng)緯儀激光點(diǎn)自動(dòng)引導(dǎo)的策略[10]。

本文開發(fā)了一套行走車輛采用電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)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€(gè)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(shí)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(dòng)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(shí)在CPⅡ樁、CPⅢ樁、吊柱上安裝射頻卡(RFID)[11]，將各個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)及裝配精度等數(shù)據(jù)信息寫入對應(yīng)各個(gè)射頻卡中，采用無線射頻識(shí)別系統(tǒng)可讀取各個(gè)射頻卡信息通過上位機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)隧道空間內(nèi)接觸網(wǎng)吊柱大尺度轉(zhuǎn)運(yùn)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(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，按照設(shè)定抓取位和目標(biāo)位自動(dòng)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(gè)關(guān)節(jié)，可分為上下兩個(gè)部分，上部為6關(guān)節(jié)機(jī)器人，下部為4個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)器人可實(shí)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(dòng)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(shí)要保持水平，其4個(gè)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(dòng)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(gè)點(diǎn)的化學(xué)錨栓位置及錨栓尾部與隧道壁的距離，自動(dòng)計(jì)算出吊柱法蘭上4個(gè)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(dòng)操作平臺(tái)

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(dòng)平臺(tái)[13]。因此操作平臺(tái)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(gè)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(dòng)操作平臺(tái)，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(yàn)，以及后期接觸網(wǎng)上部結(jié)構(gòu)的維護(hù)作業(yè)。自動(dòng)操作平臺(tái)工作載荷為200 kg。

自動(dòng)操作平臺(tái)可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，平臺(tái)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(dú)立作業(yè)。自動(dòng)操作平臺(tái)如圖7所示。

圖7 自動(dòng)操作平臺(tái)

3.5 自動(dòng)安裝墊片螺母模塊

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

圖8 自動(dòng)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(dòng)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(shí)設(shè)計(jì)研發(fā)的多個(gè)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(dòng)定位停車，多關(guān)節(jié)機(jī)器人自動(dòng)抓取安裝吊柱，自動(dòng)安裝墊片和伺服鎖緊螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了吊柱的全自動(dòng)安裝，安裝后人工站在自動(dòng)操作平臺(tái)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(yàn)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(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)吊柱的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了國內(nèi)外高鐵工程機(jī)械領(lǐng)域的重大突破。