軸承自動壓裝系統(tǒng)

石建剛，任 帥

（國能鐵路裝備有限責(zé)任公司包頭車輛維修分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014060）

隨著鐵路貨車輪軸檢修數(shù)量劇增，輪對軸承壓裝數(shù)量隨之增加，現(xiàn)有檢修單位軸承的壓裝，還是人工作業(yè)，輪對的輸送靠人工推送，軸承和后擋等也是人工通過小車推送，勞動強(qiáng)度大，效率低，質(zhì)量受人為干擾大。研制的軸承自動壓裝系統(tǒng)，在壓裝時機(jī)械臂自動抓取待壓裝軸承同時定位軸承內(nèi)部中隔圈，從而實現(xiàn)不同型號輪對及軸承壓裝工作，同時設(shè)備在壓裝過程中自動旋轉(zhuǎn)軸承并檢測軸承是否卡滯等功能，自動化程度高，將更換壓裝引套及壓頭、中隔圈手動定位等工作由60 min 以上壓縮至2～3 min，極大提高了輪對軸承壓裝效率，且杜絕了人工操作失誤和發(fā)生工傷的危險。解決了軸承壓裝過程中人工更換壓裝引套及壓頭、人工調(diào)整中隔圈等勞動強(qiáng)度大且易發(fā)生工傷、效率低等問題，既保證軸承壓裝的質(zhì)量，又節(jié)省了人力、物力，提高了生產(chǎn)效率。

1 軸承自動壓裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軸承自動壓裝系統(tǒng)主要由軸承壓裝機(jī)主機(jī)、懸掛式智能機(jī)械臂、后擋壓裝機(jī)械手、軸承翻轉(zhuǎn)臺、自動掛后擋機(jī)械手、軸承上料線和后擋料架等設(shè)備組成。

軸承壓裝機(jī)主機(jī)為壓裝系統(tǒng)的主體部分，懸掛式智能機(jī)械臂及自動掛后擋機(jī)械手安裝于主機(jī)橫梁上。懸掛式智能機(jī)械臂用于更換不同軸型輪對的壓裝法蘭與芯套以及軸承的自動上料；自動掛后擋機(jī)械手從后擋旋轉(zhuǎn)工作臺上水平抓取后擋翻轉(zhuǎn)90°后將后擋自動掛靠在壓裝位輪對軸肩上。

后擋壓裝機(jī)械手從后擋料架上抓取后擋與塑鋼隔圈的組合件，在軸承翻轉(zhuǎn)臺處完成353130B 與353132B 型號軸承與后擋及塑鋼隔圈的自動壓裝。

軸承翻轉(zhuǎn)臺處為懸掛式智能機(jī)械臂的取軸承位置。當(dāng)翻轉(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)90°時，軸承變?yōu)榱⒎牛珊髶鯄貉b機(jī)械手完成后擋與軸承的壓裝，完成壓裝后翻回等待智能機(jī)械臂取軸承上料。

軸承上料線為軸承的緩存線，用于存儲軸承和軸承的自動分料。

總體布局如圖1 所示。

圖1 總布局圖

1.1 軸承壓裝機(jī)主機(jī)

軸承壓裝機(jī)主機(jī)主要由機(jī)座、壓裝油缸、壓裝油缸立柱、機(jī)械臂懸掛橫梁、輪對升降及鎖定裝置、壓盤及心套存放架、軸承引裝及旋轉(zhuǎn)檢測裝置和輪對自動上下料裝置等組成。可實現(xiàn)輪對的準(zhǔn)確停輪、輪對定心與限位以及軸承的自動引裝及自動壓裝軸承、軸承自動旋轉(zhuǎn)等功能。輪對頂升裝置由托輪架、托輪桿、導(dǎo)向軸、升降油缸、升降油缸座和升降限位裝置等組成。升降油缸活塞伸出，托輪架托住輪對車軸軸身升起使輪對車軸軸線與壓裝機(jī)壓裝油缸軸線同軸。不同軸型升降高度的調(diào)整通過升降限位裝置實現(xiàn)，升降限位裝置由氣缸、限位墊等組成。

輪對鎖緊裝置由連桿、隨動擺塊、連接座、鎖緊油缸座和鎖緊油缸等組成。輪對升起后，鎖緊油缸活塞伸出驅(qū)動連桿擺動，隨動擺塊撐住內(nèi)側(cè)輪輞，連桿2 基本拉平，處于四桿機(jī)構(gòu)的“死點位置”，當(dāng)壓裝力達(dá)到設(shè)計額定壓力600 kN，隨動擺塊也會撐住輪輞內(nèi)側(cè)面不會被壓回，從而防止輪對在壓裝過程中左右竄動影響壓裝曲線的正確性。

輪對鎖緊裝置的主要受力部位采用平鍵定位，如連接座與壓裝機(jī)主機(jī)機(jī)座、鎖緊油缸座與機(jī)座，可承受額定設(shè)計壓力600 kN 作用下的剪切應(yīng)力，主要受力部件連桿3、隨動擺塊、定位銷等選用40Cr 調(diào)質(zhì)，經(jīng)受力分析，在額定壓力下不會產(chǎn)生變形，最大應(yīng)力不到材料許用應(yīng)力的1/2，滿足壓裝長期使用的安全性和穩(wěn)定性。輪對升降裝置與輪對鎖緊裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 輪對升降裝置與輪對鎖緊裝置結(jié)構(gòu)圖

壓盤及心套存放架安裝主機(jī)機(jī)座上，可存放RD2、RE2 型輪對軸承壓裝所需的壓裝心套和壓裝法蘭。壓裝前根據(jù)輪對信息由程序自動判斷心套和壓裝法蘭是否與軸型一致，若不一致，由懸掛式智能機(jī)械臂將更換下來的壓裝心套與法蘭放在指定位置后再抓取相應(yīng)的壓裝法蘭、壓裝心套放到主機(jī)壓裝油缸位置。

軸承引裝及旋轉(zhuǎn)檢測裝置安裝在壓裝主油缸的壓裝活塞前端，其結(jié)構(gòu)由隨動輥組成、抱緊輥組成、軸承旋轉(zhuǎn)檢測裝置、壓盤定位裝置、后擋擋板、安裝板和氣缸等組成。安裝板與壓裝油缸的壓裝活塞連接，其余機(jī)構(gòu)均與安裝板建立連接。

軸承旋轉(zhuǎn)檢測裝置由氣缸、電動輪、檢測輪和彈簧等組成，壓盤定位裝置由氣缸、插板等組成。

取軸承時壓裝活塞帶動軸承引裝及旋轉(zhuǎn)檢測裝置伸出一定行程，抱緊輥組成的3 個后擋擋板由氣缸驅(qū)動伸出，抱緊氣缸驅(qū)動轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)，帶動3 個抱緊輥隨動輥同時向內(nèi)收緊，3 個抱緊輥夾住軸承，然后3 個后擋擋板板回退壓住不帶后擋的軸承或帶后擋整體壓裝軸承的后擋，壓裝活塞再回退，從而將軸承引裝到壓裝定心活塞桿的心套上。

對于帶后擋與軸承組合后一起壓裝的353130B 與353132B 型號軸承，壓裝時抱緊輥不張開，保持后擋擋板始終能壓住后擋但又不與軸承接觸。軸承旋轉(zhuǎn)檢測裝置的電動輪由氣缸驅(qū)動擺下與軸承接觸帶動軸承旋轉(zhuǎn)，檢測輪在彈簧拉力作用下始終與軸承接觸，軸承帶動檢測輪旋轉(zhuǎn)并由旋轉(zhuǎn)編碼器將信息反饋給控制系統(tǒng)，判斷軸承在壓裝過程中是否有卡滯現(xiàn)象。

1.2 懸掛式智能機(jī)械臂

懸掛式智能機(jī)械臂安裝于主機(jī)橫梁上。由水平走行機(jī)構(gòu)、升降擺動機(jī)構(gòu)和夾爪機(jī)構(gòu)等組成。采用伺服控制方式，定位精度準(zhǔn)確可靠，更換壓盤和心套采用夾爪夾取方式，軸承及后擋或單獨軸承的上料采用夾爪撐內(nèi)孔的方式，可防止中隔圈脫落，夾爪上鑲有銅帶不會對軸承內(nèi)孔造成損傷。

懸掛式智能機(jī)械臂為四軸機(jī)械手，安裝于主機(jī)橫梁上。由水平走行機(jī)構(gòu)、升降-擺動機(jī)構(gòu)和夾爪機(jī)構(gòu)等組成。用于不同軸型軸承壓裝心套和壓盤的自動更換以及軸承的引裝上料。各運動軸均采用伺服控制方式，定位精度準(zhǔn)確可靠，更換壓盤和心套采用夾爪夾取方式，軸承及后擋或單獨軸承的上料采用夾爪撐內(nèi)孔的方式，可防止中隔圈脫落。夾爪上鑲有銅帶不會對軸承內(nèi)孔造成損傷。

夾爪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°掉頭為壓裝機(jī)另一側(cè)更換壓盤和心套以及軸承的引裝上料。諧波減速器精度高，傳動比大，承載能力高，并且體積小、重量輕，傳動平穩(wěn)、無沖擊，滿足了空間尺寸小、旋轉(zhuǎn)角度準(zhǔn)確的使用要求。

1.3 自動掛后擋機(jī)械手與后擋旋轉(zhuǎn)工作臺

自動掛后擋機(jī)械手安裝于主機(jī)橫梁上，位于懸掛式智能機(jī)械臂的對側(cè)，在軌道兩側(cè)各布置一臺自動掛后擋機(jī)械手，可同時從后擋旋轉(zhuǎn)工作臺上水平抓取后擋再翻轉(zhuǎn)90°后為壓裝位輪對自動掛后擋。掛后擋機(jī)械手主要由連接臂、氣缸、升降-擺動機(jī)構(gòu)和夾爪裝置等幾部分組成。升降立柱與夾爪裝置的升降由伺服電機(jī)驅(qū)動，齒輪齒條傳動，直線導(dǎo)軌副導(dǎo)向，定位精度準(zhǔn)，運行平穩(wěn)可靠。

后擋旋轉(zhuǎn)工作臺位于掛后擋機(jī)械手下方，是后擋的緩存位。掛后擋機(jī)械手從旋轉(zhuǎn)工作臺的上料位夾取后擋。

后擋工作臺由機(jī)架組成、旋轉(zhuǎn)臺和微型減速器等組成。為了兼容不同軸型后擋的定位，可更換旋轉(zhuǎn)臺立柱上的尼龍定位套，滿足不同后擋抓取時的定位要求。

1.4 后擋壓裝機(jī)械手、后擋料架及軸承翻轉(zhuǎn)臺

軸承壓裝機(jī)前軌道兩側(cè)各布置一套后擋壓裝機(jī)械手、后擋料架及軸承翻轉(zhuǎn)臺，兩側(cè)可同時完成后擋和塑鋼隔圈的組合件與軸承的自動壓裝。

軸承由上料線滾動至軸承翻轉(zhuǎn)臺V 型托上后，翻轉(zhuǎn)臺的壓緊機(jī)構(gòu)壓住軸承將軸承翻轉(zhuǎn)90°，翻轉(zhuǎn)臺對中機(jī)構(gòu)將軸承對中、定位，后擋壓裝機(jī)械手從后擋料架抓取后擋及塑鋼隔圈的組合件并將其放在軸承上與軸承壓裝為一體后再由翻轉(zhuǎn)臺將軸承翻回等待懸掛式智能機(jī)械臂取軸承上料。

后擋壓裝機(jī)械手由立柱、橫梁、水平走行機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、夾爪裝置和限位擋等組成。水平走行機(jī)構(gòu)與升降機(jī)構(gòu)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動、齒輪齒條傳動、直線導(dǎo)軌導(dǎo)向的方式，傳動平穩(wěn)，定位精度可靠。

夾爪裝置由連接座、氣缸、夾爪、轉(zhuǎn)板和導(dǎo)軌固定座等組成。3 個夾爪由氣缸驅(qū)動沿直線導(dǎo)軌同時向內(nèi)夾緊或向外打開，夾爪裝置的3 個夾爪與轉(zhuǎn)板在運動過程中不與后擋料架的定位柱干涉。

后擋料架為后擋緩存上料工位，每個后擋料架可存放3 組后擋垛，每組后擋垛為10 個后擋和塑鋼隔圈的組合件。由機(jī)架、定位柱和定位套等組成。不同直徑的后擋通過在定位柱上加裝定位套實現(xiàn)后擋定位。軸承翻轉(zhuǎn)臺是智能機(jī)械臂取軸承上料位，同時也是后擋與塑鋼隔圈組合件和軸承的壓裝工位。由機(jī)架、壓緊機(jī)構(gòu)、對中機(jī)構(gòu)、氣缸和翻轉(zhuǎn)架等幾部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 軸承翻轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)圖

1.5 軸承上料線

軸承上料線是軸承的緩存工位，升降機(jī)從地下線升起軸承送入上料線后，軸承自動滾動至雙阻擋裝置處，由雙阻擋裝置完成軸承的分料，將軸承逐個送入軸承翻轉(zhuǎn)臺。軸承上料線由立柱、軸承滾道和雙阻擋裝置等組成。推擋輪機(jī)構(gòu)：軸承壓裝機(jī)主機(jī)前輪對緩存工位設(shè)置一套推擋輪機(jī)構(gòu)，由框架組成、軌道、油缸、推輪板和擺軸等部件組成，同時起到擋輪對將輪對落入軌道V 型槽和將輪對推出的作用。采用液壓控制方式，可將輪對平穩(wěn)緩慢落入軌道V 型槽內(nèi)，防止輪對晃動。

1.6 液壓系統(tǒng)

本液壓站設(shè)計型號為SD-ZCYZJ-01，泵裝置臥式配置于油箱上，控制閥組及壓力觀測點（組）均設(shè)在油箱上，整個系統(tǒng)壓力調(diào)整、觀測十分方便。技術(shù)參數(shù)如下：

電機(jī)功率：15 kW；

液壓泵最大流量：96 L/min；

電磁鐵電壓：DC24 V。

1.7 電氣部分

控制系統(tǒng)采用工業(yè)微機(jī)作為主控系統(tǒng)，由液晶顯示器和觸摸屏作為顯示終端，由鍵盤、鼠標(biāo)作為操作工具；工業(yè)級PLC 用于壓裝動作和機(jī)械手上下料的執(zhí)行，并將壓裝實時數(shù)據(jù)傳遞給主控系統(tǒng)，并配有手動旋鈕進(jìn)行各動作操作。控制部分主要包括：主板、無源底板、硬盤、PLC、I/O 擴(kuò)展模塊、模擬量采集模塊和通信模塊等。電器元件主要有：空氣開關(guān)、接觸器、開關(guān)電源、伺服驅(qū)動器、壓力傳感器、位移傳感器和位移變送器等。

壓力傳感器、位移傳感器把所反應(yīng)的信號量送到模擬量采集模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于數(shù)據(jù)采集模塊的信號值均為模擬量，處理器無法識別，必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。因此，把采集模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬-數(shù)字的轉(zhuǎn)換。最后把轉(zhuǎn)換的數(shù)值由CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。然后把得到的壓力、位移值乘以相應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，便得到實際的壓力（kN）、位移（mm）。這樣，壓力值（kN）、位移值（mm）和時間（t）3 個變量組成兩條曲線，即時間-壓力曲線、位移-壓力曲線。并在顯示終端顯示出來。

設(shè)備具備自檢功能：壓裝曲線存儲和回放功能，壓裝工藝參數(shù)存儲功能，壓裝數(shù)據(jù)處理和壓裝記錄、報告、校驗打印功能，HMIS 輪軸數(shù)據(jù)采集，USB 接口。

2 軸承壓裝過程

具體的壓裝過程如圖4 所示。

圖4 軸承壓裝流程圖

3 結(jié)論

設(shè)備采用自動化以及智能化機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)，仿人工形式抓取軸承，同時改變現(xiàn)有軸承壓裝機(jī)油缸結(jié)構(gòu)，設(shè)計智能化全自動軸承壓裝機(jī)，實現(xiàn)鐵路車輛的輪對的軸承快速定位，自動更換壓裝壓盤及引套、軸承自動上料、軸承自動壓裝、軸承與后擋的自動壓裝、輪對軸徑自動掛后擋及自動完成軸承壓裝工作。設(shè)備具有機(jī)械手自動定位中隔圈，自動抓取軸承上料，自動壓裝，在壓裝過程中自動旋轉(zhuǎn)軸承并檢測軸承是否卡滯等功能，設(shè)備自動化程度高，杜絕了工人操作的危險，提高了鐵路車輛輪對軸承壓裝效率。