鄭宇航

（中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

0 引言

我國(guó)城市軌道交通建設(shè)是城市現(xiàn)代化建設(shè)的主力之一，地鐵作為城市軌道交通建設(shè)中的先鋒，發(fā)展最為迅猛。 地鐵隧道受電接觸網(wǎng)、側(cè)壁電纜、天網(wǎng)系統(tǒng)電纜、國(guó)防光纜、管道以及緊急疏散平臺(tái)等機(jī)電安裝需要在隧道壁上鉆大量的安裝孔。

以剛性懸掛接觸網(wǎng)匯流排支撐裝置安裝錨螺栓孔的施工為例，目前仍是以“人工測(cè)量劃線(xiàn)、作業(yè)平臺(tái)輔助人工手持電鉆鉆孔”為主的作業(yè)模式。 傳統(tǒng)的錨螺栓孔鉆孔工藝主要采用人工站在梯車(chē)或者隧道作業(yè)車(chē)的升降平臺(tái)上手持電錘鉆孔。 需要大量人工操作，鉆孔效率偏低，同時(shí)，鉆孔粉塵會(huì)引起工人肺部健康問(wèn)題。 為加快施工進(jìn)度、改善作業(yè)環(huán)境、提高作業(yè)質(zhì)量，因此研制一款公鐵兩用隧道鉆孔車(chē)非常有必要。

可編程控制器 （Programmable Logical Control，PLC）是以微處理器為核心，結(jié)合自動(dòng)控制、微計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)的一種技術(shù)，操控性能良好，成本低，目前已廣泛應(yīng)用于軌道交通行業(yè)和工業(yè)等領(lǐng)域。 因此，可以將PLC 應(yīng)用于地鐵隧道鉆孔車(chē)，以達(dá)到對(duì)鉆孔系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

1 整車(chē)介紹

公鐵兩用隧道鉆孔車(chē)示意圖如圖1 所示，該車(chē)主要功能及特點(diǎn)：隧道內(nèi)剛性懸掛接觸網(wǎng)及側(cè)壁電纜錨栓孔的定位及鉆孔；公鐵兩用底盤(pán)機(jī)動(dòng)靈活、轉(zhuǎn)線(xiàn)方便，特別適用于地鐵線(xiàn)路無(wú)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的軌道系統(tǒng)；升降伸縮平臺(tái)具有升降伸縮功能， 便于工人清理安裝孔、安裝化學(xué)錨栓螺桿；除塵裝置能有效吸走鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵，改善施工環(huán)境。

該車(chē)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)錨螺栓孔的定位及鉆孔，以及怎樣避讓隧道襯砌中鋼筋，同時(shí)需要應(yīng)對(duì)彎道超高及車(chē)輛穩(wěn)定性對(duì)鉆孔定位的影響。

圖1 公鐵兩用隧道鉆孔車(chē)示意圖

2 鉆孔控制系統(tǒng)

2.1 總體工作流程

隧道鉆孔車(chē)鉆孔控制系統(tǒng)的總體流程圖如圖2所示。 該系統(tǒng)主要由中央控制系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、鉆孔執(zhí)行系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、調(diào)平裝置、觸摸屏（HMI）及ECU 等組成。

圖2 隧道鉆孔車(chē)控制系統(tǒng)總體流程圖

2.2 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 控制系統(tǒng)是隧道鉆孔車(chē)鉆孔的核心部件。 部件中的PLC 控制器作為本地管理，對(duì)鉆孔車(chē)各個(gè)設(shè)施輸出工作指令；PLC 通過(guò)收集到的各傳感器信息，自動(dòng)定位鉆孔工位及鉆孔目標(biāo)位置，使鉆孔車(chē)鉆孔符合工藝需求。

2.3 信號(hào)采集系統(tǒng)

信號(hào)采集系統(tǒng)主要由傾角傳感器、 走行編碼器、鉆孔裝置姿態(tài)編碼器及電錘電流傳感器組成，主要用于檢測(cè)車(chē)身傾角、車(chē)輛走行距離、電錘電流及鉆孔機(jī)械臂姿態(tài)。

2.4 鉆孔執(zhí)行系統(tǒng)

鉆孔執(zhí)行系統(tǒng)主要由調(diào)平裝置、鉆孔機(jī)械臂及電錘組成。 PLC 控制調(diào)平裝置使鉆孔機(jī)械臂底座保持水平；鉆孔機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)電錘進(jìn)行鉆孔。

2.5 除塵系統(tǒng)

除塵系統(tǒng)由吸塵器及其管道組成。 在鉆孔機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)電錘進(jìn)行鉆孔的同時(shí)，PLC 控制吸塵器啟動(dòng)，將鉆孔產(chǎn)生的粉塵吸收。

3 關(guān)鍵控制方法研究

3.1 走行距離控制

鉆孔車(chē)作業(yè)時(shí)鐵路走行，前后鋼輪轉(zhuǎn)向架由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下降，并將膠輪頂起處于懸空狀態(tài)，由后轉(zhuǎn)向架鋼輪驅(qū)動(dòng)。 動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)傳至分動(dòng)箱，分動(dòng)箱連接油泵， 油泵帶動(dòng)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)后鋼輪轉(zhuǎn)向架。 PLC通過(guò)控制ECU 使發(fā)動(dòng)機(jī)以適當(dāng)?shù)墓潭ㄞD(zhuǎn)速運(yùn)行，為油泵提供動(dòng)力；PLC 控制油泵排量及馬達(dá)排量達(dá)到控制車(chē)輛行進(jìn)速度的目的。

走行距離控制是定位鉆孔工位位置的重要環(huán)節(jié)。為保證走行距離檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，降低因摩擦或測(cè)量輪接觸不良而造成的誤差，設(shè)置左右測(cè)量輪，測(cè)量輪上安裝走行編碼器。 PLC 采集編碼器數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成鉆孔車(chē)前進(jìn)距離數(shù)據(jù)。

用戶(hù)在HMI 上設(shè)定前后工位的距離，PLC 通過(guò)該距離參數(shù)對(duì)鉆孔車(chē)行駛速度及行駛距離進(jìn)行控制，使鉆孔車(chē)能準(zhǔn)確停在下一鉆孔工位處。 鉆孔車(chē)工位轉(zhuǎn)換時(shí)速度曲線(xiàn)如圖3 所示。

圖3 隧道鉆孔車(chē)速度距離曲線(xiàn)

作業(yè)時(shí)，在工程線(xiàn)路中設(shè)置幾個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)，以便于校驗(yàn)系統(tǒng)誤差。

3.2 鉆孔深度控制

隧道內(nèi)不同設(shè)備對(duì)應(yīng)的錨栓孔的孔徑及深度是有不同要求的，例如：剛性懸掛接觸網(wǎng)錨栓孔徑24 mm，深度120 mm；強(qiáng)電電纜支架錨栓孔徑18 mm，深度90 mm（此參數(shù)僅為個(gè)例，不代表地鐵錨栓孔均為此要求）。 錨栓孔的孔徑控制可以通過(guò)更換不同型號(hào)鉆頭實(shí)現(xiàn)；鉆孔深度的控制則需要通過(guò)PLC 控制實(shí)現(xiàn)。

在鉆孔動(dòng)作執(zhí)行前， 利用激光距離傳感器測(cè)量初始鉆頭位置到隧道壁面的距離，鉆孔進(jìn)給執(zhí)行時(shí)，用拉繩傳感器測(cè)量鉆孔進(jìn)給的實(shí)時(shí)距離。鉆孔孔深度為拉繩傳感器測(cè)距與初始鉆孔位置到隧道壁面距離的差值。

3.3 鋼筋避讓控制

地鐵管道隧道襯砌中預(yù)埋有大量鋼筋，在鉆孔施工過(guò)程中需要規(guī)避。

在電錘向前推進(jìn)過(guò)程中，PLC 控制器檢測(cè)并分析鉆機(jī)電流，與經(jīng)試驗(yàn)記錄鉆機(jī)空轉(zhuǎn)、鉆混凝土、鉆到鋼筋的電流范圍對(duì)比， 判斷鉆機(jī)是否鉆到鋼筋。 用1000W 電錘對(duì)隧道襯砌管片進(jìn)行鉆孔電流監(jiān)視測(cè)試，結(jié)果如圖4。當(dāng)電錘鉆到鋼筋時(shí)電流陡升，由此可判斷電錘鉆到鋼筋，設(shè)備停機(jī)，人工操作鉆孔車(chē)小幅偏移后再次進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

圖4 電錘電流曲線(xiàn)

3.4 彎道超高補(bǔ)償控制

由于鋼軌在彎道存在超高（外軌高于內(nèi)軌），以及鋼軌軌面也存在一定的偏差，導(dǎo)致車(chē)輛傾斜。鉆孔車(chē)以鋼軌軌面為基準(zhǔn)展開(kāi)設(shè)計(jì)，所以需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

鉆孔機(jī)械臂底座設(shè)計(jì)有液壓驅(qū)動(dòng)的調(diào)平機(jī)構(gòu)，PLC通過(guò)檢測(cè)機(jī)械臂底座上傾角傳感器數(shù)據(jù)判斷其傾斜角度，進(jìn)而控制調(diào)平機(jī)構(gòu)使鉆孔機(jī)械臂底座水平。

3.5 車(chē)輛穩(wěn)定性控制

鉆孔車(chē)的穩(wěn)定性是一個(gè)關(guān)鍵難度，各個(gè)失穩(wěn)狀態(tài)（例如整個(gè)設(shè)備在軌道上移動(dòng)過(guò)程中， 車(chē)輪與軌道之間可能出現(xiàn)打滑、設(shè)備打孔時(shí)沖擊振動(dòng)帶來(lái)的潛在失穩(wěn)等）都會(huì)影響測(cè)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，使用抱軌器、彈性頂頭等機(jī)構(gòu)來(lái)增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

此外，為了增加設(shè)備運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在各個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上增加液壓鎖，并盡量選擇蝸輪蝸桿減速機(jī)等帶自鎖功能的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

4 控制流程

在HMI 上標(biāo)定參數(shù)，設(shè)置任務(wù)內(nèi)容。 通過(guò)PLC 采集外圍傳感器、操作按鈕/手柄號(hào)，讀取總線(xiàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并按照一定的算法進(jìn)行邏輯和運(yùn)算處理，以到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)工況需求。 控制流程如圖5 所示。

圖5 控制流程

4.1 參數(shù)標(biāo)定

（1）標(biāo)記鉆頭原點(diǎn)。人工操作設(shè)備（可用激光投影），調(diào)整鉆頭位置，到第一打孔位置正前方（該位置距離隧道壁L，L+鉆孔深度＜伸縮油缸行程）， 設(shè)定當(dāng)前位置為鉆頭原點(diǎn)。

（2）標(biāo)記鉆頭回位點(diǎn)。 各機(jī)構(gòu)收回到位后坐標(biāo)。

（3）標(biāo)記線(xiàn)路參數(shù)。 設(shè)置設(shè)備運(yùn)行線(xiàn)路相關(guān)參數(shù)。

（4）標(biāo)定孔間距及數(shù)量。 下達(dá)打孔任務(wù)。 在HMI 上設(shè)置需要孔的間距、數(shù)量。

4.2 控制流程

（1）操作模式。系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)/自動(dòng)兩種操作模式。

（2）工作機(jī)構(gòu)備妥。 系統(tǒng)自檢。

（3）自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)算。 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、邏輯處理。

（4）機(jī)構(gòu)運(yùn)行。執(zhí)行PLC 輸出指令執(zhí)行打孔操作。

以側(cè)壁電纜支架四個(gè)錨栓孔為例，同一工位4 孔加工示意圖如圖6 所示：

圖6 同一工位4 孔加工示意圖

抱軌機(jī)構(gòu)抱緊軌道→頂頭頂住墻面→系統(tǒng)液壓鎖鎖死→鉆孔兩個(gè)→執(zhí)行組件伺服滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)→鉆孔兩個(gè)→液壓鎖松開(kāi)→頂頭松開(kāi)→抱軌機(jī)構(gòu)松開(kāi)→公鐵兩用平臺(tái)移動(dòng)→抱軌機(jī)構(gòu)抱緊軌道→傳感器測(cè)量、PLC 控制系統(tǒng)計(jì)算→調(diào)平裝置補(bǔ)償角度偏差→頂頭頂住墻面→系統(tǒng)液壓鎖鎖死→第二工位的加工開(kāi)始并依次循環(huán)。

當(dāng)系統(tǒng)判斷打到鋼筋時(shí)，設(shè)備停機(jī)，人工按提示確認(rèn)開(kāi)啟偏移操作，軌道車(chē)小幅偏移后再次開(kāi)始打孔操作。

（5）任務(wù)完成。 檢測(cè)任務(wù)是否完成。

（6）打孔完畢。 任務(wù)結(jié)束。

5 結(jié)語(yǔ)

本文完成了公鐵兩用隧道鉆孔車(chē)鉆孔控制系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)。 控制系統(tǒng)主要由中央控制系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、鉆孔執(zhí)行系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、調(diào)平裝置、觸摸屏及ECU 等組成，通過(guò)走行距離控制、鉆孔深度控制及鋼筋避讓控制等關(guān)鍵控制方法，實(shí)現(xiàn)了鉆孔車(chē)的自動(dòng)定位及自動(dòng)鉆孔功能。 試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆孔控制系統(tǒng)可以滿(mǎn)足隧道鉆孔工藝需求，且工作性能穩(wěn)定。