高鐵腕臂系統(tǒng)典型零部件自動化制造

■ 中鐵高鐵電氣裝備股份有限公司 （陜西寶雞 721013） 劉龍杰

1. 自動化整體方案

高鐵接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)零部件的生產(chǎn)一般經(jīng)過鑄坯、澆冒口鋸切、整形、熱處理、機加工、表面處理等環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的工序較多，生產(chǎn)周期較長。尤其在零件外形方面大都是不規(guī)則形態(tài)，甚至結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此在鋸切、整形和機加工時，需要投入大量的人力到工序中以達到加快生產(chǎn)保證供貨的目的。在當(dāng)今高鐵建設(shè)飛速發(fā)展的時代，提高接觸網(wǎng)零部件的生產(chǎn)效率，開展接觸網(wǎng)零件生產(chǎn)自動化迫在眉睫，例如在鋸切工序，提高自動化生產(chǎn)能力，采用數(shù)控伺服多軸鋸切機；在整形、機加工工序，采用工業(yè)機器人打磨去毛刺單元、加工中心機器人上下料以及第四軸加工中心鉆孔，能有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品一致性，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)我國高速鐵路的發(fā)展。

2. 鋸切自動化

鑄造鋁合金行業(yè)零部件在澆冒口鋸切時，通常采用人工手持零件在立式帶鋸床上進行切割作業(yè)。而鋸床采用傳統(tǒng)的水冷方式，工作環(huán)境潮濕，在長時間、高強度的工作下，由于人員體力的流失，生產(chǎn)效率會降低，人員注意力也會下降，此時如果零件拿捏不穩(wěn)、不到位，就存在打滑發(fā)生工傷事故的隱患。而采用數(shù)控伺服多軸鋸切機不僅能提高工作效率，還能改善員工的工作環(huán)境，降低職業(yè)病發(fā)生的概率，從源頭上能杜絕工傷事故的發(fā)生。

（1）數(shù)控伺服多軸鋸切機原理 數(shù)控伺服多軸鋸切機（見圖1）總體采用龍門吊形式，讓電動機在驅(qū)動器的作用下沿Y（水平）、Z（豎直）方向運動；電動機通過皮帶傳動使主軸上圓盤鋸旋轉(zhuǎn)，達到切割效果。圓盤鋸下方有雙工位，該雙工位可在X（前后）方向交替進出，并能向Y軸正負方向旋轉(zhuǎn)。工位下方設(shè)有收集裝置，將切割后的切屑和冒口收集并通過傳送帶傳送到設(shè)備外部的分離器上，將切屑和冒口分離，方便人員回收。

圖1 數(shù)控伺服多軸鋸切機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為了進一步增加設(shè)備安全性，添加了金屬防護外罩并在工位進出口增加了可視擋板，有效地將鋸切時的噪聲、切屑和澆冒口與操作人員隔離開，提高現(xiàn)場工作環(huán)境及工序操作安全性。

（2）數(shù)控伺服多軸鋸切機工裝 鑄件毛坯通過鋸切工裝固定在設(shè)備的工位上，根據(jù)需要鋸切的零件外形，可以設(shè)計相對應(yīng)的工裝。以高鐵接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)零部件42套筒為例，在設(shè)計工裝時采用面定位法，使用氣缸，將零件按壓在工裝上，確保產(chǎn)品鋸切過程中不發(fā)生錯位和位移，保證了鋸切后產(chǎn)品的一致性。42套筒自動化鋸切工裝如圖2所示。

圖2 42套筒自動化鋸切工裝

鋸切工序采用數(shù)控多軸伺服鋸切機切割后，改善了操作者工作環(huán)境，降低了勞動強度，鋸切后的切面平整光滑，減小了打磨工序的工作量。每個操作者可同時對兩臺以上設(shè)備進行上下料鋸切作業(yè)，極大提高了生產(chǎn)效率。

3. 打磨自動化

高鐵接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)零部件自動化打磨去毛刺單元具有很高的靈活性，用戶可以按照生產(chǎn)需求和生產(chǎn)工藝進行自主設(shè)計，通過機器人本體抓取零件，在砂帶、電動主軸和角磨機等設(shè)備上進行打磨去毛刺作業(yè)，其主要布局如圖3所示。

（1）自動化打磨整體流程 以鑄造鋁合金42套筒本體為例，其自動化打磨流程如下：首先將零件放置于雙滑臺的定位工裝上，隨后上料確認按鈕將定位工裝推送至機器人抓取處，機器人在定位工裝上抓取零件；當(dāng)機器人抓取到零件后，將零件移至刀具庫的電主軸處進行去毛刺作業(yè)，去除零件的合模縫、毛刺等；再將零件移動至砂帶機上進行冒口鋸切面打磨，最終將打磨后的成品放置于傳送帶上，傳出后轉(zhuǎn)運至下道工序。

圖3 機器人打磨去毛刺單元布局

（2）打磨工裝夾爪設(shè)計 如圖4所示，42套筒打磨工裝設(shè)計定位工裝時，首先采用鋁板為定位受力板，減小了工裝的重量，使工裝更換起來更為便捷；在定位工裝設(shè)計時，避開零件所需打磨部位，減小毛刺等對抓取精度的影響，方便機器人抓取；采用零件倒立方式，將零件倒立在工裝臺上，并在兩側(cè)用圓柱限位，防止零件晃動。在設(shè)計夾爪時，由于零部件內(nèi)部光滑無需打磨，因此在抓取的時候選擇采用間隔為120°的氣動式三爪夾爪，在零件圓弧內(nèi)撐開達到夾持的目的。并且在夾爪中間安裝彈墊，可有效防止抓取零件時速度過快造成撞擊而損害夾爪氣缸，并且起到對零件限位的作用，讓操作者可以直觀看出零件是否抓取到位。

圖4 42套筒本體自動化打磨工裝及夾爪

機器人打磨相對于人工而言生產(chǎn)效率極高，在生產(chǎn)中能24h高質(zhì)量連續(xù)打磨，并且打磨產(chǎn)品一致性高，8h打磨數(shù)量平均約為人工的2倍及以上，極大程度上降低了用工成本以及生產(chǎn)過程中的能耗，起到了降本增效的作用。采用機器人代替人工能有效降低工傷事故的發(fā)生，并避免操作人員長時間處于切屑、粉塵和噪聲環(huán)境中。

4. 機加工自動化

當(dāng)鑄鋁件進行完熱處理作業(yè)后，需要對其進行機加工處理。由于有鋸切自動化、打磨自動化等機械作業(yè)，產(chǎn)品的一致性以及質(zhì)量的穩(wěn)定性有極大提高，因此在機加工環(huán)節(jié)可以采用自動化作業(yè)。加工中心自動化生產(chǎn)單元由兩臺加工中心（A、B）、一臺機器人R和一個上下料工作臺（C、D）三部分組成。操作員將所需加工的零件放置于定位工裝臺上，隨后機械手臂從工裝臺上抓取零件放置于加工中心中，當(dāng)加工中心將零件加工完畢后，機械手臂在取出加工中心零件的同時，放置新的零件于加工中心中，隨后將加工完畢的零件放置于傳送帶上待人工收取，如圖5所示。

（1）加工中心第四軸 42雙耳套筒本體是高鐵腕臂系統(tǒng)的典型零部件，零件特點是施工現(xiàn)場需求大，生產(chǎn)過程加工工序多。該工件需要面加工與孔加工，尺寸精度和位置精度要求高，所以工藝規(guī)程中分鉆、銑兩個工序。由于零件需要加工的孔中心軸線不在同一個平面，完成一側(cè)的孔加工后需要轉(zhuǎn)動180°再加工另一側(cè)的孔，如果使用普通三軸加工中心，需要多次裝夾，加工精度也很難達到產(chǎn)品的需求。因此在加工中心上增裝第四軸（見圖6），加工效率更高。

夾具心棒在四軸加工中心上固定，將42雙耳套筒內(nèi)腔直徑φ44.5mm通孔置于心棒上，可消除產(chǎn)品Z、Y方向的移動和轉(zhuǎn)動以及X軸的移動5個自由度；水平擋塊通過輔助側(cè)板固定在產(chǎn)品底部，可消除產(chǎn)品繞X軸的轉(zhuǎn)動。該夾具可以隨著四軸加工中心的第四軸轉(zhuǎn)動，帶動產(chǎn)品也轉(zhuǎn)動一定的角度，這樣就可以實現(xiàn)一次裝夾完成所有面、孔和螺紋的加工。

（2）上下料機器人夾爪設(shè)計 為了提高工作效率，上下料機器人夾爪（見圖7）設(shè)計時使用副爪，機器人第一個夾爪夾住待加工零件，到加工中心內(nèi)，轉(zhuǎn)動機器人第六軸，使第二個夾爪夾住并取出已打磨完成的零件，隨后將第一個夾爪上的零件放入工裝，等待加工。

圖5 42套筒本體機加工自動化布局

圖6 加工中心第四軸及夾具元件

圖7 42套筒本體用機器人夾爪

在機加工工序采用加工中心自動化生產(chǎn)單元對42套筒零件加工后，極大地提高了生產(chǎn)效率，之前該零件在加工時需要4人分別在銑、鉆和攻螺紋三道工序作業(yè)，成品耗時較長，并且產(chǎn)品一致性低。如今42套筒零件只需一人上下料就能操作兩臺設(shè)備進行加工，工作強度降低，工作環(huán)境顯著提高，并且一個零件從熱處理毛坯加工到成品只需不到兩分鐘，綜合評估不到普通整體加工時間的1/3，極大提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

5. 結(jié)語

隨著我國高速鐵路快速發(fā)展，高鐵接觸網(wǎng)鋁合金鑄造行業(yè)也應(yīng)抓住機遇進行自動化改革，不斷完善工藝流程，改善工人勞動環(huán)境，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、智能化，提升產(chǎn)品質(zhì)量，提高行業(yè)競爭力。