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摘要：在高速鐵路的發(fā)展過程中，接觸網(wǎng)支柱組立一直是建設(shè)過程中一個(gè)基礎(chǔ)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文主要介紹基于視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的機(jī)械臂自動對位技術(shù)和重載機(jī)械臂多自由度控制等關(guān)鍵技術(shù)的接觸網(wǎng)支柱組立智能裝備，并在京雄高鐵雄安段對支柱組立裝備樣機(jī)進(jìn)行了測試，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)滿足技術(shù)設(shè)計(jì)要求，提高了接觸網(wǎng)支柱組立施工的安全和效率。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；接觸網(wǎng)；支柱組立；視覺引導(dǎo)；多自由度控制

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(jìn)一步拓展區(qū)域連接線。高速鐵路營業(yè)里程將達(dá)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(xiàng)目，為進(jìn)一步降低施工人員的體力勞動強(qiáng)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(shí)意義。該套裝備是基于現(xiàn)有一體化工藝數(shù)據(jù)信息、標(biāo)準(zhǔn)化工序、工人施工技能等一系列技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)可靠精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息智能化施工控制和管理，實(shí)現(xiàn)建筑企業(yè)接觸網(wǎng)工程的全面自動機(jī)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(jì)

支柱組立裝備主要由基礎(chǔ)平臺、機(jī)械臂、立桿機(jī)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(shí)對用戶的基礎(chǔ)施工情況進(jìn)行檢測和測量，并與用戶BIM管理系統(tǒng)進(jìn)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(jī)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(dá)基礎(chǔ)附近，通過視覺系統(tǒng)完成位置標(biāo)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(zhǔn)調(diào)整技術(shù)。智能測量底座由兩個(gè)基礎(chǔ)適配座、主機(jī)組成。其中主機(jī)用于搭載傳感器、人機(jī)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(jī)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(gè)金屬銷和兩個(gè)塑料導(dǎo)向塊與主機(jī)連接，按下主機(jī)兩邊的解鎖按鈕即可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)適配座的安裝。智能測量底座實(shí)時(shí)精準(zhǔn)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(dá)到驗(yàn)標(biāo)要求，縮短支柱整正作業(yè)時(shí)間，提高了施工一次性達(dá)標(biāo)率。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)待安裝支柱位置的坐標(biāo)采集、實(shí)時(shí)傳輸，為機(jī)車聯(lián)控提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。（2）基于視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的機(jī)械臂自動對位安裝技術(shù)。機(jī)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(jìn)行安裝。機(jī)器視覺引導(dǎo)系統(tǒng)采用雙工業(yè)相機(jī)作為引導(dǎo)，配合支柱組立裝備完成立桿的精準(zhǔn)對位，同時(shí)視覺引導(dǎo)系統(tǒng)具有測量工程，可對預(yù)安裝的底座進(jìn)行測量分析，檢查底座的施工狀態(tài)。將雙相機(jī)安裝在機(jī)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(jī)能夠看到立桿指定位置粘貼的靶標(biāo)點(diǎn)，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(biāo)定。支柱組立智能裝備基于高精度控制作業(yè)機(jī)械臂，搭載視覺引導(dǎo)系統(tǒng)以及自動化末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成支柱自動抓取及精準(zhǔn)對位，實(shí)現(xiàn)支柱組立自動化。（3）高精度重載機(jī)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(jī)械臂空間X、Y、Z三個(gè)方向和三個(gè)轉(zhuǎn)軸姿態(tài)的6個(gè)自由度精確調(diào)整，完成法蘭與基礎(chǔ)螺栓精準(zhǔn)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(hù)的設(shè)計(jì)，通過軟件流程空間作業(yè)限制、流程動作順序保護(hù)、平衡閥自鎖保護(hù)、電機(jī)制動自鎖保護(hù)、急停保護(hù)以及手動應(yīng)急裝置以實(shí)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(jìn)行套裝時(shí)，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(shí),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(jì)值，之后進(jìn)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(zhǔn)確確定停車位置。起吊作業(yè)：這個(gè)過程可自動完成或手動完成，自動完成時(shí)需將引導(dǎo)標(biāo)簽放置在支柱大致中心位置，立桿機(jī)械手在機(jī)器視覺的引導(dǎo)下抓緊支柱；手動完成時(shí)，操作人員目視立桿中心位置，進(jìn)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(biāo)、引導(dǎo)板：事先將靶標(biāo)放到指定位置，同時(shí)將視覺引導(dǎo)板置于基礎(chǔ)附近地面任意位置。自動精準(zhǔn)對位：在機(jī)械臂視覺引導(dǎo)系統(tǒng)檢測到靶標(biāo)后，移開靶標(biāo)、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(jìn)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(jìn)行下一個(gè)支柱組立過程。

2.4設(shè)備主要性能指標(biāo)

（1）軌道車司機(jī)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(shí)，設(shè)備總高度不大于4.2m；（3）機(jī)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(shí)時(shí)傳輸至走行牽引機(jī)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(hù)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(jī)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(gè)工作人員配合對位，在安全上存在很大隱患，在時(shí)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(jī)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(qiáng)度、提高作業(yè)的安全性和可靠性，本項(xiàng)目搭載視覺引導(dǎo)系統(tǒng)及自動化末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)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(gè)機(jī)器視覺相機(jī)，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(shí)時(shí)信息發(fā)送給機(jī)械臂；末端執(zhí)行機(jī)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(jī)械臂進(jìn)行精準(zhǔn)運(yùn)動控制，從而完成支柱與樁基礎(chǔ)的精準(zhǔn)對位安裝功能。

3.2高精度重載機(jī)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(jìn)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)安全可靠的支柱抓取流程。在重載條件下機(jī)械臂在三維空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)6+3自由度在可達(dá)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(jì)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(hù)、平衡閥自鎖保護(hù)、電機(jī)制動自鎖保護(hù)、急停保護(hù)、手動應(yīng)急裝置及遙控器急停保護(hù)等來實(shí)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(jī)進(jìn)行了測試,進(jìn)行了各項(xiàng)技術(shù)性能試驗(yàn)和驗(yàn)證，功能和性能滿足技術(shù)設(shè)計(jì)要求，詳見表1。經(jīng)過施工現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)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(fèi)30元/根（按照每臺班組立40根計(jì)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(qiáng)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(shí)具備操作安全簡單、調(diào)試方便及較好的可維護(hù)性。能夠?qū)崟r(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)對接。

作者:陳圣喜 單位:中國鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司