通信線纜自動架空裝置設計

李洲洋，祁瑞帥，劉海飛

（1.西北工業大學 機電學院，西安 710072；2.中國移動通信集團陜西有限公司，西安 710077）

0 引言

目前通信線纜架空作業主要依靠人工作業，需要登桿至高空架設通信線纜，存在危險高、作業條件差、效率低、成本高等多種問題。為解決高空作業難題，實現自動化作業，日本、美國、加拿大等相繼研制了OPGW移動巡檢機器人[1]、TRC懸臂機器人[2]、Serge巡線機器人[3]等高空作業裝置；國內肖功平等人研制了架空高壓線路巡檢小車[4～8]，劉曉明等人研制了架空高壓線路除冰機器人[9～13]等高空作業裝置。該類裝置可以實現沿高壓線路的自動巡檢、越障、除冰等功能，但無法應用于通信線纜架空作業過程。

目前，國內尚無針對通信線纜架空作業裝置的研究，通信線纜架空還是依賴人工作業。隨著信息科技和通信需求的不斷發展，傳統的人工作業方式已經難以滿足快速增長的通信線纜架空需求。因此，本文針對通信線纜自動架空技術進行研究，研制能夠實現線纜自動架空的裝置，實現自動化通信線纜架空作業，避免人工作業所帶來的高空作業風險，改善作業條件，提高施工效率，滿足快速發展的通信需求。

1 裝置總體方案設計

1.1 裝置功能需求

目前，通信線纜是通過人工架設，采用圖1所示的V型線纜掛鉤將通信線纜懸掛于鋼絞線上，作業過程包括裝鉤和前行兩個環節。裝鉤過程分為“持鉤納入線纜→扭轉懸掛掛鉤左側鉤→反向扭轉懸掛掛鉤右側鉤”3個步驟，完成當前掛鉤安裝，如圖1所示。完成當前掛鉤安裝后，工人沿鋼絞線向前滑行一定距離，安裝下一個掛鉤。

圖1 傳統人工作業裝鉤過程

傳統線纜掛鉤專為手工安裝設計，無法適應自動作業需求。為實現自動化掛鉤安裝，將傳統V型掛鉤改為雙向對拉式結構，如圖2所示。相比傳統掛鉤，新型掛鉤安裝時不需要扭轉，且左右兩側為雙股彈簧，便于自動化操作。采用新掛鉤時，裝鉤過程可分為“掛鉤左右拉開→掛鉤上移→掛鉤左右閉合→掛鉤下移”等4步，即可完成掛鉤的安裝。

圖2 采用新型掛鉤時的裝鉤過程

參考人工作業過程，采用改進的新型掛鉤，為實現通信線纜自動架空功能，線纜自動架空裝置必須要能夠實現自動喂鉤、自動裝鉤及沿鋼絞線自動前行等基本功能。

1.2 裝置的總體方案

線纜自動架空裝置可分為機械模塊和控制模塊。機械模塊是裝置最重要的主體部分，裝置各個動作的執行、各個功能的實現都需要借助機械模塊相互配合來完成，包括自動喂鉤模塊、掛鉤張拉模塊、掛鉤升降模塊、行走模塊四個基本模塊；控制模塊包括控制系統硬件和軟件兩部分。硬件部分是裝置作業的動力源，包括驅動裝置所必需的主控制器、電機驅動模塊、直流/步進電機、無線通信模塊、運動檢測模塊以及電源供給模塊等，軟件部分控制著各個機構所有動作的產生與功能的實現，包括裝鉤程序、行走程序、無線通信程序、串口通信程序等。線纜自動架空裝置的系統總體方案如圖3所示。

圖3 系統總體方案

2 機械結構設計

為實現通信線纜自動架空功能，對裝置的自動喂鉤模塊、掛鉤張拉模塊、掛鉤升降模塊、行走模塊等4個基本機械模塊進行了結構設計，以實現相應的功能。

2.1 自動喂鉤模塊結構設計

系統采用同步帶機構作為掛鉤傳送裝置，實現自動喂鉤功能，如圖4所示。線纜掛鉤安放在同步帶上的掛鉤座內。工作時，電機驅動帶輪和同步帶運動，將裝載在掛鉤座內的線纜掛鉤向前傳送。當掛鉤到達工作位置時，系統自動停止，從而實現自動喂鉤功能。

2.2 掛鉤張拉模塊結構設計

掛鉤張拉模塊由電機絲杠滑臺和剪刀夾持機構組成，如圖5所示。剪刀夾持機構由剪刀臂、連桿、螺母和絲杠電機組成。電機運動可帶動螺母沿絲杠軸線運動，從而驅動剪刀夾持機構張開、閉合。兩套剪刀夾持機構分別固連在掛鉤兩側的滑臺上。當電機驅動滑臺運動時，可以實現掛鉤兩側剪刀機構的相對收攏和拉開。

圖4 自動喂鉤模塊

圖5 掛鉤張拉模塊

2.3 升降模塊結構設計

升降模塊采用絲杠-螺母作為驅動機構，如圖6所示。在電機帶動絲杠轉動，從而驅動螺母及連接架沿絲杠軸線上下運動。為保證系統運動的平穩性，在連接架四周增加了導軌-滑塊機構，以保證連接架可沿絲杠軸線豎直運動。

圖6 升降模塊

2.4 行走模塊結構設計

行走模塊采用輪式行走機構，如圖7所示。行走輪由電機通過減速器驅動。為保證裝置的安全性，行走輪截面設計成凹形。工作時，凹形部位壓在鋼絞線上，可防止行走輪滑脫。行走輪上附有橡膠，以增大行走輪與鋼絞線之間的摩擦力，避免裝置在行走過程中出現打滑現象。

圖7 行走模塊

綜合以上4個基本機械模塊，系統的主體結構如圖8所示。

圖8 通信線纜自動架空裝置主體結構

3 通信線纜自動架空作業流程

基于本文所設計的通信線纜自動架空裝置，自動作業過程及詳細步驟如圖9所示。

首先由同步帶及掛鉤座的夾持下，將掛鉤由裝置外部左側運送到裝置中心的工作位置處，如圖9(a)所示；然后掛鉤兩側滑臺相對收攏，帶動兩側的剪刀夾持機構對準掛鉤；此后剪刀機構在螺母的驅動下作閉合運動，夾持住掛鉤兩側，如圖9(b)所示；接下來，兩側滑臺帶動剪刀機構向兩側拉開，拉開線纜掛鉤，如圖9(c)所示。在升降機構的帶動下，滑臺、剪刀機構以及被拉開的掛鉤整體向上運動，直至掛鉤上鉤處高于鋼絞線。在此過程中，通信線纜將自動納入掛鉤內部，如圖9(d)所示；下一步兩側滑臺相對收攏，隨后剪刀機構在電機的驅動下張開，釋放掛鉤，如圖9(e)所示；此后，兩側滑臺帶動剪刀機構向兩側拉開，使掛鉤張拉模塊復位，如圖9(f)所示；在升降機構的帶動下，滑臺、剪刀機構以及掛鉤整體向下運動，在掛鉤座的夾持牽引下，使掛鉤夾緊到綱絞線上，并從掛鉤座脫離，如圖9(g)所示，完成掛鉤的安裝。然后由行走輪驅動裝置沿綱絞線前行一定的距離，如圖9(h)所示，即可安裝下一個掛鉤。

圖9 線纜架空自動作業過程

4 控制系統設計方案

為實現對線纜架空裝置機械部分的驅動與運動控制，設計了線纜架空裝置控制系統，控制系統結構框圖如圖10所示。

控制系統包含控制軟件和硬件兩部分。控制軟件包括裝鉤控制程序、行走控制程序、無線通信程序、運動檢測程序等多個功能模塊。控制系統硬件包含主控制器、電機驅動模塊、直流/步進電機、無線通信模塊、運動檢測模塊以及電源供給模塊等。在控制軟件的支持下，主控制器通過無線通信模塊接收遙控終端控制指令，通過PWM脈寬調節機制控制電機驅動模塊，驅動各直流/步進電機運動，實現自動掛鉤和行走等功能。在工作過程中，主控制器通過ADC采集來自運動檢測模塊的系統狀態及位置反饋數據，實現對作業過程的實時監測。電源供給模塊采用24V鋰電池作為動力源，通過電壓轉換滿足各個模塊的供電需求。

圖10 控制系統結構框圖

5 線纜架空裝置實驗驗證

基于本文所提出的設計方案，經過零件加工、元器件選擇、控制軟件開發和組裝調試，制作了通信線纜自動架空裝置原理樣機，并先后在實驗室和施工現場完成了功能測試，分別如圖11、圖12所示。實驗表明本裝置完成了預期的設計功能，實現了通信線纜的自動架空功能。

圖11 線纜架空裝置實驗室測試

圖12 線纜架空裝置現場測試

6 結語

為解決通信線纜人工架空存在的問題，通過分析線纜架空的作業過程和功能需求，設計了適合自動化操作的新型掛鉤，基于新型掛鉤，對通信線纜自動架空裝置的結構設計、作業流程、控制系統等關鍵技術進行了深入地研究，制作了通信線纜自動架空裝置原理樣機，并完成了相關的功能測試，實現了通信線纜的自動架空功能。