李洲洋，祁瑞帥，劉海飛

（1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072；2.中國移動通信集團(tuán)陜西有限公司，西安 710077）

0 引言

目前通信線纜架空作業(yè)主要依靠人工作業(yè)，需要登桿至高空架設(shè)通信線纜，存在危險高、作業(yè)條件差、效率低、成本高等多種問題。為解決高空作業(yè)難題，實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)，日本、美國、加拿大等相繼研制了OPGW移動巡檢機(jī)器人[1]、TRC懸臂機(jī)器人[2]、Serge巡線機(jī)器人[3]等高空作業(yè)裝置；國內(nèi)肖功平等人研制了架空高壓線路巡檢小車[4～8]，劉曉明等人研制了架空高壓線路除冰機(jī)器人[9～13]等高空作業(yè)裝置。該類裝置可以實(shí)現(xiàn)沿高壓線路的自動巡檢、越障、除冰等功能，但無法應(yīng)用于通信線纜架空作業(yè)過程。

目前，國內(nèi)尚無針對通信線纜架空作業(yè)裝置的研究，通信線纜架空還是依賴人工作業(yè)。隨著信息科技和通信需求的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式已經(jīng)難以滿足快速增長的通信線纜架空需求。因此，本文針對通信線纜自動架空技術(shù)進(jìn)行研究，研制能夠?qū)崿F(xiàn)線纜自動架空的裝置，實(shí)現(xiàn)自動化通信線纜架空作業(yè)，避免人工作業(yè)所帶來的高空作業(yè)風(fēng)險，改善作業(yè)條件，提高施工效率，滿足快速發(fā)展的通信需求。

1 裝置總體方案設(shè)計(jì)

1.1 裝置功能需求

目前，通信線纜是通過人工架設(shè)，采用圖1所示的V型線纜掛鉤將通信線纜懸掛于鋼絞線上，作業(yè)過程包括裝鉤和前行兩個環(huán)節(jié)。裝鉤過程分為“持鉤納入線纜→扭轉(zhuǎn)懸掛掛鉤左側(cè)鉤→反向扭轉(zhuǎn)懸掛掛鉤右側(cè)鉤”3個步驟，完成當(dāng)前掛鉤安裝，如圖1所示。完成當(dāng)前掛鉤安裝后，工人沿鋼絞線向前滑行一定距離，安裝下一個掛鉤。

圖1 傳統(tǒng)人工作業(yè)裝鉤過程

傳統(tǒng)線纜掛鉤專為手工安裝設(shè)計(jì)，無法適應(yīng)自動作業(yè)需求。為實(shí)現(xiàn)自動化掛鉤安裝，將傳統(tǒng)V型掛鉤改為雙向?qū)浇Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。相比傳統(tǒng)掛鉤，新型掛鉤安裝時不需要扭轉(zhuǎn)，且左右兩側(cè)為雙股彈簧，便于自動化操作。采用新掛鉤時，裝鉤過程可分為“掛鉤左右拉開→掛鉤上移→掛鉤左右閉合→掛鉤下移”等4步，即可完成掛鉤的安裝。

圖2 采用新型掛鉤時的裝鉤過程

參考人工作業(yè)過程，采用改進(jìn)的新型掛鉤，為實(shí)現(xiàn)通信線纜自動架空功能，線纜自動架空裝置必須要能夠?qū)崿F(xiàn)自動喂鉤、自動裝鉤及沿鋼絞線自動前行等基本功能。

1.2 裝置的總體方案

線纜自動架空裝置可分為機(jī)械模塊和控制模塊。機(jī)械模塊是裝置最重要的主體部分，裝置各個動作的執(zhí)行、各個功能的實(shí)現(xiàn)都需要借助機(jī)械模塊相互配合來完成，包括自動喂鉤模塊、掛鉤張拉模塊、掛鉤升降模塊、行走模塊四個基本模塊；控制模塊包括控制系統(tǒng)硬件和軟件兩部分。硬件部分是裝置作業(yè)的動力源，包括驅(qū)動裝置所必需的主控制器、電機(jī)驅(qū)動模塊、直流/步進(jìn)電機(jī)、無線通信模塊、運(yùn)動檢測模塊以及電源供給模塊等，軟件部分控制著各個機(jī)構(gòu)所有動作的產(chǎn)生與功能的實(shí)現(xiàn)，包括裝鉤程序、行走程序、無線通信程序、串口通信程序等。線纜自動架空裝置的系統(tǒng)總體方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體方案

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)通信線纜自動架空功能，對裝置的自動喂鉤模塊、掛鉤張拉模塊、掛鉤升降模塊、行走模塊等4個基本機(jī)械模塊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

2.1 自動喂鉤模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用同步帶機(jī)構(gòu)作為掛鉤傳送裝置，實(shí)現(xiàn)自動喂鉤功能，如圖4所示。線纜掛鉤安放在同步帶上的掛鉤座內(nèi)。工作時，電機(jī)驅(qū)動帶輪和同步帶運(yùn)動，將裝載在掛鉤座內(nèi)的線纜掛鉤向前傳送。當(dāng)掛鉤到達(dá)工作位置時，系統(tǒng)自動停止，從而實(shí)現(xiàn)自動喂鉤功能。

2.2 掛鉤張拉模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

掛鉤張拉模塊由電機(jī)絲杠滑臺和剪刀夾持機(jī)構(gòu)組成，如圖5所示。剪刀夾持機(jī)構(gòu)由剪刀臂、連桿、螺母和絲杠電機(jī)組成。電機(jī)運(yùn)動可帶動螺母沿絲杠軸線運(yùn)動，從而驅(qū)動剪刀夾持機(jī)構(gòu)張開、閉合。兩套剪刀夾持機(jī)構(gòu)分別固連在掛鉤兩側(cè)的滑臺上。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動滑臺運(yùn)動時，可以實(shí)現(xiàn)掛鉤兩側(cè)剪刀機(jī)構(gòu)的相對收攏和拉開。

圖4 自動喂鉤模塊

圖5 掛鉤張拉模塊

2.3 升降模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降模塊采用絲杠-螺母作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)，如圖6所示。在電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動螺母及連接架沿絲杠軸線上下運(yùn)動。為保證系統(tǒng)運(yùn)動的平穩(wěn)性，在連接架四周增加了導(dǎo)軌-滑塊機(jī)構(gòu)，以保證連接架可沿絲杠軸線豎直運(yùn)動。

圖6 升降模塊

2.4 行走模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

行走模塊采用輪式行走機(jī)構(gòu)，如圖7所示。行走輪由電機(jī)通過減速器驅(qū)動。為保證裝置的安全性，行走輪截面設(shè)計(jì)成凹形。工作時，凹形部位壓在鋼絞線上，可防止行走輪滑脫。行走輪上附有橡膠，以增大行走輪與鋼絞線之間的摩擦力，避免裝置在行走過程中出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

圖7 行走模塊

綜合以上4個基本機(jī)械模塊，系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 通信線纜自動架空裝置主體結(jié)構(gòu)

3 通信線纜自動架空作業(yè)流程

基于本文所設(shè)計(jì)的通信線纜自動架空裝置，自動作業(yè)過程及詳細(xì)步驟如圖9所示。

首先由同步帶及掛鉤座的夾持下，將掛鉤由裝置外部左側(cè)運(yùn)送到裝置中心的工作位置處，如圖9(a)所示；然后掛鉤兩側(cè)滑臺相對收攏，帶動兩側(cè)的剪刀夾持機(jī)構(gòu)對準(zhǔn)掛鉤；此后剪刀機(jī)構(gòu)在螺母的驅(qū)動下作閉合運(yùn)動，夾持住掛鉤兩側(cè)，如圖9(b)所示；接下來，兩側(cè)滑臺帶動剪刀機(jī)構(gòu)向兩側(cè)拉開，拉開線纜掛鉤，如圖9(c)所示。在升降機(jī)構(gòu)的帶動下，滑臺、剪刀機(jī)構(gòu)以及被拉開的掛鉤整體向上運(yùn)動，直至掛鉤上鉤處高于鋼絞線。在此過程中，通信線纜將自動納入掛鉤內(nèi)部，如圖9(d)所示；下一步兩側(cè)滑臺相對收攏，隨后剪刀機(jī)構(gòu)在電機(jī)的驅(qū)動下張開，釋放掛鉤，如圖9(e)所示；此后，兩側(cè)滑臺帶動剪刀機(jī)構(gòu)向兩側(cè)拉開，使掛鉤張拉模塊復(fù)位，如圖9(f)所示；在升降機(jī)構(gòu)的帶動下，滑臺、剪刀機(jī)構(gòu)以及掛鉤整體向下運(yùn)動，在掛鉤座的夾持牽引下，使掛鉤夾緊到綱絞線上，并從掛鉤座脫離，如圖9(g)所示，完成掛鉤的安裝。然后由行走輪驅(qū)動裝置沿綱絞線前行一定的距離，如圖9(h)所示，即可安裝下一個掛鉤。

圖9 線纜架空自動作業(yè)過程

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)對線纜架空裝置機(jī)械部分的驅(qū)動與運(yùn)動控制，設(shè)計(jì)了線纜架空裝置控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。

控制系統(tǒng)包含控制軟件和硬件兩部分。控制軟件包括裝鉤控制程序、行走控制程序、無線通信程序、運(yùn)動檢測程序等多個功能模塊?？刂葡到y(tǒng)硬件包含主控制器、電機(jī)驅(qū)動模塊、直流/步進(jìn)電機(jī)、無線通信模塊、運(yùn)動檢測模塊以及電源供給模塊等。在控制軟件的支持下，主控制器通過無線通信模塊接收遙控終端控制指令，通過PWM脈寬調(diào)節(jié)機(jī)制控制電機(jī)驅(qū)動模塊，驅(qū)動各直流/步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)自動掛鉤和行走等功能。在工作過程中，主控制器通過ADC采集來自運(yùn)動檢測模塊的系統(tǒng)狀態(tài)及位置反饋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對作業(yè)過程的實(shí)時監(jiān)測。電源供給模塊采用24V鋰電池作為動力源，通過電壓轉(zhuǎn)換滿足各個模塊的供電需求。

圖10 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

5 線纜架空裝置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于本文所提出的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過零件加工、元器件選擇、控制軟件開發(fā)和組裝調(diào)試，制作了通信線纜自動架空裝置原理樣機(jī)，并先后在實(shí)驗(yàn)室和施工現(xiàn)場完成了功能測試，分別如圖11、圖12所示。實(shí)驗(yàn)表明本裝置完成了預(yù)期的設(shè)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)了通信線纜的自動架空功能。

圖11 線纜架空裝置實(shí)驗(yàn)室測試

圖12 線纜架空裝置現(xiàn)場測試

6 結(jié)語

為解決通信線纜人工架空存在的問題，通過分析線纜架空的作業(yè)過程和功能需求，設(shè)計(jì)了適合自動化操作的新型掛鉤，基于新型掛鉤，對通信線纜自動架空裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、作業(yè)流程、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入地研究，制作了通信線纜自動架空裝置原理樣機(jī)，并完成了相關(guān)的功能測試，實(shí)現(xiàn)了通信線纜的自動架空功能。