通信线缆自动架空装置设计

李洲洋，祁瑞帅，刘海飞

（1.西北工业大学 机电学院，西安 710072；2.中国移动通信集团陕西有限公司，西安 710077）

0 引言

目前通信线缆架空作业主要依靠人工作业，需要登杆至高空架设通信线缆，存在危险高、作业条件差、效率低、成本高等多种问题。为解决高空作业难题，实现自动化作业，日本、美国、加拿大等相继研制了OPGW移动巡检机器人[1]、TRC悬臂机器人[2]、Serge巡线机器人[3]等高空作业装置；国内肖功平等人研制了架空高压线路巡检小车[4～8]，刘晓明等人研制了架空高压线路除冰机器人[9～13]等高空作业装置。该类装置可以实现沿高压线路的自动巡检、越障、除冰等功能，但无法应用于通信线缆架空作业过程。

目前，国内尚无针对通信线缆架空作业装置的研究，通信线缆架空还是依赖人工作业。随着信息科技和通信需求的不断发展，传统的人工作业方式已经难以满足快速增长的通信线缆架空需求。因此，本文针对通信线缆自动架空技术进行研究，研制能够实现线缆自动架空的装置，实现自动化通信线缆架空作业，避免人工作业所带来的高空作业风险，改善作业条件，提高施工效率，满足快速发展的通信需求。

1 装置总体方案设计

1.1 装置功能需求

目前，通信线缆是通过人工架设，采用图1所示的V型线缆挂钩将通信线缆悬挂于钢绞线上，作业过程包括装钩和前行两个环节。装钩过程分为“持钩纳入线缆→扭转悬挂挂钩左侧钩→反向扭转悬挂挂钩右侧钩”3个步骤，完成当前挂钩安装，如图1所示。完成当前挂钩安装后，工人沿钢绞线向前滑行一定距离，安装下一个挂钩。

图1 传统人工作业装钩过程

传统线缆挂钩专为手工安装设计，无法适应自动作业需求。为实现自动化挂钩安装，将传统V型挂钩改为双向对拉式结构，如图2所示。相比传统挂钩，新型挂钩安装时不需要扭转，且左右两侧为双股弹簧，便于自动化操作。采用新挂钩时，装钩过程可分为“挂钩左右拉开→挂钩上移→挂钩左右闭合→挂钩下移”等4步，即可完成挂钩的安装。

图2 采用新型挂钩时的装钩过程

参考人工作业过程，采用改进的新型挂钩，为实现通信线缆自动架空功能，线缆自动架空装置必须要能够实现自动喂钩、自动装钩及沿钢绞线自动前行等基本功能。

1.2 装置的总体方案

线缆自动架空装置可分为机械模块和控制模块。机械模块是装置最重要的主体部分，装置各个动作的执行、各个功能的实现都需要借助机械模块相互配合来完成，包括自动喂钩模块、挂钩张拉模块、挂钩升降模块、行走模块四个基本模块；控制模块包括控制系统硬件和软件两部分。硬件部分是装置作业的动力源，包括驱动装置所必需的主控制器、电机驱动模块、直流/步进电机、无线通信模块、运动检测模块以及电源供给模块等，软件部分控制着各个机构所有动作的产生与功能的实现，包括装钩程序、行走程序、无线通信程序、串口通信程序等。线缆自动架空装置的系统总体方案如图3所示。

图3 系统总体方案

2 机械结构设计

为实现通信线缆自动架空功能，对装置的自动喂钩模块、挂钩张拉模块、挂钩升降模块、行走模块等4个基本机械模块进行了结构设计，以实现相应的功能。

2.1 自动喂钩模块结构设计

系统采用同步带机构作为挂钩传送装置，实现自动喂钩功能，如图4所示。线缆挂钩安放在同步带上的挂钩座内。工作时，电机驱动带轮和同步带运动，将装载在挂钩座内的线缆挂钩向前传送。当挂钩到达工作位置时，系统自动停止，从而实现自动喂钩功能。

2.2 挂钩张拉模块结构设计

挂钩张拉模块由电机丝杠滑台和剪刀夹持机构组成，如图5所示。剪刀夹持机构由剪刀臂、连杆、螺母和丝杠电机组成。电机运动可带动螺母沿丝杠轴线运动，从而驱动剪刀夹持机构张开、闭合。两套剪刀夹持机构分别固连在挂钩两侧的滑台上。当电机驱动滑台运动时，可以实现挂钩两侧剪刀机构的相对收拢和拉开。

图4 自动喂钩模块

图5 挂钩张拉模块

2.3 升降模块结构设计

升降模块采用丝杠-螺母作为驱动机构，如图6所示。在电机带动丝杠转动，从而驱动螺母及连接架沿丝杠轴线上下运动。为保证系统运动的平稳性，在连接架四周增加了导轨-滑块机构，以保证连接架可沿丝杠轴线竖直运动。

图6 升降模块

2.4 行走模块结构设计

行走模块采用轮式行走机构，如图7所示。行走轮由电机通过减速器驱动。为保证装置的安全性，行走轮截面设计成凹形。工作时，凹形部位压在钢绞线上，可防止行走轮滑脱。行走轮上附有橡胶，以增大行走轮与钢绞线之间的摩擦力，避免装置在行走过程中出现打滑现象。

图7 行走模块

综合以上4个基本机械模块，系统的主体结构如图8所示。

图8 通信线缆自动架空装置主体结构

3 通信线缆自动架空作业流程

基于本文所设计的通信线缆自动架空装置，自动作业过程及详细步骤如图9所示。

首先由同步带及挂钩座的夹持下，将挂钩由装置外部左侧运送到装置中心的工作位置处，如图9(a)所示；然后挂钩两侧滑台相对收拢，带动两侧的剪刀夹持机构对准挂钩；此后剪刀机构在螺母的驱动下作闭合运动，夹持住挂钩两侧，如图9(b)所示；接下来，两侧滑台带动剪刀机构向两侧拉开，拉开线缆挂钩，如图9(c)所示。在升降机构的带动下，滑台、剪刀机构以及被拉开的挂钩整体向上运动，直至挂钩上钩处高于钢绞线。在此过程中，通信线缆将自动纳入挂钩内部，如图9(d)所示；下一步两侧滑台相对收拢，随后剪刀机构在电机的驱动下张开，释放挂钩，如图9(e)所示；此后，两侧滑台带动剪刀机构向两侧拉开，使挂钩张拉模块复位，如图9(f)所示；在升降机构的带动下，滑台、剪刀机构以及挂钩整体向下运动，在挂钩座的夹持牵引下，使挂钩夹紧到纲绞线上，并从挂钩座脱离，如图9(g)所示，完成挂钩的安装。然后由行走轮驱动装置沿纲绞线前行一定的距离，如图9(h)所示，即可安装下一个挂钩。

图9 线缆架空自动作业过程

4 控制系统设计方案

为实现对线缆架空装置机械部分的驱动与运动控制，设计了线缆架空装置控制系统，控制系统结构框图如图10所示。

控制系统包含控制软件和硬件两部分。控制软件包括装钩控制程序、行走控制程序、无线通信程序、运动检测程序等多个功能模块。控制系统硬件包含主控制器、电机驱动模块、直流/步进电机、无线通信模块、运动检测模块以及电源供给模块等。在控制软件的支持下，主控制器通过无线通信模块接收遥控终端控制指令，通过PWM脉宽调节机制控制电机驱动模块，驱动各直流/步进电机运动，实现自动挂钩和行走等功能。在工作过程中，主控制器通过ADC采集来自运动检测模块的系统状态及位置反馈数据，实现对作业过程的实时监测。电源供给模块采用24V锂电池作为动力源，通过电压转换满足各个模块的供电需求。

图10 控制系统结构框图

5 线缆架空装置实验验证

基于本文所提出的设计方案，经过零件加工、元器件选择、控制软件开发和组装调试，制作了通信线缆自动架空装置原理样机，并先后在实验室和施工现场完成了功能测试，分别如图11、图12所示。实验表明本装置完成了预期的设计功能，实现了通信线缆的自动架空功能。

图11 线缆架空装置实验室测试

图12 线缆架空装置现场测试

6 结语

为解决通信线缆人工架空存在的问题，通过分析线缆架空的作业过程和功能需求，设计了适合自动化操作的新型挂钩，基于新型挂钩，对通信线缆自动架空装置的结构设计、作业流程、控制系统等关键技术进行了深入地研究，制作了通信线缆自动架空装置原理样机，并完成了相关的功能测试，实现了通信线缆的自动架空功能。