鐵路貨車心盤(pán)螺栓自動(dòng)分解系統(tǒng)研究

張彪 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京東車輛段

1 系統(tǒng)研發(fā)背景

鐵路貨車下心盤(pán)是鐵路貨車承載的重要組成部分。在高速重載運(yùn)輸環(huán)境下，鐵路貨車運(yùn)行品質(zhì)對(duì)下心盤(pán)的質(zhì)量要求越來(lái)越高。

目前路內(nèi)大多數(shù)貨車車輛段主要以人工為主進(jìn)行心盤(pán)螺栓的分解作業(yè)，存在作業(yè)人員工作強(qiáng)度較大，作業(yè)環(huán)境惡劣以及工作效率低下等問(wèn)題。為提高心盤(pán)螺栓分解的質(zhì)量和效率，解放勞動(dòng)生產(chǎn)力,避免人身安全隱患，提出研發(fā)全自動(dòng)一體化螺栓拆解系統(tǒng)，通過(guò)視覺(jué)自動(dòng)定位補(bǔ)償系統(tǒng)的輔助來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵路貨車下心盤(pán)螺栓全自動(dòng)分解。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。當(dāng)轉(zhuǎn)向架進(jìn)入工作區(qū)域，自動(dòng)觸發(fā)輪對(duì)定位裝置8就位。視覺(jué)模塊4對(duì)心盤(pán)進(jìn)行視覺(jué)掃描，獲得轉(zhuǎn)向架型號(hào)信息和螺栓位置位移補(bǔ)償值，系統(tǒng)將視覺(jué)信息反饋給六軸機(jī)器人2，六軸機(jī)器人2根據(jù)轉(zhuǎn)向架型號(hào)自動(dòng)通過(guò)機(jī)器人工具快換系統(tǒng)5更換對(duì)應(yīng)的一體式螺栓分解系統(tǒng)6，將一體式夾具送至螺栓處，電扳手開(kāi)始工作，分四次對(duì)八螺栓進(jìn)行分解，待所有工作完成后，六軸機(jī)器人2復(fù)位，輪對(duì)定位裝置8自動(dòng)解除放行。

圖1 系統(tǒng)平布置圖

2.2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

（1）工業(yè)機(jī)器人軸數(shù)：6軸；

（2）機(jī)器人負(fù)載：200 kg；

（3）工業(yè)機(jī)器人達(dá)到距離：2 900 mm；

（4）視覺(jué)重復(fù)定位精度：0.1 mm；

（5）兩顆螺栓分解時(shí)間：30 s；

（6）機(jī)器人重復(fù)定位精度：0.05 mm～0.06 mm；

（7）扭矩最大值：1 980 Nm；

（8）系統(tǒng)工作效率：每心盤(pán)平均耗時(shí)不大于3分鐘。

2.3 系統(tǒng)主要構(gòu)成單元

鐵路貨車心盤(pán)螺栓自動(dòng)分解系統(tǒng)由六軸機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)器人工具快換系統(tǒng)、一體式螺栓分解系統(tǒng)、視覺(jué)自動(dòng)定位補(bǔ)償系統(tǒng)以及車輪定位裝置等五大單元組成。

2.3.1 六軸機(jī)器人系統(tǒng)

六軸下探式工業(yè)機(jī)器人采用龍門(mén)架固定，具有占地面積少、操作簡(jiǎn)便、自由度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于幾乎任何軌跡或角度的工作。通過(guò)自由編程實(shí)現(xiàn)不同工件之間的靈活快捷更換，可代替很多不適合人力完成，有害身體健康的復(fù)雜工作。

六軸機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)Device Net網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)I/O板連接PLC I/O模塊，由PLC控制機(jī)器人啟動(dòng)；機(jī)器人通過(guò)TCP/IP協(xié)議與主控系統(tǒng)通信，由主控系統(tǒng)控制機(jī)器人進(jìn)行選配分解動(dòng)作。六軸機(jī)器人如圖2所示

圖2 六軸機(jī)器人

2.3.2 機(jī)器人工具快換裝置

（1）機(jī)器人快換裝置的具體組成

機(jī)器人工具快換裝置有2個(gè)工具末端執(zhí)行器，根據(jù)不同型號(hào)的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行自動(dòng)切換。工具快換裝置包括一個(gè)機(jī)器人側(cè)用來(lái)安裝在機(jī)器人手臂上（如圖3），還包括一個(gè)工具側(cè)用來(lái)安裝在末端執(zhí)行器上，（如圖4）。工具快換裝置能夠讓不同的介質(zhì)從機(jī)器人手臂聯(lián)通到末端執(zhí)行器（如圖5）。

圖3 機(jī)器人端基礎(chǔ)單元

圖4 工具端基礎(chǔ)單元

圖5 機(jī)器人工具快換裝置組成

（2）機(jī)器人快換裝置的具體優(yōu)點(diǎn)

一是生產(chǎn)線更換可在數(shù)秒內(nèi)完成；二是維護(hù)和修理工具可以快速更換，降低停工時(shí)間；三是通過(guò)應(yīng)用中使用1個(gè)以上的末端執(zhí)行器，從而使柔性增加；四是使用自動(dòng)交換單一功能的末端執(zhí)行器，代替原有笨重復(fù)雜的多功能工裝執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)工具的隨意切換，提高工作效率。

（3）機(jī)器人快換裝置的具體參數(shù)

機(jī)器人工具快換裝置具備超強(qiáng)的載重能力，載重可到達(dá)300 kg，允許扭矩力達(dá)到2 300 nm，可避免因?yàn)殡姲馐峙ぞ亓^大對(duì)機(jī)器人手臂造成損傷的情況。詳細(xì)參數(shù)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

2.3.3 一體式螺栓分解系統(tǒng)

一體式螺栓分解系統(tǒng)（如圖7）是用于對(duì)轉(zhuǎn)向架下心盤(pán)螺栓分解的自動(dòng)化裝置，由自動(dòng)扭力扳手和螺母限位裝置組成。自動(dòng)扭力扳手的最大扭矩力為1 250 N.m，可輕易將螺栓進(jìn)行分解。螺母限位裝置不僅有卡緊螺母的功能，還具有完成分解工作后脫落螺母的功能。因不同型號(hào)轉(zhuǎn)向架所對(duì)應(yīng)的下心盤(pán)螺栓型號(hào)不同，所以分別設(shè)計(jì)了M22和和M24兩套一體式螺栓分解系統(tǒng)。

圖7 一體式螺栓分解系統(tǒng)

2.3.4 視覺(jué)自動(dòng)定位補(bǔ)償系統(tǒng)

該系統(tǒng)視覺(jué)部分采用靜態(tài)三維成像技術(shù)、移動(dòng)光柵技術(shù)、深度數(shù)據(jù)融合技術(shù)以及嵌入式3D解算等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)視覺(jué)范圍內(nèi)靜止物體的快速三維重建。基于標(biāo)定算法可擬合出視場(chǎng)空間任意點(diǎn)在相機(jī)中成像位置與該點(diǎn)垂直相機(jī)的距離函數(shù)關(guān)系式，深度測(cè)量精度可達(dá)±0.1 mm，掃描速度可達(dá)8幀/秒。同時(shí)，系統(tǒng)具備自動(dòng)識(shí)別功能，通過(guò)深度學(xué)習(xí)自動(dòng)建模及比對(duì)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體尺寸與標(biāo)準(zhǔn)差異部位的自動(dòng)判別，可根據(jù)所測(cè)螺栓數(shù)據(jù)自動(dòng)判別轉(zhuǎn)向架型號(hào)，將螺栓的相對(duì)坐標(biāo)值反饋給機(jī)器人的主控算法，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精準(zhǔn)定位，最終實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制。

2.3.5 車輪定位裝置

車輪定位裝置（如圖8）由電感式接近開(kāi)關(guān)、輪對(duì)阻擋裝置、輪對(duì)抱緊裝置組成。當(dāng)輪對(duì)阻擋裝置將車輪擋住時(shí)輪對(duì)抱緊裝置啟動(dòng)。

圖8 車輪定位裝置

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

3.1 一體式螺栓分解裝置

（1）工作中扭力矩可達(dá)到1 000 N.m以上，分解過(guò)程中噪聲小，無(wú)振動(dòng)。

（2）適用于不同厚度的下心盤(pán)墊板，能將螺栓頭及螺母進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

（3）使用先進(jìn)的機(jī)器人工具快換系統(tǒng)，能與機(jī)器人快速連接，提升柔性化程度。

3.2 光柵投影三維測(cè)量技術(shù)

本系統(tǒng)采用定制高速面陣相機(jī)與面結(jié)構(gòu)化光源，結(jié)構(gòu)化光源由計(jì)算機(jī)編程產(chǎn)生正弦條紋，將該正弦條紋投影至被測(cè)物，利用CCD相機(jī)拍攝條紋受物體調(diào)制的彎曲程度，解調(diào)該彎曲條紋得到相位，再將相位轉(zhuǎn)化為全場(chǎng)的高度，最終在計(jì)算機(jī)內(nèi)分析計(jì)算后可得出被測(cè)物的三維面形數(shù)據(jù)。該技術(shù)具有測(cè)量精度高、速度快以及測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。原理圖如圖9所示。

圖9 光柵投影三維成像原理圖

4 系統(tǒng)拓展功能探討

4.1 系統(tǒng)增加組裝功能

在將扭力扳手更換為扭力可控的自動(dòng)扳手后，運(yùn)用本文所述技術(shù)即可研發(fā)心盤(pán)螺栓的分解和組裝一體化裝置。

4.2 系統(tǒng)增加下心盤(pán)搬運(yùn)功能

通過(guò)增加一組搬運(yùn)工具停靠站，在搬運(yùn)裝置上安裝工具末端執(zhí)行器，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人快速轉(zhuǎn)換搬運(yùn)末端執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)智能搬運(yùn)功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于傳統(tǒng)的下心盤(pán)螺栓分解作業(yè)模式，采用鐵路貨車心盤(pán)螺栓自動(dòng)分解系統(tǒng)有顯著優(yōu)勢(shì)，作為集定位系統(tǒng)、自動(dòng)分解等功能為一體的高端自動(dòng)化智能裝備，能有效提高螺栓分解的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)保證鐵路運(yùn)輸安全、完善鐵路智能化建設(shè)起到積極的推動(dòng)作用。