简统化接触网腕臂智能化预配技术研究

1 绪论

1.1 研究的目标和意义

在传统高铁牵引供电工程中，部分作业岗位人员的能力因受机械化装备和工器具手段的限制，难以充分发挥，因此迫切需要提出适应时代需求的智能机械装备能力。当前，国内铁路项目在简统化接触网智能化关键技术方面存在欠缺，急需开发并整合全系列技术，为高铁牵引供电工程建设提供有力支撑[1，2，3，4]。

在新一轮科技革命和产业变革正重构全球创新版图与经济结构的大背景下，本文依托 BIM、智能机器人等先进技术手段，开展简统化接触网腕臂智能化预配技术研究。这一研究对于提升高铁牵引供电建造水平、服务国家铁路建设具有重要意义[4]。

2 国内外发展及现状

2.1 国外发展及现状

随着世界经济的快速发展，高速铁路在运输需求、运营效率、服务品质、安全水平等方面面临着更高的要求。在基础设施供给能力相对固定的前提下，如何大幅提升铁路运输组织的效率效益、优化旅客服务品质、提高铁路安全生产水平，已成为世界高速铁路发展的关键问题，而智能化则成为世界高速铁路发展的必然趋势。欧盟、日本等国家和地区相继提出了高速铁路数字化、智能化的发展战略及实施路径，并围绕智能建造的相关技术开展了一系列创新实践。

2.2 国内发展及现状

国内的京张、京雄等重要项目率先提出了智能化铁路建设的要求，并在 BIM 领域取得了突破性进展。京雄智能铁路全工程，涵盖联络线工程、动车所工程、站房工程以及大临工程，在业内首次实现全设计阶段采用 BIM 技术，包括可研、初设及施工图阶段[2，3]。这一技术的应用实现了填筑全过程的机械施工智能控制，精准达成每层横坡、纵坡的均匀变化，保证了路基分层碾压严格符合规范和设计要求，缩短了填筑施工工期，实践了“模数驱动、轴面协同”的智能高铁发展理念，创造了良好的社会经济效益[5]。

3 简统化腕臂智能化预配技术研究

3.1 研究目的及技术指标

腕臂智能化预配系统需达成的技术指标为：实现腕臂的自动化快速预配，平均工作效率达到 4min /套。装配后腕臂的技术指标包括：（1）腕臂切割范围在 1500⋅4200mm 之间；腕臂预配范围处于 1800-4000mm 。（2）紧固精度控制在 ±3% 以内。（3）对腕臂装配精度进行在线检测，确保腕臂制作精度 ⩽2mm. 。

3.2 关键技术研究

3.2.1 基于人工智能遗传算法优化的生产数据计算方法

生产数据的计算过程需对线路侧面限界等十多个数据进行分析，进而计算出平腕臂、斜腕臂、定位管的尺寸。该计算过程存在多个约束条件，为得到更优结果，需要对计算方法进行优化。根据腕臂切割尺寸、各尺寸数量、物料尺寸等约束条件，通过随机方式产生若干由确定长度编码的初始群体；借助适应度函数对每个切割方案进行评价，选择适应度值高的方案参与遗传操作，淘汰适应度低的方案；经遗传操作的个体集合形成新一代种群，直至满足停止准则；将最好的个体作为遗传算法的执行结果。

3.2.2 基于视觉引导的智能装配技术

平腕臂和斜腕臂分别装配连接件后，还需合装完成预配。若同轴度无法满足要求，机器人则无法顺利将销钉插入单耳的孔中，会导致腕臂系统装配质量不佳甚至报废。但由于腕臂具有参数定制化的特点，采用以往的工装夹具难以兼顾安装效率与精度，因此需要更为柔性的装配方法。本项目采用视觉引导技术搭建视觉辅助系统，以实现腕臂的智能精密装配。

由于机器人误差及定位夹持机构的误差，准备位与理论三孔同轴的位置必然存在一定偏差，这就需要借助视觉系统辅助装配过程，通过视觉引导机器人将三孔对位，满足销钉装配要求。

3.2.3 基于强化学习的简统化腕臂螺栓紧固控制技术

基于强化学习的简统化腕臂螺栓拧紧扭矩控制技术主要由拧紧机、状态感知器、评价信号发生器、动态更新机构以及动作选择器组成。通过状态感知器感知拧紧机的状态，再由动作选择器根据已有学习经验及感知器输出得到拧紧机最佳执行速度值；同时，动态更新机构根据状态向量以及动作评估值更新控制器的学习经验，为动作选择器进行下一次选择判断提供依据。

控制器在工作过程中，首先由状态感知器获得拧紧机的路径，并将其作为状态感知器的输入参数，利用该参数计算出能够迁移到的下一个状态；动态更新机构获得拧紧机的位置状态后，结合评价参数更新控制器的学习经验，这里的评价参数是控制器执行完一个给定的动作向量值后反馈回来的效果评估值。动作选择器的作用是利用状态感知器预测出的下一个状态值和动态更新机构的学习经验作为输入参数，同时运用动作选择策略选择出能够获得最佳执行效果的动作对，并执行该动作。当拧紧机执行完被选中动作对后，控制器要对动作的执行效果给出公平正确的评价，以指导控制器在将来的学习中确定选中的拧紧机速度的概率。

3.3 腕臂智能化预配平台

3.3.1 预配平台系统组成

腕臂智能预配平台包含 10 大系统，分别是：腕臂精益生产管理系统、数据存储和通讯系统、平台操作系统、6 轴机器人系统、管类零件供料系统、腕臂管加工系统、管夹组件装配系统、专业螺栓紧固及扭矩反馈系统、自动喷码系统、成品出料系统。

3.3.2 预配平台系统生产布局

腕臂预配平台采用空间立体式结构布局，以 U 型结构为主体，充分发挥 6 轴机器人作业灵活性高、移动速度快、作业范围大的优点，且生产能力具备广泛兼容性。按结构划分，腕臂预配平台主要由操作台、上料架、钻切喷码加工平台、智能并联装配区、装配区供料系统、成品出料区、安全防护系统等组成。腕臂智能预配平台采用模块化设计，方便设备转场和转产，大幅提高了生产效率，有效降低了维护成本。通过变更装配工装、管材料架、机器人卡具、零部件供料系统等部件，设备可实现其他腕臂产品的预配通用要求，能够快速应对腕臂技术的改进与革新，以相对较低的成本实现设备的快速升级迭代。

3.3.3 预配平台系统生产方法

平斜腕臂智能预配子平台与定位管与定位立柱智能预配子平台的生产加工方法基本一致。

1）预配工艺。平腕臂等零件的结构尺寸由专用软件根据接触网系统信息计算得出。依据结构尺寸中的长度和规格，通过数据处理平台与智能送料系统选择合适的原料，先使用圆锯将其切割为合适的长度，再用钻孔机钻孔，最后安装相关零件，从而得到平腕臂、斜腕臂、定位管、定位立柱。

2）锯切单元。锯切生产根据电脑选择的数据自动完成平腕臂和斜腕臂管料的切割和打孔工作。供料方式采用集成料架，可集中存储原料，其中平腕臂、定位管原料均为 1 种规格，斜腕臂原料有 4 种规格，定位立柱原料为 7 种规格。

3）组装单元。智能组装主要包含 4 个步骤：（1）物料的存储与搬运；（2）连接件与零件的定位与装配精度控制；（3）螺栓拧紧过程控制及精度控制；（4）零件端头和连接件位置测量。

3.3.4 设备主要优势

1）采用通用型模块化设计，实现全自动预配，可兼容其他腕臂扩展，且便于搬迁

2）软件智能排产，使用 12 米管料，提高了管材利用率，节约了原材料。

3）生成领料单，使车间能够快速进入生产状态。

4）通过立体缓存料库进行生产衔接，实现平斜腕臂成对出料。

5）平斜腕臂并行装配，生产高效；专业拧紧枪同步紧固螺栓，扭矩精准。

4 研究结论及展望

4.1 研究结论

本文通过对智能化腕臂预配平台模块化设计以及智能化腕臂预配工艺的研究，基于物料选取、多轴机器人技术研发出智能化全自动腕臂预配平台。该平台致力于实现腕臂全自动预配、管夹组件智能组装、长度在线检测、腕臂喷码等功能，同时具备输出相关检测、施工数据等功能。

4.2 展望

牵引供电系统智能建造主要以“BIM+GIS”为核心，广泛运用物联网、大数据、人工智能等新技术，形成以智能设计、智能生产、智能施工以及智能运维为主要内容的建设体系。随着相关技术的应用，牵引供电系统的建设质量与建设效率得到极大提高。随着铁路建设的快速发展以及智能建造技术的广泛普及，智能建造技术也必将迈向更高水平。

参考文献

[1]王同军。中国智能高速铁路体系架构研究及应用[J].铁道学报，2019，41（11）：9.DOI：CNKI：SUN：TDXB.0.2019-11-003.

[2]王同军。中国智能高速铁路 2.0 的内涵特征，体系架构与实施路径[J].铁路计算机应用，2022，31（7）：9.DOI：10.3969/j.issn.1005-8451.2022.07.01.

[3]王同军，叶阳升，朱宏伟，等。铁路路基工程智能建造体系及关键技术[J].中国铁路，2023.

[4]李平，邵赛，薛蕊，等。国外铁路数字化与智能化发展趋势研究[J].中国铁路，2019（2）：7.DOI：CNKI：SUN：TLZG.0.2019-02-004.

[5]李高丰，王学林，余超，等。成渝中线高速铁路智能化方案研究[J].铁路计算机应用，2022，31（7）：4.DOI：10.3969/j.issn.1005-8451.2022.07.02.

[课题项目]科技开发课题《中国标准接触网体系研究》（2023A0251214）；中国铁路济南局集团有限公司科技研究开发计划《铁路建设项目简统化接触网工程施工技术及质量验收标准研究》（2025G22）。

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作者简介]韩凌青（1979-），男，中国人，高级工程师，从事电气化铁路设计研究。