軸承前蓋、后擋智能測量選配系統(tǒng)的研制

秦春林，孫寶民，尹建鋒

（1.神華鐵路貨車運(yùn)輸有限責(zé)任公司包頭車輛維修分公司，內(nèi)蒙古包頭 014060；2.鄭州華天機(jī)電裝備有限公司，河南鄭州 450001）

0 引言

輪軸是鐵路車輛中的重要互換部件之一，其技術(shù)狀態(tài)直接影響鐵路車輛的運(yùn)行安全和速度。軸承、軸承附件與輪對的選配壓裝，其技術(shù)狀態(tài)直接影響車輛的運(yùn)行安全。軸承與輪對軸徑的選配壓裝一直被作為保障安全的關(guān)鍵指標(biāo)，所以歷來受到重視，軸承選配壓裝的各種自動化設(shè)備發(fā)展比較快，目前已比較齊全，自動化程度高。但是軸承附件一直以來都沒有得到足夠的重視，然而軸承附件的選配壓裝也至關(guān)重要，后擋選配不合適，壓裝產(chǎn)生裂紋、斷裂同樣影響鐵路車輛的運(yùn)行安全，但是目前還沒有一套自動系統(tǒng)能夠完成軸承附件檢修的所有工序，以及選配工作。

本文闡述研制一套系統(tǒng)完成軸承前蓋和后擋的檢修選配工作，根據(jù)《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》（鐵總運(yùn)[2016]191號）及其相關(guān)文件規(guī)定的檢修項(xiàng)目及選配原則，設(shè)計(jì)軸承前蓋、后擋智能測量選配系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對貨車60 t，70 t軸承前蓋、后擋，進(jìn)行自動清洗、烘干、測量、智能分類并按規(guī)格公差存放（不合格品直接放入廢料箱）和計(jì)算機(jī)自動化管理的智能系統(tǒng)。

1 預(yù)期目標(biāo)

（1）設(shè)計(jì)完成一套適用于鐵路貨車輪軸檢修的軸承前蓋、后擋輸送、清洗、烘干、測量、選配、存放系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對軸承前蓋、后擋檢修的流水線作業(yè)。

（2）清洗、烘干、測量裝置技術(shù)滿足工藝要求，均達(dá)到行業(yè)較高水平。

（3）系統(tǒng)作業(yè)節(jié)拍≥1.6件/min。

（4）系統(tǒng)大修周期達(dá)到5 a，系統(tǒng)整體使用壽命≥10 a。

（5）軸承前蓋、后擋清洗、烘干、智能測量選配系統(tǒng)的設(shè)備日常檢查標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備檢修標(biāo)準(zhǔn)。

2 系統(tǒng)工藝過程及布局（圖1）

圖1 工藝流程

3 系統(tǒng)主要組成及主要參數(shù)

（1）系統(tǒng)的主要組成。輸送線、清洗室、烘干室前、后擋測量機(jī)、蓋測量機(jī)、上下料機(jī)械手、機(jī)器人智能選配及存儲、存儲庫、工控機(jī)、電控柜、氣路系統(tǒng)和工作軟件。

（2）系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)。系統(tǒng)總功率：＜75 kW；電源：AC 380 V/220 V±10%，50 Hz，三相五線制，保護(hù)接地；氣源種類：壓縮空氣（經(jīng)過凈化）；氣源壓力（0.35～0.7）MPa；工作壓力 0.4 MPa；生產(chǎn)能力：一班（7 h）檢修60輛車的前蓋、后擋；生產(chǎn)形式：雙工位；系統(tǒng)作業(yè)節(jié)拍≥1.6件/min，系統(tǒng)運(yùn)行方式：連續(xù)/間歇；系統(tǒng)運(yùn)行控制方式：手動/自動；系統(tǒng)運(yùn)行速度：可調(diào)。

4 主要部件的組成和主要技術(shù)參數(shù)

4.1 輸送線

（1）主要組成。減速機(jī)驅(qū)動裝置總成、頭部傳動總成、鏈條總成、尾部張緊裝置總成、結(jié)構(gòu)鋼支撐架總成、網(wǎng)狀托物架、電器控制總成和安全保護(hù)裝置等幾大部件構(gòu)成。

（2）輸送線的主要技術(shù)參數(shù)。①輸送線形式：傳送帶（不銹鋼網(wǎng)鏈）結(jié)構(gòu)；立體循環(huán)形式；②驅(qū)動形式：電機(jī)驅(qū)動；③調(diào)速方式：變頻調(diào)速（無極調(diào)速）；④運(yùn)行方式：連續(xù)和間歇式（可切換）；通過式流水作業(yè)；⑤運(yùn)行速度：（0.1～6）m/min（可調(diào)）；⑥傳送帶承載能力：≤250 kg/m2；⑦輸送線長 10 000 mm、寬（500～550）mm、高700 mm；⑧工作溫度：（-20～60）℃；⑨工作噪聲：≤50 dB。

（3）輸送線功能。該輸送線承擔(dān)軸承前蓋、后擋進(jìn)行清洗、烘干、測量作業(yè)工序的銜接和輸送物料的功能，輸送線根據(jù)軸承前蓋、后擋外形尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙排雙工位（一排放置前蓋、一排放置后擋），輸送線材料選用不銹鋼，設(shè)計(jì)高度符合現(xiàn)場人工作業(yè)易上料操作，輸送線長度根據(jù)現(xiàn)場位置、工作節(jié)拍及作業(yè)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳輸速度及存放工位數(shù)量根據(jù)清洗、烘干及測量節(jié)拍合理配置，輸送速度范圍內(nèi)可調(diào)，輸送線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、故障率低，易于后期保養(yǎng)和維修。

（4）工藝過程。人工上料時(shí)采用連續(xù)模式，當(dāng)清洗機(jī)前的所有工位放滿后，輸送線自動進(jìn)入間歇模式，此時(shí)系統(tǒng)開始進(jìn)入清洗、烘干、測量等工作狀態(tài)；當(dāng)最后一組工件被運(yùn)至測量機(jī)工位時(shí)，輸送線重新轉(zhuǎn)入連續(xù)模式，如若有人工上料，則輸送線繼續(xù)運(yùn)行，否則輸送線停止工作。

4.2 清洗、烘干機(jī)

軸承前蓋和后擋清洗、烘干機(jī)是按照鐵總運(yùn)[2016]191號文件規(guī)定的清洗、烘干標(biāo)準(zhǔn)，對貨車軸承前蓋和后擋進(jìn)行自動清洗、烘干的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于清洗工件表面的鐵屑、油污、廢塵等；吹干后工件表面無滴油、磕碰傷等現(xiàn)象。

清洗效率高，清洗后配件表面無殘留污漬，效果符合現(xiàn)場檢修要求，清洗機(jī)整體材料采用不銹鋼，設(shè)計(jì)污水槽、清水槽、過濾裝置及高壓水泵裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，布局緊湊，換水作業(yè)方便。

烘干裝置用于清洗完成后的烘干作業(yè)，烘干后配件徹底干燥，符合現(xiàn)場測量要求。清洗、烘干裝置的工藝節(jié)拍與測量機(jī)構(gòu)配合設(shè)計(jì)，保證流水線作業(yè)流暢。

（1）主要組成。該設(shè)備有2個(gè)噴淋清洗室、1個(gè)風(fēng)干室、1個(gè)熱風(fēng)烘干室，共4個(gè)工位。

（2）主要性能。①設(shè)備用途：滿足軸承前蓋、后檔清洗和烘干的要求；②適應(yīng)范圍：新造、檢修60 t，70 t貨車軸承前蓋和后擋；③清洗方式：前蓋、后擋成套，工件同時(shí)進(jìn)行高壓噴淋清洗。④清洗效果：用于清洗工件表面的鐵屑、油污和廢塵等。⑤烘干方式：循環(huán)熱風(fēng)加常溫壓縮空氣風(fēng)刀。⑥吹干效果：吹干后工件表面無滴油、磕碰傷等現(xiàn)象。⑦工藝流程：人工上料→在線輸送→噴淋粗清洗→噴淋精清洗→風(fēng)泵吹干→熱風(fēng)烘干→過渡→風(fēng)泵吹勻、降溫→測量工位。

（3）設(shè)備技術(shù)參數(shù)。清洗工件：前蓋、后檔；清洗能力（產(chǎn)量）：日工作量滿足49臺車；生產(chǎn)節(jié)拍：≥1.6件/min；零件通過最大高度：250 mm；設(shè)備工作時(shí)間：7 h/d；

清洗液：水劑、清洗劑、防銹劑；作業(yè)方式：流水線作業(yè)，通過式，風(fēng)源壓強(qiáng)（0.4～0.6）MPa；工作噪聲≤50 dB；污染環(huán)境：無；工作速度 0.5 m/min；線速度（0.1～5）m/min可調(diào)（變頻調(diào)速）；噴淋段水壓（0.5～6）MPa，流量 10 m3/h，電機(jī)功率 4 kW；加熱功率45 kW/380 V（交流）；設(shè)備總功率：約65 kW；加熱功率：45 kW/380 V（交流）；總重量：約 3 t；電源電壓 AC 380 V/220 V±10%，50 Hz，三相五線制，保護(hù)接地；控制方式：手動和自動可切換；指示方式：溫度指示，噴淋槽溫度顯示；過載保護(hù)：電機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)過載；溫度異常；急停保護(hù)。液位報(bào)警：液位控制欠液報(bào)警指示。

4.3 前蓋測量機(jī)

該設(shè)備可提高軸承前蓋檢測的精度、選配可靠性、穩(wěn)定性及可追溯性；配合鐵路車輛計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)，為保障鐵路車輛的運(yùn)行安全，提供了快捷、準(zhǔn)確、可靠的手段；可與HMIS聯(lián)網(wǎng)，并可與上下位機(jī)聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)共享。

（1）主要組成部分。機(jī)架總成、測量部及定位機(jī)構(gòu)、上料機(jī)構(gòu)、下料機(jī)構(gòu)、氣路系統(tǒng)、電控部、工控機(jī)、故障診斷系統(tǒng)和工作軟件。

（2）各部分功能介紹。機(jī)架總成：測量部基礎(chǔ)、設(shè)備的基礎(chǔ)與框架；定位機(jī)構(gòu)及測量部：對前蓋進(jìn)行定位并對軸頸配合面直徑和臺階高度進(jìn)行測量；上料機(jī)構(gòu)：將前蓋從輸送線上，運(yùn)至測量位置，完成前蓋的自動上料；下料機(jī)構(gòu)：對測量完成的前蓋下料；工控機(jī)：完成測量全過程的控制及測量數(shù)據(jù)的處理、貯存、打印輸出；電、氣控制部：設(shè)備電源、電氣控制；氣源及氣動控制；氣路系統(tǒng)：支持測量部動作；故障自診斷系統(tǒng)：在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警，自動停機(jī)。

（3）主要性能。主要功能：實(shí)現(xiàn)自動上、下料及前蓋尺寸的自動檢測，判定是否合格；

測量項(xiàng)目：軸頸配合面直徑，軸頸配合面臺階高度；適應(yīng)范圍：新造、檢修貨車60 t，70 t軸承前蓋；測量機(jī)采用開放式數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)采用Windows2000以上版本（以方便和其他子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)共享）；測量具體位置及標(biāo)準(zhǔn)：測量的具體位置和標(biāo)準(zhǔn)按相關(guān)規(guī)定執(zhí)行；附屬配置：測量裝置配備有自動上、下料裝置，能夠自動完成測量機(jī)的上、下料工作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)的自動化。

（4）主要技術(shù)參數(shù)。節(jié)拍時(shí)間＜1 min（上、下料、測量）；電源AC 380 V/220 V±10%，50 Hz，三相五線制，保護(hù)接地；額定電流2 A/AC 380 V，3 A/AC 220 V；功率消耗＜2 kW；氣源種類：壓縮空氣（經(jīng)過凈化）；氣源壓力（0.35～0.7）MPa；工作壓力 0.35 MPa；測量精度：檢測重復(fù)精度0.01 mm；測量精度±0.01 mm；分辨率0.001 mm；測量方式：相對測量原理接觸式測量方式。

（5）系統(tǒng)工作原理。系統(tǒng)基本工作原理如圖2所示，測量工藝過程：輸送線輸送前蓋至測量機(jī)上料工位→上料機(jī)械手把前蓋抓放至測量位→各測量單元進(jìn)入測量位→各測量單元進(jìn)行測量取值→測量結(jié)束各測量單元復(fù)位→保存測量數(shù)據(jù)并分析測量結(jié)果→下料機(jī)械手下料。

（6）參數(shù)的測量方法。本測量系統(tǒng)采用的是相對測量原理，采用接觸式測量方式。全部測量及動作過程均由計(jì)算機(jī)自動控制，自動完成。

4.4 后擋測量機(jī)

圖2 系統(tǒng)基本工作原理

該系統(tǒng)可提高軸承后擋檢測的精度、選配可靠性、穩(wěn)定性及可追溯性；配合鐵路車輛計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)，為保障鐵路車輛的運(yùn)行安全，提供了快捷、準(zhǔn)確、可靠的手段；可與HMIS聯(lián)網(wǎng)，并可與上下位機(jī)聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)共享。

（1）主要組成部分。機(jī)架總成、測量部1、定位機(jī)構(gòu)及測量部2、上料機(jī)構(gòu)、下料機(jī)構(gòu)、氣路系統(tǒng)、電控部、工控機(jī)、故障診斷系統(tǒng)和工作軟件。

（2）各部分功能介紹。機(jī)架總成：測量部基礎(chǔ)、設(shè)備的基礎(chǔ)與框架；測量部1：對密封座配合面及臺階高度等部分進(jìn)行測量；定位機(jī)構(gòu)及測量部2：對后擋進(jìn)行定位并對防塵板座配合面直徑進(jìn)行測量；上料機(jī)構(gòu)：將后擋從輸送線上，運(yùn)至測量位置，完成后擋的自動上料；下料機(jī)構(gòu)：對測量完成的后擋下料；工控機(jī)：完成測量全過程的控制及測量數(shù)據(jù)的處理、貯存、打印輸出。電、氣控制部：設(shè)備電源、電氣控制；氣源及氣動控制；氣路系統(tǒng)：支持測量部動作；故障自診斷系統(tǒng)：在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警，自動停機(jī)；

（3）主要性能。主要功能：實(shí)現(xiàn)自動上、下料及后擋尺寸的檢測，判定是否合格；測量項(xiàng)目：防塵板座配合面直徑，密封座配合面直徑，端面高度、槽深度，后擋翹曲度；適應(yīng)范圍：新造、檢修貨車60 t，70 t軸承后擋；測量機(jī)采用開放式數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)采用Windows2000以上版本（以方便和其他子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)共享）；測量具體位置及標(biāo)準(zhǔn)：測量的具體位置和標(biāo)準(zhǔn)按相關(guān)規(guī)定執(zhí)行；附屬配置：測量裝置配備有自動上、下料裝置，能夠自動完成測量機(jī)的上、下料工作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)的自動化；

（4）主要技術(shù)參數(shù)。節(jié)拍時(shí)間：＜1 min（上、下料、測量）；電源電壓：AC 380 V/220 V±10%，50 Hz，三相五線制，保護(hù)接地；額定電流：2 A/AC 380 V，3 A/AC 220 V；功率消耗＜2 kW；氣源種類：壓縮空氣（經(jīng)過凈化）；氣源壓力（0.35～0.7）MPa；工作壓力 0.35 MPa；測量精度：檢測重復(fù)精度0.01 mm；測量精度±0.01 mm；分辨率：0.001 mm；測量方式：相對測量原理接觸式測量方式。

（5）系統(tǒng)工作原理。系統(tǒng)基本工作原理如圖3所示，測量工藝過程：輸送線輸送后擋至測量機(jī)上料工位→上料機(jī)械手把后擋抓取放至測量位→定位機(jī)構(gòu)對后擋進(jìn)行夾緊定位→測量裝部1下降到位→測量部1，2各測量單元同時(shí)對后擋測量取值→測量結(jié)束各測量單元復(fù)位→保存測量數(shù)據(jù)并分析測量結(jié)果→下料機(jī)構(gòu)下料。

圖3 系統(tǒng)基本工作原理

（6）參數(shù)的測量方法。本測量系統(tǒng)采用的是相對測量原理，采用接觸式測量。全部測量及動作過程均由計(jì)算機(jī)自動控制，自動完成。

4.5 機(jī)器人智能分類存儲系統(tǒng)

分類存儲系統(tǒng)用于軸承前蓋、后擋的智能分類，免去人工選配工作，為后續(xù)軸承壓裝工位服務(wù)。軸承前蓋、后擋尺寸經(jīng)測量機(jī)檢測完成后，測量機(jī)自動判別合格與否并判定品種和降級規(guī)格，由機(jī)器人接受測量機(jī)傳輸?shù)那吧w、后檔數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，不合格品放置于不合格品區(qū)域，同時(shí)對合格的后擋要實(shí)現(xiàn)按公差帶范圍和類別分別存放在各自的運(yùn)料小車上，10個(gè)為一份，每輛小車可存放8份，計(jì)80件工件。測量機(jī)測量結(jié)果并與現(xiàn)有HMIS系統(tǒng)資源共享、與現(xiàn)有軸承壓裝機(jī)實(shí)現(xiàn)軸承前蓋、后擋的智能分類功能。

（1）機(jī)器人主要功能。對測量機(jī)傳輸來的前蓋、后擋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和執(zhí)行，根據(jù)前、后擋選配原則進(jìn)行分類存放，實(shí)現(xiàn)從檢測工位拿取工件、旋轉(zhuǎn)、移動將合格品放置在指定的位置。

（2）機(jī)器人技術(shù)參數(shù)。軸數(shù)：3軸；重復(fù)定位進(jìn)度±0.1 mm；腕部連接法蘭：ISO 9409-1-A100；抓取重量8 kg；防護(hù)等級：IP65/IP67；運(yùn)動范圍1300 mm（最大前后跨度）；電源頻率（50～60）Hz（±2 Hz）；電器容量 12 kV·A；工作環(huán)境溫度（+5～+45）℃；環(huán)境溫升要求1.5℃/min。

（3）完成一個(gè)工件單個(gè)循環(huán)節(jié)拍20.5 s。

（4）機(jī)器人自動化分類方案。設(shè)備通信：工件檢測機(jī)跟機(jī)器人交互作業(yè)時(shí)，工件檢測機(jī)提供呼叫、完成兩組信號；工件檢測機(jī)檢測完畢呼叫機(jī)器人抓取零件，以及機(jī)器人抓取完成退到安全區(qū)后給工件檢測機(jī)完成信號；工件類型、選配相關(guān)數(shù)據(jù)由檢測機(jī)判斷比較完成，機(jī)器人只接收，分類好的產(chǎn)品編碼。例如：當(dāng)前檢測一個(gè)零件，檢測完成后，檢測機(jī)告訴機(jī)器人，這個(gè)零件是前蓋或后擋的原型或降幾級。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)可提高軸承前蓋、后擋檢測的精度、選配可靠性、穩(wěn)定性及可追溯性并且提高勞動生產(chǎn)率、降低工人勞動強(qiáng)度、改善了作業(yè)環(huán)境；配合鐵路車輛計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)，為保障鐵路車輛的運(yùn)行安全，提供了快捷、準(zhǔn)確、可靠的手段；可與HMIS（Hmanagement Information System，鐵路貨車技術(shù)管理信息系統(tǒng)）聯(lián)網(wǎng)，并可與上下位機(jī)聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)共享。

該系統(tǒng)在鐵路車輛檢修中具有創(chuàng)新性。測量使用先進(jìn)、成熟的測量技術(shù)；選配和存放使用工業(yè)智能機(jī)器人，效率高、穩(wěn)定可靠。配合鐵路系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理、減員增效保障鐵路車輛的安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。