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)，甚至結構復雜。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。在當今高鐵建設飛速發(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)品質量，更好地適應我國高速鐵路的發(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，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。工位下方設有收集裝置，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)部結構

為了進一步增加設備安全性，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備的工位上，根據(jù)需要鋸切的零件外形，可以設計相對應的工裝。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?？p、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）打磨工裝夾爪設計 如圖4所示，42套筒打磨工裝設計定位工裝時，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?。徊捎昧慵沽⒎绞?，將零件倒立在工裝臺上，并在兩側用圓柱限位，防止零件晃動。在設計夾爪時，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，完成一側的孔加工后需要轉動180°再加工另一側的孔，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方向的移動和轉動以及X軸的移動5個自由度；水平擋塊通過輔助側板固定在產(chǎn)品底部，可消除產(chǎn)品繞X軸的轉動。該夾具可以隨著四軸加工中心的第四軸轉動，帶動產(chǎn)品也轉動一定的角度，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計 為了提高工作效率，上下料機器人夾爪（見圖7）設計時使用副爪，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)品質量。

5. 結語

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)品質量，提高行業(yè)競爭力。