機器人技術在地鐵車輛檢修作業中的應用探討

史時喜 宗超

摘 要：地鐵車輛檢修中應用機器人技術，將改善作業環境、提升檢修質量、優化工藝流程。文章通過分析地鐵車輛檢修作業內容及作業特點，梳理出機器人技術在地鐵車輛檢修作業中適用范圍及技術難點，結合地鐵車輛檢修關鍵工序作業特征，提出檢修作業機器人選型原則，并對典型機器人設備選型及應用進行探討。

關鍵詞：地鐵車輛;檢修;機器人;激光清洗

中圖分類號：U231+.96

為保證地鐵系統的服務可靠，必須對地鐵列車進行合理和足夠的檢修保養，使其保持良好的工作狀態[1-2]。機器人技術日益發展，其應用較為廣泛，在焊接、裝配、搬運等機械制造作業中的應用尤為突出[3-4]，但在地鐵車輛檢修中尚未得到推廣。目前國內地鐵車輛檢修普遍以人工作業為主，如何減輕作業人員工作強度，改善作業環境，提高檢修質量，成為地鐵車輛檢修作業所面臨的重要問題。尤其在一些作業環境惡劣、重復次數多的地鐵車輛檢修作業中應用工業機器人技術，是行業未來的發展趨勢[6-7]。

1 車輛檢修作業內容

目前我國地鐵車輛檢修分為列檢、周月檢、定修、架修、大修5個等級，其中定修、架修、大修為定期檢修[8-9]。在地鐵車輛的定期檢修作業中，不同級的車輛檢修作業內容也有所不同。各級檢修作業內容如下。

1.1 列檢

對受電弓、控制裝置、各種電氣裝置、轉向架、空氣制動裝置、車鉤緩沖裝置、鉸接裝置、車門、車體、車燈、蓄電池箱等主要部件進行外觀檢查。

1.2 周月檢

對主要部件進行外觀檢查，主要檢查蓄電池、受電弓、輪對、制動閘瓦的相對尺寸等;對系統功能進行檢查;對易損件進行檢查更換;對危及行車安全的故障進行重點修理。

1.3 定修

不架車，主要進行車輛的各系統狀態檢查、檢測;各部件全面檢查、清潔、潤滑，部分部件如受電弓、空調、蓄電池等部件需卸下后進行狀態檢查、檢測及修理，并進行必要的試驗;定修后車輛各系統需進行全面檢測、調試及試驗。

1.4 架修

通過架車對車輛的重要部件，特別是轉向架及輪對、電機、電器、空調機組、車鉤緩沖器裝置、制動系統等進行分解、清洗、檢查、探傷、修理，更換報廢零部件;對電氣部件進行清潔和測試;對修竣后車輛各系統進行全面檢測、調試及試驗。

1.5 大修

通過架車對車輛各部件和系統進行全面的分解、檢查及整修，對轉向架、車體等進行測量與整形;綜合技術改造對部分系統進行全面的更換;對車輛各系統進行全面檢測、調試及試驗，完全恢復其性能;重新油漆標記;修竣車的靜調和試車[10-11]。

從各級修程檢修作業內容可以看出，定修作業主要以現車修理為主，較少部件從車體上拆卸;架修、大修作業時，車體部分定位作業，轉向架等部件檢修則多采用互換修作業。

2 機器人技術適用范圍

通過對地鐵車輛檢修內容分析，總結機器人技術在地鐵車輛檢修作業中的主要功能及適用范圍如下。

2.1 拆卸分解

拆卸分解包括對車輛主要部件進行拆卸分解和分解后零部件的轉運。對此可應用裝配機器人技術進行零部件的拆卸，應用搬運機器人技術進行零部件的轉運，實現人機混合作業，大大提高作業效率。以轉向架檢修時軸承拆裝為例，可應用自動轉運機器人（AGV）進行軸承轉運，實現部件快速回庫;應用機器人對軸承進行存放作業，并自動將存放結果錄入數據庫系統。

2.2 清潔清理

車輛檢修作業中清潔清理主要包括車底吹掃、除漆除銹等，其中對地鐵列車底部進行吹掃除塵，是地鐵列車檢修的必要工序[12]。可將傳統手持工具安裝在機器人操作機構上，將作業者轉化為操作者，或應用激光加工機器人技術和涂裝機器人技術等進行惡劣環境下的操作，實現人員與作業環境分離。如車底吹掃作業中可應用機器人加持吹掃槍進行作業，輪對、構架的除銹除漆可用機器人安裝相應的清潔工具進行作業，達到穩定良好的作業效果。

2.3 故障檢測

地鐵車輛檢修中常見故障類型包括視覺類故障、嗅覺類故障、聽覺類故障、觸覺類故障。機器人技術在視覺類故障檢測中主要通過工業機器人搭載自動化成套設備，結合線陣掃描技術及運用圖像自動識別技術，研究可自動運行、無需人工干預的關鍵部件檢測系統，形成專項檢查機器人。對于嗅覺類、聽覺類和觸覺類故障，還需要機器人安裝聽覺、嗅覺、觸覺傳感器。

2.4 故障修理

目前國內外車輛檢修作業方式主要采用現車修理和換件修理相結合的檢修模式。在現車修理模式中，因為故障類型多樣，修理作業難度較大且作業環境復雜，機器人技術難以得到完全應用，僅能在一些繁瑣而固定的修理操作中應用。例如，應用材料加工機器人技術和螺栓緊固機器人技術進行表面打磨、螺栓緊固等。在換件修理模式中，可應用移動機器人技術和裝配機器人技術進行故障零部件的拆卸、替換件的調用和安裝等。

2.5 重組驗收

對地鐵車輛上各單元模塊進行重新組裝后需進行性能參數測試。性能參數測試包括各單元功能試驗、受電弓升落時間測試和接觸壓力測試等。由于測試多在試驗臺上進行，作業難度較大，同時還需進行調試達到最佳工作狀態，因此機器人技術難以大范圍應用。但相關數據測量，例如，磨耗板厚度、輪對內側距、轉向架輪重等，可應用機器視覺技術作為獲取環境信息和被測物體信息的手段。以構架外形檢測工作為例，可以采用機器人加持輪廓儀、工業相機等檢測工具，使用外形幾何尺寸測量方法、圖像對比法等進行操作分析。

3 機器人技術應用探討

3.1 機器人選型

機器人技術應用到地鐵車輛檢修作業中，針對某項工作進行機器人的選型非常重要，下面主要從4個方面介紹機器人選型中需要注意的參數。

3.1.1 有效負載

有效負載指機器人在工作時臂端能夠搬運的物體重量或所能承受的力和力矩，用以表示機器人的負荷能力。機器人在不同位置時，允許的最大可搬運質量不同，因此，機器人的額定可搬運質量是指其臂桿在工作空間中任意位置時腕關節端部能搬運的最大質量。

3.1.2 自由度數

機器人的軸數決定了機器人的自由度，即機器人的靈活性。自由物體在空間有6個自由度，工業機器人多為開式連桿系，每個關節運動副只有1個自由度，通常機器人的自由度數目就等于其關節數。機器人的自由度數目越多，其功能就越強。目前工業機器人通常具有4 ～6個自由度。

3.1.3 最大動作范圍

當評估目標應用到具體場合時，應了解機器人需達到的最大距離，注意機器人在近身及后方的一片非工作區域。根據相應機器人的動作范圍，判斷該機器人是否適用于該特定場合。

3.1.4重復精度

重復精度可以描述為對同指令從同一方向重復響應多次后實到位置的不一致程度，主要取決于機器人的應用場合，一般在±0.05 mm到±0.02 mm之間。在地鐵車輛檢修中，不同的應用場合機器人的重復精度要求也不一樣。機器人應用在軸承組裝時，需要一個超級精密重復精度的機器人;而當機器人應用在車底檢測、吹掃作業時，因為工序本身對重復精度要求不高，工業機器人也就不需要那么精密。

3.2 典型機器人設備探討

目前國內已經有相關廠家將機器人技術應用到地鐵車輛智能檢測中。根據作者近年對機器人技術應用到地鐵車輛檢修中的研究，下面對目前可在地鐵車輛檢修作業中應用的幾種典型機器人設備進行探討。

3.2.1 車底吹掃設備

車底吹掃設備（圖1）是一套基于機器視覺、機器人技術以及自動導引技術的全自動化車底清潔設備。該設備采用在兩軌之間鋪設簡易軌向道的方式，通過安裝支架將智能化檢測系統安裝于小車之上，在小車前端安裝3D智能輪廓傳感器和工業相機，掃描車底輪廓圖像，對車底部件進行輪廓識別，用于后期機器人吹掃作業時的路徑規劃和避障數據依據。使用機器人加裝吹掃槍，根據規劃路徑對車底重點部件進行多角度吹掃作業，并可通過工業相機自檢所吹掃部件的清潔程度，針對現場情況實時調節吹掃風壓、吹掃時間和吹掃次數等，實現智能化吹掃作業。

車底吹掃設備整體重量約為1 kg，因此要求機器人有效負載為5 kg。機器人本身體積不應過大，工作半徑應在800 mm左右，自由度為6軸。對重復精度方面沒有嚴格要求，10 mm即可。在吹掃試驗過程中，要求吹掃槍緩慢運行，速度約為100 mm/s。

3.2.2 輪對激光清洗設備

輪對激光清洗設備（圖2）主要用于地鐵輪對表面油漆、銹斑的自動化智能清洗。該系統采用激光清洗的方式，借助機器視覺技術、機器人技術、工業自動化技術等進行作業。在設備作業的同時利用工業相機對除漆、除銹效果進行自檢，如果效果不達標，則進行二次或多次清洗，確保優質的除漆、除銹效果。

輪對激光清洗設備所應用的激光清洗裝置中的激光輸出槍重量約為3.5 kg，因此要求所選擇的機器人有效負載為5 kg即可。輪對激光清洗設備需要在所配備工業相機的機器視覺技術引導下，能自適應各種輪對結構，應用機器人手臂自動操作，因此選擇自由度為6軸的機器人。機器人的工作半徑在900 mm左右即可滿足覆蓋輪對的作業需求，重復精度要求1 mm左右。

3.2.3 軸承測量機設備

軸承測量機設備（圖3）應用機器人自動化技術、接觸式測量技術，實現對軸承尺寸的自動測量。系統設備由工業機器人、氣爪、內外徑測量臺、測量平臺、電氣系統等組成。由于軸承較重，因此要求機器人負載能力在100 kg左右，工作半徑2 000 mm左右，且重復精度要求較高。

該設備應用KUKA工業機器人抓取軸承，采用智能化數顯千分表接觸式測量，實現對軸承所有尺寸的自動測量。設備可取代人工方式，提高測量的準確度和穩定性。測量系統軟件可將測量結果與標準值或范圍進行自動比對，并進行數據篩選。當測量結果符合標準時，設備自動匹配合格并記錄數據。

4 結語

在現有地鐵車輛檢修工作場地、工作模式改進的大環境背景下，機器人可以與人同時在工作區域內直接進行交互工作，這既能體現出機器人作業優勢，又能保留現有檢修工藝。隨著機器人性能逐步提升，機器人在地鐵車輛檢修中也必將呈現發展普及趨勢。但機器人技術在地鐵車輛檢修中進一步應用，需要重點關注以下幾點。

（1）傳統工業機器人與協作機器人各有優勢和不足，需要結合地鐵車輛實際檢修工藝內容，對這兩種機器人技術和作業人員三者之間的工作模式進行深入研究，力求機器人技術能夠在地鐵車輛檢修中發揮最大優勢，最大程度地提高檢修效率和質量。

（2）完善機器人功能結構，細化檢修范圍，解決地鐵車輛檢修作業中故障類型多、檢查范圍廣的問題。結合地鐵車輛實際檢修工藝流程，研究機器人作業體系，重點研究各檢修環節之間的銜接，避免工作節拍不嚴謹，工序間易等待等現象。

（3）提高機器人檢修作業的實用化水平，包括帶電檢修機器人的續航時間，交互機器人的安全防護及危險處理，自身的可靠性，路徑規劃能力，人、物識別能力，控制系統安全能力和抗干擾能力等。

（4）研究機器人功能部件的標準化和模塊組合化（包括機械模塊、控制模塊、信息檢測模塊等），降低制造成本，提高可靠性。

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收稿日期 2020-05-07

責任編輯 宗仁莉