蔣海

（中鐵十一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，湖北 武漢 430074）

接觸網(wǎng)施工作為電氣化鐵路施工的重要組成部門，其施工安全、工藝、質(zhì)量影響著鐵路全線工程質(zhì)量和施工效率，在整個施工過程中發(fā)揮著重要作用。接觸網(wǎng)施工工序中，接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配是工程質(zhì)量重要控制之一，其預(yù)配工作量大，形式多樣，種類復(fù)雜，組裝精度要求高，常規(guī)的制作工藝質(zhì)量不容易控制，接觸網(wǎng)腕臂的預(yù)配、組裝，傳統(tǒng)施工一般在施工現(xiàn)場進(jìn)行預(yù)配，各項數(shù)據(jù)參數(shù)難以統(tǒng)一，預(yù)配效率低下，嚴(yán)重影響接觸網(wǎng)施工效率。

因此，迫切需要設(shè)計一種全自動化的腕臂預(yù)配系統(tǒng)?；谏鲜鲂枨螅捎霉I(yè)機(jī)器人的腕臂智能化預(yù)配車間，結(jié)合自動噴碼、切割、機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)、螺栓力矩緊固、上件等自動化功能，代替人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了有效控制接觸網(wǎng)腕臂的預(yù)配精度，提升腕臂預(yù)配效率和成品質(zhì)量管控。

1 傳統(tǒng)預(yù)配方式

傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配方式一般采用現(xiàn)場裝配或采用工廠內(nèi)人工集預(yù)配兩種模式?，F(xiàn)場裝配模式一般根據(jù)測量計算結(jié)果，采用人工切割、緊固的方式進(jìn)行裝配，存在大量的缺陷，如精度不易控制、力矩偏差大、容易損傷鋁合金管件及零部件，存在安全風(fēng)險等問題。此類腕臂預(yù)配方式在高鐵建設(shè)過程中已被淘汰，常見于普速鐵路施工過程中。本文以工廠集中預(yù)配模式為例進(jìn)行分析。

1.1 腕臂管材選料

腕臂管在材料預(yù)定時，采用長度預(yù)估方式，即不同長度規(guī)格的材料按需預(yù)留余量進(jìn)行批量預(yù)定，預(yù)配時，根據(jù)預(yù)配表格中的平、斜腕臂管長挑選合適長度的管件進(jìn)行預(yù)配。此種方式進(jìn)行管材選料，需要提前進(jìn)行數(shù)量、長度預(yù)估，工作量大，數(shù)據(jù)繁瑣，預(yù)配中因選料，易造成大量廢棄管材，成本浪費(fèi)。

1.2 數(shù)據(jù)標(biāo)記

腕臂數(shù)據(jù)標(biāo)記作為現(xiàn)場安裝、質(zhì)量復(fù)核的重要依據(jù)，主要采用的是記號筆標(biāo)寫方式，根據(jù)預(yù)配數(shù)據(jù)表格標(biāo)注腕臂安裝的錨段、桿號、線別等參數(shù)，同時在零部件固定位置進(jìn)行標(biāo)注，此種方式容易造成數(shù)據(jù)缺失，書寫偏差，無法全面反映腕臂數(shù)據(jù)情況，在陰雨天氣下，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

1.3 管件切割

腕臂管件原材料一般為定長材料，需要根據(jù)預(yù)配數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同長度的切割。采用人工拉卷尺測量長度，標(biāo)記切割長度后，操作切割機(jī)進(jìn)行切割。此類方式進(jìn)行管件長度測量切割，由于人工讀數(shù)，存在較大的長度誤差，難以保證腕臂管件的長度精度，同時由于人工進(jìn)行管件的切割操作，存在極大的安全風(fēng)險隱患，如圖1所示。

圖1 腕臂管材人工切割

1.4 管件搬運(yùn)

腕臂管件零部件安裝完成后，一般重30kg左右，從切割、零部件安裝、拼接、存放過程中均需要進(jìn)行管件的人工搬運(yùn)，在高強(qiáng)度的預(yù)配生產(chǎn)需求下，人工勞動強(qiáng)度極大，同時加大了勞動成本的投入。

1.5 零部件上件及緊固

腕臂管上的零部件有4～6種不同形式，每個零部件在不同腕臂上，安裝位置也是各不相同，需要預(yù)配人員從預(yù)配表格中讀取安裝位置與零部件型號，同時根據(jù)設(shè)計的力矩大小，對應(yīng)將螺栓手動緊固到相應(yīng)的力矩。此過程對作業(yè)人員的安裝熟練程度、責(zé)任心要求較高，存在安裝精度偏差、螺栓力矩緊固不到位、零部件位置偏差等問題，直接關(guān)系腕臂組裝質(zhì)量。

2 創(chuàng)新預(yù)配方式

2.1 管材選型

開發(fā)了基于BIM技術(shù)的三維智能預(yù)配管理系統(tǒng)，基于BIM技術(shù)和大數(shù)據(jù)自動分析的腕臂管件最優(yōu)套料算法，提出適合預(yù)配的最優(yōu)管件長度組合和加工順序計劃，靈活調(diào)整加工順序，結(jié)合最優(yōu)，給電氣控制系統(tǒng)傳達(dá)非時序化的切割加工、堆棧指令，最大程度節(jié)約腕臂原材料，實(shí)時推送參數(shù)化的腕臂預(yù)配BIM圖到各個工位，記錄工位作業(yè)的尺寸、扭矩、零部件規(guī)格數(shù)量等各種技術(shù)參數(shù)和腕臂總裝檢測工數(shù)據(jù)，成品數(shù)據(jù)上傳到管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)系統(tǒng)流轉(zhuǎn)如圖2所示，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了智能預(yù)配工藝的數(shù)據(jù)閉環(huán)，為現(xiàn)場施工安裝、工程驗收等提供全壽命周期的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)接口。

圖2 腕臂預(yù)配數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)示意圖

2.2 身份標(biāo)識

采用高精度自動噴碼機(jī)，為每一根腕臂打上二維碼或條形碼標(biāo)識，賦予腕臂唯一身份。采用非接觸式連續(xù)自動噴碼，能夠有效保障字跡清晰持久，噴印圖案準(zhǔn)確，在復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境也不會脫落。支持手機(jī)掃描身份識別，保證每一根腕臂都能夠從數(shù)據(jù)計算、安裝位置信息、出廠時間、作業(yè)人員等進(jìn)行追溯查詢，如圖3所示。

圖3 腕臂身份標(biāo)識條形碼

2.3 自動切割

采用快速金剛石切割機(jī)，通過伺服電機(jī)與機(jī)器人位置控制，實(shí)現(xiàn)全自動的腕臂管件切割，同時設(shè)置廢料回收框。當(dāng)管件切割完畢，并被機(jī)器人抓起時，切割伺服啟動到放件位置，此類方法進(jìn)行腕臂管件切割，可大大提升切割效率，全過程無人工參與，確保作業(yè)人員安全，消除風(fēng)險，同時切割面光滑平順，不存在斜面或長度誤差。

2.4 抓取轉(zhuǎn)運(yùn)

平、斜腕臂采用機(jī)器人搬運(yùn)，機(jī)器人動作由編寫的PLC系統(tǒng)程序控制，在每個工序完成后，機(jī)器人將當(dāng)前工位的腕臂抓取，自動傳輸?shù)剑较乱粋€工位，直至腕臂完成預(yù)配，機(jī)器人下線。可根據(jù)系統(tǒng)傳遞的腕臂尺寸，自動抓取，滿足不同腕臂生產(chǎn)需求，如圖4所示。機(jī)器人連接抓手對工位生產(chǎn)的腕臂自動抓取。重復(fù)精度±0.05mm，在保證安全、質(zhì)量的情況下，提高工作生產(chǎn)效率。系統(tǒng)工位內(nèi)每個工藝在PLC控制下，一步一步有序地進(jìn)行，不存在誤拿誤放，減少人工勞動強(qiáng)度。

圖4 機(jī)器人進(jìn)行腕臂管件抓取

2.5 定位上件緊固

采用翻轉(zhuǎn)伺服電機(jī)、伺服滑臺、自主研制設(shè)計的零部件工裝夾具及工作臺組成，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)腕臂承力索座、卡子、套管座等卡件的自動走行定位安裝。利用翻轉(zhuǎn)伺服電動機(jī)將工作臺轉(zhuǎn)向，伺服機(jī)翻轉(zhuǎn)使得機(jī)構(gòu)可以交替生產(chǎn)平腕臂和斜腕臂，同時完成另一邊的上件，自動讀取數(shù)據(jù)系統(tǒng)中各零部件安裝位置，通過電氣控制系統(tǒng)控制變位機(jī)的移動，將卡件精準(zhǔn)滑動到預(yù)配安裝位置，確保零部件的安裝精度。螺栓力矩緊固采用機(jī)器人配置全自動螺栓緊固槍，由于腕臂零部件螺母型號不一，機(jī)器人的擰緊槍批頭采用自動更換方式，保證腕臂螺栓力矩精度滿足要求，通過電子信息信號，實(shí)現(xiàn)不同螺栓型號、不同力矩大小自動化緊固，力矩數(shù)據(jù)同時保存記錄至數(shù)據(jù)中心，供追溯查閱。

3 性能對比

3.1 效率對比

高速鐵路腕臂創(chuàng)新技術(shù)與傳統(tǒng)預(yù)配方式一個最大的不同之處在于，腕臂管件的精度控制、力矩大小、安裝、切割等關(guān)鍵工序?qū)崿F(xiàn)無人工參與，消除了腕臂在預(yù)配過程中的人工作業(yè)效率低、積極性等問題，并將所有流程一體化，進(jìn)行生產(chǎn)線作業(yè)，從作業(yè)時間來看，效率提升2倍以上，工效分析如表1所示。

表1 兩種腕臂預(yù)配時間效率分析

3.2 質(zhì)量對比

高速鐵路腕臂創(chuàng)新技術(shù)采用工業(yè)機(jī)器人與全自動伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，嚴(yán)格控制長度、零部件定位、螺栓緊固力矩等關(guān)鍵參數(shù)，執(zhí)行讀取的預(yù)配參數(shù)，不存在人為因素干擾，避免人工誤差，同時將實(shí)時數(shù)據(jù)反饋至數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行比較，二次保障數(shù)據(jù)精度。采用自動噴碼方式在零部件安裝位置劃線噴碼，預(yù)配完成后可進(jìn)行人工質(zhì)量復(fù)核。從工序、制作手段嚴(yán)格保證預(yù)配精度，人工預(yù)配精度在±5～10mm，力矩偏差在±0.5～3N·m，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，采用創(chuàng)新技術(shù)所預(yù)配腕臂，精度可達(dá)±2mm，力矩偏差小于0.1N·m，預(yù)配精度提升5倍以上。

4 結(jié)語

本文通過對鐵腕臂預(yù)配的創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用得到以下結(jié)論：

（1）采用創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行高速鐵路腕臂預(yù)配提高了腕臂效率，減輕了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

（2）采用本腕臂預(yù)配創(chuàng)新技術(shù)，在長度控制，力矩緊固等關(guān)鍵工序中，與傳統(tǒng)人工預(yù)配方式相比，杜絕了人為誤差，提升了裝配精度，有效避免了腕臂在安裝之后的二次調(diào)整，保證了接觸網(wǎng)腕臂安裝進(jìn)度。

（3）本技術(shù)不僅滿足高鐵接觸網(wǎng)鋁合金腕臂預(yù)配，還適用于城際鐵路、城市軌道鋼腕臂預(yù)配，更換方式簡單，適用范圍廣。

（4）簡潔的人機(jī)交互操作系統(tǒng)，清晰的語言邏輯，智能管件物料提示推送功能，實(shí)現(xiàn)技術(shù)人員快速上手控制，確保腕臂預(yù)配生產(chǎn)有效運(yùn)轉(zhuǎn)。