高速铁路接触网支柱组立智能装备探究
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摘要：在高速铁路的发展过程中，接触网支柱组立一直是建设过程中一个基础性的关键环节，本文主要介绍基于视觉引导系统的机械臂自动对位技术和重载机械臂多自由度控制等关键技术的接触网支柱组立智能装备，并在京雄高铁雄安段对支柱组立装备样机进行了测试，各项技术性能指标满足技术设计要求，提高了接触网支柱组立施工的安全和效率。
关键词：高速铁路；接触网；支柱组立；视觉引导；多自由度控制
1研究背景
“十四五”期间国家将贯通哈尔滨至北京至香港（澳门）、连云港至乌鲁木齐、上海至昆明、广州至昆明高速铁路通道，进一步拓展区域连接线。高速铁路营业里程将达到3万公里，覆盖80%以上的大城市。针对大规模的高速铁路建设项目，为进一步降低施工人员的体力劳动强度，提高施工效率、施工质量，提升高速铁路接触网系统安全可靠性，研发高铁接触网支柱组立智能装备具有十分重要的现实意义。该套装备是基于现有一体化工艺数据信息、标准化工序、工人施工技能等一系列技术要求，实现可靠精准的数据信息智能化施工控制和管理，实现建筑企业接触网工程的全面自动机械化，打造智能高铁建设。
2结构组成与工作原理
2.1总体设计
支柱组立装备主要由基础平台、机械臂、立杆机械手、电控系统、液压系统、管路系统等部分组成。支柱组立装备完成立杆半自动安装功能，在安装环节采用自动形式，在中间移位采用半自动形式，降低对工人技术水平要求，提高现场使用效率。在立杆安装过程中同时对用户的基础施工情况进行检测和测量，并与用户BIM管理系统进行对接，共享安装过程数据和测量数据信息。
2.2工作原理及关建技术
该装备的工作原理是采用双相机视觉系统作为引导，在支柱基础适当位置安置引导靶板，待支柱到达基础附近，通过视觉系统完成位置标定后，自动完成支柱与地脚螺栓的位置对接，作业人员完成支柱固定。（1）基于智能测量底座的支柱斜率精准调整技术。智能测量底座由两个基础适配座、主机组成。其中主机用于搭载传感器、人机交互与数据处理，是智能测量底座的核心,由密封盖、主机底座、传感器、显控系统和供电系统组成。基础适配座用于和立杆基础螺栓孔配合，根据基础的不同，可更换不同的基础适配座与之适应，有三种基础适配座可以选择。基础适配座通过两个金属销和两个塑料导向块与主机连接，按下主机两边的解锁按钮即可实现基础适配座的安装。智能测量底座实时精准检测、显示支柱预装倾斜率，通过调整打底螺母，使支柱垂直线路、顺线路倾斜率达到验标要求，缩短支柱整正作业时间，提高了施工一次性达标率。同时可实现待安装支柱位置的坐标采集、实时传输，为机车联控提供精准数据。（2）基于视觉引导系统的机械臂自动对位安装技术。机器视觉引导系统是支柱组立装备的导引与眼睛，在工作过程中引导作业车找到合适的安装工位进行安装。机器视觉引导系统采用双工业相机作为引导，配合支柱组立装备完成立杆的精准对位，同时视觉引导系统具有测量工程，可对预安装的底座进行测量分析，检查底座的施工状态。将双相机安装在机械手法兰盘处，该位置一方面在抓取立杆过程中要保证双相机能够看到立杆指定位置粘贴的靶标点，另一方面要保证在将抓取的立杆精确安置到预埋螺栓过程中能看到地面引导板，并能完成预埋螺栓及立杆法兰孔的位姿标定。支柱组立智能装备基于高精度控制作业机械臂，搭载视觉引导系统以及自动化末端执行机构，完成支柱自动抓取及精准对位，实现支柱组立自动化。（3）高精度重载机械臂多自由度控制技术。支柱组立装备在重载条件下通过机械臂空间X、Y、Z三个方向和三个转轴姿态的6个自由度精确调整，完成法兰与基础螺栓精准对位，偏差±3mm。（4）多重安全措施保障技术。整体设备充分考虑安全保护的设计，通过软件流程空间作业限制、流程动作顺序保护、平衡阀自锁保护、电机制动自锁保护、急停保护以及手动应急装置以实现设备全过程的安全工作。
2.3设备操作流程
基础检测：当智能测量底座可以在预埋基础的外露螺栓进行套装时，把智能测量底座放置在预埋基础上安装到位，开始测量预埋基础的偏差。当测量数据满足施工要求时,判定预埋基础合格,然后调整打底螺母将支柱的倾斜率调整到设计值，之后进入下一道工序。停车引导：根据智能底座传输的支柱位置信息和行车北斗信息，通过停车引导屏准确确定停车位置。起吊作业：这个过程可自动完成或手动完成，自动完成时需将引导标签放置在支柱大致中心位置，立杆机械手在机器视觉的引导下抓紧支柱；手动完成时，操作人员目视立杆中心位置，进行手动抓取，抓取支柱后移动至预安装测量位置。放置靶标、引导板：事先将靶标放到指定位置，同时将视觉引导板置于基础附近地面任意位置。自动精准对位：在机械臂视觉引导系统检测到靶标后，移开靶标、视觉引导板，通过视觉引导系统引导，自动完成立杆对位安装。紧固螺母、自动复位：待支柱安装到位后，操作人员进行支柱螺母紧固工作，待螺栓紧固后，撤走立杆抓手，完成支柱组立，进行下一个支柱组立过程。
2.4设备主要性能指标
（1）轨道车司机可接收到支柱基础位置信息，确保停车位置误差不超过±1000mm；（2）走行或非工作时，设备总高度不大于4.2m；（3）机械臂的工作范围按线路中心分为半幅左180°、半幅右180°和全幅360°工作；（4）作业半径:≥6m；（5）测量支柱倾斜率误差控制在1‰；（6）支柱安装过程中，视频监控系统能满足视频实时传输至走行牵引机车驾驶室内并显示；（7）能够与用户BIM管理系统可靠对接；（8）抓取最大重量：2t；（9）满足室外-10～45℃施工条件，具有防雨雪、冰冻、防尘等多重安全防护功能。
3关键技术解决的问题
3.1基于视觉引导系统的机械臂自动对位技术
传统支柱组立装配需要吊车吊装和多个工作人员配合对位，在安全上存在很大隐患，在时间上完全取决与工作人员的配合度；而支柱组立装备主要依靠机械臂，手动对位对操作人员带来极大挑战，为了减少工作人员劳动强度、提高作业的安全性和可靠性，本项目搭载视觉引导系统及自动化末端执行机构，实现支柱组立的自动化。其中，视觉引导系统模拟人类眼睛，配备两个机器视觉相机，将法兰、螺柱在空间的几何关系映射在引导板上，然后根据引导板反馈的实时信息发送给机械臂；末端执行机构通过各种传感器（角度传感器、拉线传感器等）和视觉数据信息对机械臂进行精准运动控制，从而完成支柱与桩基础的精准对位安装功能。
3.2高精度重载机械臂多自由度控制
支柱组立装备需要对不同类型支柱组立进行抓取和姿态调整与对位，完成支柱法兰与水泥基础的精准对位，最大的支柱重量为2t，对位偏差为±3mm。对不同类型的H型支柱在夹爪上设置不同卡槽，保证其在合适的卡槽位置卡紧，实现安全可靠的支柱抓取流程。在重载条件下机械臂在三维空间范围内实现6+3自由度在可达范围内的任意姿态调整。
3.3多重安全措施，保障设备安全工作
整体设计充分考虑设备的安全可靠性，通过软件流程空间作业限位、流程动作顺序保护、平衡阀自锁保护、电机制动自锁保护、急停保护、手动应急装置及遥控器急停保护等来实现设备作业全过程的安全性。
4测试与应用
根通过在京雄高铁雄安段对支柱组立装备样机进行了测试,进行了各项技术性能试验和验证，功能和性能满足技术设计要求，详见表1。经过施工现场应用验证，接触网支柱组立施工效率大大提高，传统施工采用立杆吊，需6人，5分钟/根；智能装备仅需2人，5分钟/根，效率等同；作业过程中不需要人工扶支柱及辅助对位，安全性优于传统施工。施工效益可节约人工费30元/根（按照每台班组立40根计算）。
5结语
高铁接触网支柱组立智能装备，能够适应高铁接触网的现场施工作业环境，能快速、精确对位，减小施工人员作业内容和作业强度，代替现有吊车对H型支柱的吊装、施工人员手动对位的施工作业流程，同时具备操作安全简单、调试方便及较好的可维护性。能够实时采集安装过程中的相关数据并存储记录，从而与用户BIM管理系统进行数据对接。
作者:陈圣喜 单位:中国铁建电气化局集团有限公司
