高速鐵路腕臂預配技術創新應用分析

蔣海

（中鐵十一局集團電務工程有限公司，湖北 武漢 430074）

接觸網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、質量影響著鐵路全線工程質量和施工效率，在整個施工過程中發揮著重要作用。接觸網施工工序中，接觸網腕臂預配是工程質量重要控制之一，其預配工作量大，形式多樣，種類復雜，組裝精度要求高，常規的制作工藝質量不容易控制，接觸網腕臂的預配、組裝，傳統施工一般在施工現場進行預配，各項數據參數難以統一，預配效率低下，嚴重影響接觸網施工效率。

因此，迫切需要設計一種全自動化的腕臂預配系統。基于上述需求，采用工業機器人的腕臂智能化預配車間，結合自動噴碼、切割、機器人轉運、螺栓力矩緊固、上件等自動化功能，代替人工作業，實現了有效控制接觸網腕臂的預配精度，提升腕臂預配效率和成品質量管控。

1 傳統預配方式

傳統的接觸網腕臂預配方式一般采用現場裝配或采用工廠內人工集預配兩種模式。現場裝配模式一般根據測量計算結果，采用人工切割、緊固的方式進行裝配，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，存在安全風險等問題。此類腕臂預配方式在高鐵建設過程中已被淘汰，常見于普速鐵路施工過程中。本文以工廠集中預配模式為例進行分析。

1.1 腕臂管材選料

腕臂管在材料預定時，采用長度預估方式，即不同長度規格的材料按需預留余量進行批量預定，預配時，根據預配表格中的平、斜腕臂管長挑選合適長度的管件進行預配。此種方式進行管材選料，需要提前進行數量、長度預估，工作量大，數據繁瑣，預配中因選料，易造成大量廢棄管材，成本浪費。

1.2 數據標記

腕臂數據標記作為現場安裝、質量復核的重要依據，主要采用的是記號筆標寫方式，根據預配數據表格標注腕臂安裝的錨段、桿號、線別等參數，同時在零部件固定位置進行標注，此種方式容易造成數據缺失，書寫偏差，無法全面反映腕臂數據情況，在陰雨天氣下，容易導致數據丟失。

1.3 管件切割

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

圖1 腕臂管材人工切割

1.4 管件搬運

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行管件的人工搬運，在高強度的預配生產需求下，人工勞動強度極大，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，需要預配人員從預配表格中讀取安裝位置與零部件型號，同時根據設計的力矩大小，對應將螺栓手動緊固到相應的力矩。此過程對作業人員的安裝熟練程度、責任心要求較高，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，直接關系腕臂組裝質量。

2 創新預配方式

2.1 管材選型

開發了基于BIM技術的三維智能預配管理系統，基于BIM技術和大數據自動分析的腕臂管件最優套料算法，提出適合預配的最優管件長度組合和加工順序計劃，靈活調整加工順序，結合最優，給電氣控制系統傳達非時序化的切割加工、堆棧指令，最大程度節約腕臂原材料，實時推送參數化的腕臂預配BIM圖到各個工位，記錄工位作業的尺寸、扭矩、零部件規格數量等各種技術參數和腕臂總裝檢測工數據，成品數據上傳到管理系統，數據系統流轉如圖2所示，創新實現了智能預配工藝的數據閉環，為現場施工安裝、工程驗收等提供全壽命周期的數據流轉接口。

圖2 腕臂預配數據流轉示意圖

2.2 身份標識

采用高精度自動噴碼機，為每一根腕臂打上二維碼或條形碼標識，賦予腕臂唯一身份。采用非接觸式連續自動噴碼，能夠有效保障字跡清晰持久，噴印圖案準確，在復雜的現場環境也不會脫落。支持手機掃描身份識別，保證每一根腕臂都能夠從數據計算、安裝位置信息、出廠時間、作業人員等進行追溯查詢，如圖3所示。

圖3 腕臂身份標識條形碼

2.3 自動切割

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

2.4 抓取轉運

平、斜腕臂采用機器人搬運，機器人動作由編寫的PLC系統程序控制，在每個工序完成后，機器人將當前工位的腕臂抓取，自動傳輸到，到下一個工位，直至腕臂完成預配，機器人下線。可根據系統傳遞的腕臂尺寸，自動抓取，滿足不同腕臂生產需求，如圖4所示。機器人連接抓手對工位生產的腕臂自動抓取。重復精度±0.05mm，在保證安全、質量的情況下，提高工作生產效率。系統工位內每個工藝在PLC控制下，一步一步有序地進行，不存在誤拿誤放，減少人工勞動強度。

圖4 機器人進行腕臂管件抓取

2.5 定位上件緊固

采用翻轉伺服電機、伺服滑臺、自主研制設計的零部件工裝夾具及工作臺組成，實現接觸網腕臂承力索座、卡子、套管座等卡件的自動走行定位安裝。利用翻轉伺服電動機將工作臺轉向，伺服機翻轉使得機構可以交替生產平腕臂和斜腕臂，同時完成另一邊的上件，自動讀取數據系統中各零部件安裝位置，通過電氣控制系統控制變位機的移動，將卡件精準滑動到預配安裝位置，確保零部件的安裝精度。螺栓力矩緊固采用機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，實現不同螺栓型號、不同力矩大小自動化緊固，力矩數據同時保存記錄至數據中心，供追溯查閱。

3 性能對比

3.1 效率對比

高速鐵路腕臂創新技術與傳統預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、切割等關鍵工序實現無人工參與，消除了腕臂在預配過程中的人工作業效率低、積極性等問題，并將所有流程一體化，進行生產線作業，從作業時間來看，效率提升2倍以上，工效分析如表1所示。

表1 兩種腕臂預配時間效率分析

3.2 質量對比

高速鐵路腕臂創新技術采用工業機器人與全自動伺服電機控制系統，嚴格控制長度、零部件定位、螺栓緊固力矩等關鍵參數，執行讀取的預配參數，不存在人為因素干擾，避免人工誤差，同時將實時數據反饋至數據系統進行比較，二次保障數據精度。采用自動噴碼方式在零部件安裝位置劃線噴碼，預配完成后可進行人工質量復核。從工序、制作手段嚴格保證預配精度，人工預配精度在±5～10mm，力矩偏差在±0.5～3N·m，經實際應用證明，采用創新技術所預配腕臂，精度可達±2mm，力矩偏差小于0.1N·m，預配精度提升5倍以上。

4 結語

本文通過對鐵腕臂預配的創新技術應用得到以下結論：

（1）采用創新技術進行高速鐵路腕臂預配提高了腕臂效率，減輕了作業人員的勞動強度，節約了生產成本。

（2）采用本腕臂預配創新技術，在長度控制，力矩緊固等關鍵工序中，與傳統人工預配方式相比，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整，保證了接觸網腕臂安裝進度。

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

（4）簡潔的人機交互操作系統，清晰的語言邏輯，智能管件物料提示推送功能，實現技術人員快速上手控制，確保腕臂預配生產有效運轉。