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摘要：在高速鐵路的發展過程中，接觸網支柱組立一直是建設過程中一個基礎性的關鍵環節，本文主要介紹基于視覺引導系統的機械臂自動對位技術和重載機械臂多自由度控制等關鍵技術的接觸網支柱組立智能裝備，并在京雄高鐵雄安段對支柱組立裝備樣機進行了測試，各項技術性能指標滿足技術設計要求，提高了接觸網支柱組立施工的安全和效率。

關鍵詞：高速鐵路；接觸網；支柱組立；視覺引導；多自由度控制

1研究背景

“十四五”期間國家將貫通哈爾濱至北京至香港（澳門）、連云港至烏魯木齊、上海至昆明、廣州至昆明高速鐵路通道，進一步拓展區域連接線。高速鐵路營業里程將達到3萬公里，覆蓋80%以上的大城市。針對大規模的高速鐵路建設項目，為進一步降低施工人員的體力勞動強度，提高施工效率、施工質量，提升高速鐵路接觸網系統安全可靠性，研發高鐵接觸網支柱組立智能裝備具有十分重要的現實意義。該套裝備是基于現有一體化工藝數據信息、標準化工序、工人施工技能等一系列技術要求，實現可靠精準的數據信息智能化施工控制和管理，實現建筑企業接觸網工程的全面自動機械化，打造智能高鐵建設。

2結構組成與工作原理

2.1總體設計

支柱組立裝備主要由基礎平臺、機械臂、立桿機械手、電控系統、液壓系統、管路系統等部分組成。支柱組立裝備完成立桿半自動安裝功能，在安裝環節采用自動形式，在中間移位采用半自動形式，降低對工人技術水平要求，提高現場使用效率。在立桿安裝過程中同時對用戶的基礎施工情況進行檢測和測量，并與用戶BIM管理系統進行對接，共享安裝過程數據和測量數據信息。

2.2工作原理及關建技術

該裝備的工作原理是采用雙相機視覺系統作為引導，在支柱基礎適當位置安置引導靶板，待支柱到達基礎附近，通過視覺系統完成位置標定后，自動完成支柱與地腳螺栓的位置對接，作業人員完成支柱固定。（1）基于智能測量底座的支柱斜率精準調整技術。智能測量底座由兩個基礎適配座、主機組成。其中主機用于搭載傳感器、人機交互與數據處理，是智能測量底座的核心,由密封蓋、主機底座、傳感器、顯控系統和供電系統組成。基礎適配座用于和立桿基礎螺栓孔配合，根據基礎的不同，可更換不同的基礎適配座與之適應，有三種基礎適配座可以選擇。基礎適配座通過兩個金屬銷和兩個塑料導向塊與主機連接，按下主機兩邊的解鎖按鈕即可實現基礎適配座的安裝。智能測量底座實時精準檢測、顯示支柱預裝傾斜率，通過調整打底螺母，使支柱垂直線路、順線路傾斜率達到驗標要求，縮短支柱整正作業時間，提高了施工一次性達標率。同時可實現待安裝支柱位置的坐標采集、實時傳輸，為機車聯控提供精準數據。（2）基于視覺引導系統的機械臂自動對位安裝技術。機器視覺引導系統是支柱組立裝備的導引與眼睛，在工作過程中引導作業車找到合適的安裝工位進行安裝。機器視覺引導系統采用雙工業相機作為引導，配合支柱組立裝備完成立桿的精準對位，同時視覺引導系統具有測量工程，可對預安裝的底座進行測量分析，檢查底座的施工狀態。將雙相機安裝在機械手法蘭盤處，該位置一方面在抓取立桿過程中要保證雙相機能夠看到立桿指定位置粘貼的靶標點，另一方面要保證在將抓取的立桿精確安置到預埋螺栓過程中能看到地面引導板，并能完成預埋螺栓及立桿法蘭孔的位姿標定。支柱組立智能裝備基于高精度控制作業機械臂，搭載視覺引導系統以及自動化末端執行機構，完成支柱自動抓取及精準對位，實現支柱組立自動化。（3）高精度重載機械臂多自由度控制技術。支柱組立裝備在重載條件下通過機械臂空間X、Y、Z三個方向和三個轉軸姿態的6個自由度精確調整，完成法蘭與基礎螺栓精準對位，偏差±3mm。（4）多重安全措施保障技術。整體設備充分考慮安全保護的設計，通過軟件流程空間作業限制、流程動作順序保護、平衡閥自鎖保護、電機制動自鎖保護、急停保護以及手動應急裝置以實現設備全過程的安全工作。

2.3設備操作流程

基礎檢測：當智能測量底座可以在預埋基礎的外露螺栓進行套裝時，把智能測量底座放置在預埋基礎上安裝到位，開始測量預埋基礎的偏差。當測量數據滿足施工要求時,判定預埋基礎合格,然后調整打底螺母將支柱的傾斜率調整到設計值，之后進入下一道工序。停車引導：根據智能底座傳輸的支柱位置信息和行車北斗信息，通過停車引導屏準確確定停車位置。起吊作業：這個過程可自動完成或手動完成，自動完成時需將引導標簽放置在支柱大致中心位置，立桿機械手在機器視覺的引導下抓緊支柱；手動完成時，操作人員目視立桿中心位置，進行手動抓取，抓取支柱后移動至預安裝測量位置。放置靶標、引導板：事先將靶標放到指定位置，同時將視覺引導板置于基礎附近地面任意位置。自動精準對位：在機械臂視覺引導系統檢測到靶標后，移開靶標、視覺引導板，通過視覺引導系統引導，自動完成立桿對位安裝。緊固螺母、自動復位：待支柱安裝到位后，操作人員進行支柱螺母緊固工作，待螺栓緊固后，撤走立桿抓手，完成支柱組立，進行下一個支柱組立過程。

2.4設備主要性能指標

（1）軌道車司機可接收到支柱基礎位置信息，確保停車位置誤差不超過±1000mm；（2）走行或非工作時，設備總高度不大于4.2m；（3）機械臂的工作范圍按線路中心分為半幅左180°、半幅右180°和全幅360°工作；（4）作業半徑:≥6m；（5）測量支柱傾斜率誤差控制在1‰；（6）支柱安裝過程中，視頻監控系統能滿足視頻實時傳輸至走行牽引機車駕駛室內并顯示；（7）能夠與用戶BIM管理系統可靠對接；（8）抓取最大重量：2t；（9）滿足室外-10～45℃施工條件，具有防雨雪、冰凍、防塵等多重安全防護功能。

3關鍵技術解決的問題

3.1基于視覺引導系統的機械臂自動對位技術

傳統支柱組立裝配需要吊車吊裝和多個工作人員配合對位，在安全上存在很大隱患，在時間上完全取決與工作人員的配合度；而支柱組立裝備主要依靠機械臂，手動對位對操作人員帶來極大挑戰，為了減少工作人員勞動強度、提高作業的安全性和可靠性，本項目搭載視覺引導系統及自動化末端執行機構，實現支柱組立的自動化。其中，視覺引導系統模擬人類眼睛，配備兩個機器視覺相機，將法蘭、螺柱在空間的幾何關系映射在引導板上，然后根據引導板反饋的實時信息發送給機械臂；末端執行機構通過各種傳感器（角度傳感器、拉線傳感器等）和視覺數據信息對機械臂進行精準運動控制，從而完成支柱與樁基礎的精準對位安裝功能。

3.2高精度重載機械臂多自由度控制

支柱組立裝備需要對不同類型支柱組立進行抓取和姿態調整與對位，完成支柱法蘭與水泥基礎的精準對位，最大的支柱重量為2t，對位偏差為±3mm。對不同類型的H型支柱在夾爪上設置不同卡槽，保證其在合適的卡槽位置卡緊，實現安全可靠的支柱抓取流程。在重載條件下機械臂在三維空間范圍內實現6+3自由度在可達范圍內的任意姿態調整。

3.3多重安全措施，保障設備安全工作

整體設計充分考慮設備的安全可靠性，通過軟件流程空間作業限位、流程動作順序保護、平衡閥自鎖保護、電機制動自鎖保護、急停保護、手動應急裝置及遙控器急停保護等來實現設備作業全過程的安全性。

4測試與應用

根通過在京雄高鐵雄安段對支柱組立裝備樣機進行了測試,進行了各項技術性能試驗和驗證，功能和性能滿足技術設計要求，詳見表1。經過施工現場應用驗證，接觸網支柱組立施工效率大大提高，傳統施工采用立桿吊，需6人，5分鐘/根；智能裝備僅需2人，5分鐘/根，效率等同；作業過程中不需要人工扶支柱及輔助對位，安全性優于傳統施工。施工效益可節約人工費30元/根（按照每臺班組立40根計算）。

5結語

高鐵接觸網支柱組立智能裝備，能夠適應高鐵接觸網的現場施工作業環境，能快速、精確對位，減小施工人員作業內容和作業強度，代替現有吊車對H型支柱的吊裝、施工人員手動對位的施工作業流程，同時具備操作安全簡單、調試方便及較好的可維護性。能夠實時采集安裝過程中的相關數據并存儲記錄，從而與用戶BIM管理系統進行數據對接。

作者:陳圣喜 單位:中國鐵建電氣化局集團有限公司