地鐵隧道打孔設備的研發分析

張睿航，王宏杰，賈玉周，李政

（中建安裝集團有限公司，江蘇 南京 210000）

1 技術背景

隨著我國城市軌道交通建設的快速發展，地鐵隧道占比越來越多，地鐵隧道牽引供電接觸網、側壁電纜、管道以及緊急疏散平臺等機電安裝需要在隧道壁上鉆大量的安裝孔，目前，仍主要采用人工劃線、作業平臺輔助人工手持鉆孔作業模式，存在以下不足：

（1）由于鉆孔數量較多，為滿足工期要求，不得不雇用大量技工，成本高；

（2）人工作業質量，如鉆孔的位置、鉆孔方向準確性和一致性難以保證；

（3）部分安裝孔的位置較高，需要搭建臨時支架或移動式升降平臺，輔助作業時間長，降低了作業效率，且高空作業，存在安全隱患問題。

為節約成本、加快施工進度、提高施工質量、保證施工安全，研發隧道鉆孔機械手，實現鉆孔作業全自動機械化施工，并建立BIM模型分析如圖1所示。

圖1 BIM建模分析圖

2 重難點分析

因鉆孔設備需通過載運車實現縱移，軌道與載運車之間的相對位置隨著載運車縱移不斷變化，軌道自身的空間位置也會因線路或安裝實際狀態表現為隨縱向位置的不同而不同，使孔位標記自動化的實現因測量基準的不確定性而具有挑戰性；鉆孔作業時的動反力、作業機構運動控制過程中的動載荷會使作業機構（彈性變形是不可忽視的）或者機體發生振動，影響機構精準控制的平穩性；機構運動間的摩擦、間隙、黏滯等非線性因素的客觀存在，機構運動控制本質也是非線性控制系統，使得基于幾何計算的位置開環或者小閉環控制注定無法實現工程精度要求，而傳統閉環控制策略也往往會產生極限環振蕩，影響控制效果；基于孔位的大閉環控制需要，實時測量目標點與鉆頭實際位置之間的偏差，接觸式測量工程上無法實施，非接觸式精密測量系統對安裝條件、工作環境有很高要求，基于視頻圖像識別技術因涉及復雜算法如何保證速度和效率也是難題。綜上所述，歸結如下幾個主要技術難點，給出解決方案。

2.1 機構選型及優化

鉆機支撐平臺可采用空間并聯機構，也可采用空間串聯機構，并聯機構有剛度大的優點，但結構復雜、自重大、運動范圍小；本設備采用類似挖掘機的串聯機構（串聯機械手），多臂并行鉆孔機械手，在具體結構型式、動態性能等方面進行優化分析。另外，傳動與控制元器件需選用精密器件，滿足鉆孔作業所需的平穩、快速定位以及可靠鉆孔。

項目采用粗定位與精定位兩相結合的技術手段，粗定位通過電動軌道車縱移、底座調平、立柱伸縮保證立柱處于垂直位置及連接立柱與中間臂連接關節處于隧道斷面中心位置，通過中間臂的轉動與伸縮保證末端執行器處于預定位置附近；精定位通過末端執行器相對于中間臂的相對移動與擺動實現準確定位，具體實施時，通過軟件控制系統識別末端執行器與預定位置的偏差，通過閉環控制系統驅動末端執行器移動和擺動，實現準確定位。

2.2 孔的目標位和鉆頭點位之間偏差的準確測量

通過測量與鉆桿平行的激光束光斑與目標之間的距離及方位，引導伺服控制系統控制末端執行器準確定位。激光束光斑與目標之間的距離及方位精確測量需采用光學定位技術及其他輔助措施，利用快速算法對測量結果進行校準與修正。

2.3 智能控制策略的研究

該設備具有大慣性、強非線性系統，實現快速、精確控制具有較大難度，研究中重點為非線性補償技術，本設備采用非線性補償與智能控制相結合的方法，以滿足系統調整過程穩、快、準，滿足工程要求。

2.4 機械手整機的穩定性研究

本設備的電動軌道車運行于軌道之上，隧道斷面內的支點(軌距)小，末端執行器在洞壁位置，易導致整機傾覆，為了保證傾覆穩定性，本設備產品的機械臂采用大直徑空心鋼管，在提高剛度的同時盡量減小質量；通過簡單的足尺模型實驗測定滿足實際要求的驅動器功率與轉矩，合理確定驅動器參數，盡量減小驅動器質量；通過電動軌道車上增加適當配重增加穩定性；另外，設置抓軌裝置提高抗傾覆性能。

3 設備原理與設計參數

3.1 主要技術

隧道軌行式全向內壁鉆孔機器人將載運平板車、電源系統以及打孔機械臂有效統一控制，實現各子系統協調工作，采用PLC自動化控制技術，通過程序設定，用以控制不同的子系統協調工作，以達到準確走位、準確找點、準確鉆孔的要求。同時，本系統還采用了程序預植技術，在遇到不同孔徑、不同高度、不同距離的安裝孔以及不同形狀的隧道時，通過改變預植程序內的某一項或者幾項參數，用以改變鉆孔機器人的程序化工作，以滿足不同專業不同打孔需求。

3.2 設備指標

本設備采用市面常見汽油發電機供電，為整個設備運行提供源源不斷的電源；鉆孔設備滿足最大孔徑30mm扭矩要求；采用無線控制及操作臺控制，既可以無線操作也可以通過操作臺控制設備運行；兩孔最小孔距300mm，最大孔距850mm；兩電錘鉆頭中心距設計時需滿足280～900mm可調；軌道中心到施工面可達距離滿足最小1700mm，軌道面至頂部可達最大距離6500mm；打孔時如果打在鋼筋上，提供兩種選擇：退出/直接打斷；電錘調節角度按照45°的調節范圍；液壓站及發電機的布局可沉入平板車平臺下方，以最大限度的騰出折臂的旋轉空間，距軌道面距離≥200mm；兩個電錘單獨控制，以滿足一排有三個孔的施工；發電機加裝尾氣排放過濾器及噪音減弱裝置。

4 經濟效益分析

打孔效率與人工相比提升約6～10倍,一條約20km長的地鐵線各種安裝孔約有620000個,使用該設備可以節約人工約1800個,為施工單位節約人工成本約25萬元；施工中縮短工期30天，壓縮城市軌道交通站后機電施工時間，對整體地鐵建設過程產生的經濟效益不可估量，設備組裝及現場實際應用如圖2所示。

圖2 設備組裝及現場施工圖

5 結語

本文提出了一種地鐵隧道打孔的新型設備，考慮了鉆孔作業時的動反力、作業機構運動控制過程中的動載荷、機體發生的振動；機構運動間的摩擦、間隙、黏滯等非線性因素的客觀存在，具有粗定位與精定位兩相結合的技術手段，閉環控制系統驅動末端執行器移動和擺動，實現準確定位。

智能化設備的研發與應用是目前中國發展的大趨勢。研發機械自動化、施工智能化等新型設備，應以本單位面臨的主要問題及具體條件為導向，做到研究有目的，成果可推廣。