高速铁路腕臂预配技术创新应用分析

蒋海

（中铁十一局集团电务工程有限公司，湖北 武汉 430074）

接触网施工作为电气化铁路施工的重要组成部门，其施工安全、工艺、质量影响着铁路全线工程质量和施工效率，在整个施工过程中发挥着重要作用。接触网施工工序中，接触网腕臂预配是工程质量重要控制之一，其预配工作量大，形式多样，种类复杂，组装精度要求高，常规的制作工艺质量不容易控制，接触网腕臂的预配、组装，传统施工一般在施工现场进行预配，各项数据参数难以统一，预配效率低下，严重影响接触网施工效率。

因此，迫切需要设计一种全自动化的腕臂预配系统。基于上述需求，采用工业机器人的腕臂智能化预配车间，结合自动喷码、切割、机器人转运、螺栓力矩紧固、上件等自动化功能，代替人工作业，实现了有效控制接触网腕臂的预配精度，提升腕臂预配效率和成品质量管控。

1 传统预配方式

传统的接触网腕臂预配方式一般采用现场装配或采用工厂内人工集预配两种模式。现场装配模式一般根据测量计算结果，采用人工切割、紧固的方式进行装配，存在大量的缺陷，如精度不易控制、力矩偏差大、容易损伤铝合金管件及零部件，存在安全风险等问题。此类腕臂预配方式在高铁建设过程中已被淘汰，常见于普速铁路施工过程中。本文以工厂集中预配模式为例进行分析。

1.1 腕臂管材选料

腕臂管在材料预定时，采用长度预估方式，即不同长度规格的材料按需预留余量进行批量预定，预配时，根据预配表格中的平、斜腕臂管长挑选合适长度的管件进行预配。此种方式进行管材选料，需要提前进行数量、长度预估，工作量大，数据繁琐，预配中因选料，易造成大量废弃管材，成本浪费。

1.2 数据标记

腕臂数据标记作为现场安装、质量复核的重要依据，主要采用的是记号笔标写方式，根据预配数据表格标注腕臂安装的锚段、杆号、线别等参数，同时在零部件固定位置进行标注，此种方式容易造成数据缺失，书写偏差，无法全面反映腕臂数据情况，在阴雨天气下，容易导致数据丢失。

1.3 管件切割

腕臂管件原材料一般为定长材料，需要根据预配数据，进行不同长度的切割。采用人工拉卷尺测量长度，标记切割长度后，操作切割机进行切割。此类方式进行管件长度测量切割，由于人工读数，存在较大的长度误差，难以保证腕臂管件的长度精度，同时由于人工进行管件的切割操作，存在极大的安全风险隐患，如图1所示。

图1 腕臂管材人工切割

1.4 管件搬运

腕臂管件零部件安装完成后，一般重30kg左右，从切割、零部件安装、拼接、存放过程中均需要进行管件的人工搬运，在高强度的预配生产需求下，人工劳动强度极大，同时加大了劳动成本的投入。

1.5 零部件上件及紧固

腕臂管上的零部件有4～6种不同形式，每个零部件在不同腕臂上，安装位置也是各不相同，需要预配人员从预配表格中读取安装位置与零部件型号，同时根据设计的力矩大小，对应将螺栓手动紧固到相应的力矩。此过程对作业人员的安装熟练程度、责任心要求较高，存在安装精度偏差、螺栓力矩紧固不到位、零部件位置偏差等问题，直接关系腕臂组装质量。

2 创新预配方式

2.1 管材选型

开发了基于BIM技术的三维智能预配管理系统，基于BIM技术和大数据自动分析的腕臂管件最优套料算法，提出适合预配的最优管件长度组合和加工顺序计划，灵活调整加工顺序，结合最优，给电气控制系统传达非时序化的切割加工、堆栈指令，最大程度节约腕臂原材料，实时推送参数化的腕臂预配BIM图到各个工位，记录工位作业的尺寸、扭矩、零部件规格数量等各种技术参数和腕臂总装检测工数据，成品数据上传到管理系统，数据系统流转如图2所示，创新实现了智能预配工艺的数据闭环，为现场施工安装、工程验收等提供全寿命周期的数据流转接口。

图2 腕臂预配数据流转示意图

2.2 身份标识

采用高精度自动喷码机，为每一根腕臂打上二维码或条形码标识，赋予腕臂唯一身份。采用非接触式连续自动喷码，能够有效保障字迹清晰持久，喷印图案准确，在复杂的现场环境也不会脱落。支持手机扫描身份识别，保证每一根腕臂都能够从数据计算、安装位置信息、出厂时间、作业人员等进行追溯查询，如图3所示。

图3 腕臂身份标识条形码

2.3 自动切割

采用快速金刚石切割机，通过伺服电机与机器人位置控制，实现全自动的腕臂管件切割，同时设置废料回收框。当管件切割完毕，并被机器人抓起时，切割伺服启动到放件位置，此类方法进行腕臂管件切割，可大大提升切割效率，全过程无人工参与，确保作业人员安全，消除风险，同时切割面光滑平顺，不存在斜面或长度误差。

2.4 抓取转运

平、斜腕臂采用机器人搬运，机器人动作由编写的PLC系统程序控制，在每个工序完成后，机器人将当前工位的腕臂抓取，自动传输到，到下一个工位，直至腕臂完成预配，机器人下线。可根据系统传递的腕臂尺寸，自动抓取，满足不同腕臂生产需求，如图4所示。机器人连接抓手对工位生产的腕臂自动抓取。重复精度±0.05mm，在保证安全、质量的情况下，提高工作生产效率。系统工位内每个工艺在PLC控制下，一步一步有序地进行，不存在误拿误放，减少人工劳动强度。

图4 机器人进行腕臂管件抓取

2.5 定位上件紧固

采用翻转伺服电机、伺服滑台、自主研制设计的零部件工装夹具及工作台组成，实现接触网腕臂承力索座、卡子、套管座等卡件的自动走行定位安装。利用翻转伺服电动机将工作台转向，伺服机翻转使得机构可以交替生产平腕臂和斜腕臂，同时完成另一边的上件，自动读取数据系统中各零部件安装位置，通过电气控制系统控制变位机的移动，将卡件精准滑动到预配安装位置，确保零部件的安装精度。螺栓力矩紧固采用机器人配置全自动螺栓紧固枪，由于腕臂零部件螺母型号不一，机器人的拧紧枪批头采用自动更换方式，保证腕臂螺栓力矩精度满足要求，通过电子信息信号，实现不同螺栓型号、不同力矩大小自动化紧固，力矩数据同时保存记录至数据中心，供追溯查阅。

3 性能对比

3.1 效率对比

高速铁路腕臂创新技术与传统预配方式一个最大的不同之处在于，腕臂管件的精度控制、力矩大小、安装、切割等关键工序实现无人工参与，消除了腕臂在预配过程中的人工作业效率低、积极性等问题，并将所有流程一体化，进行生产线作业，从作业时间来看，效率提升2倍以上，工效分析如表1所示。

表1 两种腕臂预配时间效率分析

3.2 质量对比

高速铁路腕臂创新技术采用工业机器人与全自动伺服电机控制系统，严格控制长度、零部件定位、螺栓紧固力矩等关键参数，执行读取的预配参数，不存在人为因素干扰，避免人工误差，同时将实时数据反馈至数据系统进行比较，二次保障数据精度。采用自动喷码方式在零部件安装位置划线喷码，预配完成后可进行人工质量复核。从工序、制作手段严格保证预配精度，人工预配精度在±5～10mm，力矩偏差在±0.5～3N·m，经实际应用证明，采用创新技术所预配腕臂，精度可达±2mm，力矩偏差小于0.1N·m，预配精度提升5倍以上。

4 结语

本文通过对铁腕臂预配的创新技术应用得到以下结论：

（1）采用创新技术进行高速铁路腕臂预配提高了腕臂效率，减轻了作业人员的劳动强度，节约了生产成本。

（2）采用本腕臂预配创新技术，在长度控制，力矩紧固等关键工序中，与传统人工预配方式相比，杜绝了人为误差，提升了装配精度，有效避免了腕臂在安装之后的二次调整，保证了接触网腕臂安装进度。

（3）本技术不仅满足高铁接触网铝合金腕臂预配，还适用于城际铁路、城市轨道钢腕臂预配，更换方式简单，适用范围广。

（4）简洁的人机交互操作系统，清晰的语言逻辑，智能管件物料提示推送功能，实现技术人员快速上手控制，确保腕臂预配生产有效运转。