機(jī)器人技術(shù)在地鐵車輛檢修作業(yè)中的應(yīng)用探討

史時(shí)喜 宗超

摘 要：地鐵車輛檢修中應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，將改善作業(yè)環(huán)境、提升檢修質(zhì)量、優(yōu)化工藝流程。文章通過(guò)分析地鐵車輛檢修作業(yè)內(nèi)容及作業(yè)特點(diǎn)，梳理出機(jī)器人技術(shù)在地鐵車輛檢修作業(yè)中適用范圍及技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合地鐵車輛檢修關(guān)鍵工序作業(yè)特征，提出檢修作業(yè)機(jī)器人選型原則，并對(duì)典型機(jī)器人設(shè)備選型及應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;檢修;機(jī)器人;激光清洗

中圖分類號(hào)：U231+.96

為保證地鐵系統(tǒng)的服務(wù)可靠，必須對(duì)地鐵列車進(jìn)行合理和足夠的檢修保養(yǎng)，使其保持良好的工作狀態(tài)[1-2]。機(jī)器人技術(shù)日益發(fā)展，其應(yīng)用較為廣泛，在焊接、裝配、搬運(yùn)等機(jī)械制造作業(yè)中的應(yīng)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(guó)內(nèi)地鐵車輛檢修普遍以人工作業(yè)為主，如何減輕作業(yè)人員工作強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境，提高檢修質(zhì)量，成為地鐵車輛檢修作業(yè)所面臨的重要問(wèn)題。尤其在一些作業(yè)環(huán)境惡劣、重復(fù)次數(shù)多的地鐵車輛檢修作業(yè)中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，是行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[6-7]。

1 車輛檢修作業(yè)內(nèi)容

目前我國(guó)地鐵車輛檢修分為列檢、周月檢、定修、架修、大修5個(gè)等級(jí)，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(yè)中，不同級(jí)的車輛檢修作業(yè)內(nèi)容也有所不同。各級(jí)檢修作業(yè)內(nèi)容如下。

1.1 列檢

對(duì)受電弓、控制裝置、各種電氣裝置、轉(zhuǎn)向架、空氣制動(dòng)裝置、車鉤緩沖裝置、鉸接裝置、車門(mén)、車體、車燈、蓄電池箱等主要部件進(jìn)行外觀檢查。

1.2 周月檢

對(duì)主要部件進(jìn)行外觀檢查，主要檢查蓄電池、受電弓、輪對(duì)、制動(dòng)閘瓦的相對(duì)尺寸等;對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行檢查;對(duì)易損件進(jìn)行檢查更換;對(duì)危及行車安全的故障進(jìn)行重點(diǎn)修理。

1.3 定修

不架車，主要進(jìn)行車輛的各系統(tǒng)狀態(tài)檢查、檢測(cè);各部件全面檢查、清潔、潤(rùn)滑，部分部件如受電弓、空調(diào)、蓄電池等部件需卸下后進(jìn)行狀態(tài)檢查、檢測(cè)及修理，并進(jìn)行必要的試驗(yàn);定修后車輛各系統(tǒng)需進(jìn)行全面檢測(cè)、調(diào)試及試驗(yàn)。

1.4 架修

通過(guò)架車對(duì)車輛的重要部件，特別是轉(zhuǎn)向架及輪對(duì)、電機(jī)、電器、空調(diào)機(jī)組、車鉤緩沖器裝置、制動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行分解、清洗、檢查、探傷、修理，更換報(bào)廢零部件;對(duì)電氣部件進(jìn)行清潔和測(cè)試;對(duì)修竣后車輛各系統(tǒng)進(jìn)行全面檢測(cè)、調(diào)試及試驗(yàn)。

1.5 大修

通過(guò)架車對(duì)車輛各部件和系統(tǒng)進(jìn)行全面的分解、檢查及整修，對(duì)轉(zhuǎn)向架、車體等進(jìn)行測(cè)量與整形;綜合技術(shù)改造對(duì)部分系統(tǒng)進(jìn)行全面的更換;對(duì)車輛各系統(tǒng)進(jìn)行全面檢測(cè)、調(diào)試及試驗(yàn)，完全恢復(fù)其性能;重新油漆標(biāo)記;修竣車的靜調(diào)和試車[10-11]。

從各級(jí)修程檢修作業(yè)內(nèi)容可以看出，定修作業(yè)主要以現(xiàn)車修理為主，較少部件從車體上拆卸;架修、大修作業(yè)時(shí)，車體部分定位作業(yè)，轉(zhuǎn)向架等部件檢修則多采用互換修作業(yè)。

2 機(jī)器人技術(shù)適用范圍

通過(guò)對(duì)地鐵車輛檢修內(nèi)容分析，總結(jié)機(jī)器人技術(shù)在地鐵車輛檢修作業(yè)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(duì)車輛主要部件進(jìn)行拆卸分解和分解后零部件的轉(zhuǎn)運(yùn)。對(duì)此可應(yīng)用裝配機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行零部件的拆卸，應(yīng)用搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行零部件的轉(zhuǎn)運(yùn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)混合作業(yè)，大大提高作業(yè)效率。以轉(zhuǎn)向架檢修時(shí)軸承拆裝為例，可應(yīng)用自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人（AGV）進(jìn)行軸承轉(zhuǎn)運(yùn)，實(shí)現(xiàn)部件快速回庫(kù);應(yīng)用機(jī)器人對(duì)軸承進(jìn)行存放作業(yè)，并自動(dòng)將存放結(jié)果錄入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

2.2 清潔清理

車輛檢修作業(yè)中清潔清理主要包括車底吹掃、除漆除銹等，其中對(duì)地鐵列車底部進(jìn)行吹掃除塵，是地鐵列車檢修的必要工序[12]。可將傳統(tǒng)手持工具安裝在機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)上，將作業(yè)者轉(zhuǎn)化為操作者，或應(yīng)用激光加工機(jī)器人技術(shù)和涂裝機(jī)器人技術(shù)等進(jìn)行惡劣環(huán)境下的操作，實(shí)現(xiàn)人員與作業(yè)環(huán)境分離。如車底吹掃作業(yè)中可應(yīng)用機(jī)器人加持吹掃槍進(jìn)行作業(yè)，輪對(duì)、構(gòu)架的除銹除漆可用機(jī)器人安裝相應(yīng)的清潔工具進(jìn)行作業(yè)，達(dá)到穩(wěn)定良好的作業(yè)效果。

2.3 故障檢測(cè)

地鐵車輛檢修中常見(jiàn)故障類型包括視覺(jué)類故障、嗅覺(jué)類故障、聽(tīng)覺(jué)類故障、觸覺(jué)類故障。機(jī)器人技術(shù)在視覺(jué)類故障檢測(cè)中主要通過(guò)工業(yè)機(jī)器人搭載自動(dòng)化成套設(shè)備，結(jié)合線陣掃描技術(shù)及運(yùn)用圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，研究可自動(dòng)運(yùn)行、無(wú)需人工干預(yù)的關(guān)鍵部件檢測(cè)系統(tǒng)，形成專項(xiàng)檢查機(jī)器人。對(duì)于嗅覺(jué)類、聽(tīng)覺(jué)類和觸覺(jué)類故障，還需要機(jī)器人安裝聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)傳感器。

2.4 故障修理

目前國(guó)內(nèi)外車輛檢修作業(yè)方式主要采用現(xiàn)車修理和換件修理相結(jié)合的檢修模式。在現(xiàn)車修理模式中，因?yàn)楣收项愋投鄻?，修理作業(yè)難度較大且作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，機(jī)器人技術(shù)難以得到完全應(yīng)用，僅能在一些繁瑣而固定的修理操作中應(yīng)用。例如，應(yīng)用材料加工機(jī)器人技術(shù)和螺栓緊固機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行表面打磨、螺栓緊固等。在換件修理模式中，可應(yīng)用移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和裝配機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行故障零部件的拆卸、替換件的調(diào)用和安裝等。

2.5 重組驗(yàn)收

對(duì)地鐵車輛上各單元模塊進(jìn)行重新組裝后需進(jìn)行性能參數(shù)測(cè)試。性能參數(shù)測(cè)試包括各單元功能試驗(yàn)、受電弓升落時(shí)間測(cè)試和接觸壓力測(cè)試等。由于測(cè)試多在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，作業(yè)難度較大，同時(shí)還需進(jìn)行調(diào)試達(dá)到最佳工作狀態(tài)，因此機(jī)器人技術(shù)難以大范圍應(yīng)用。但相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量，例如，磨耗板厚度、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距、轉(zhuǎn)向架輪重等，可應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)作為獲取環(huán)境信息和被測(cè)物體信息的手段。以構(gòu)架外形檢測(cè)工作為例，可以采用機(jī)器人加持輪廓儀、工業(yè)相機(jī)等檢測(cè)工具，使用外形幾何尺寸測(cè)量方法、圖像對(duì)比法等進(jìn)行操作分析。

3 機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用探討

3.1 機(jī)器人選型

機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到地鐵車輛檢修作業(yè)中，針對(duì)某項(xiàng)工作進(jìn)行機(jī)器人的選型非常重要，下面主要從4個(gè)方面介紹機(jī)器人選型中需要注意的參數(shù)。

3.1.1 有效負(fù)載

有效負(fù)載指機(jī)器人在工作時(shí)臂端能夠搬運(yùn)的物體重量或所能承受的力和力矩，用以表示機(jī)器人的負(fù)荷能力。機(jī)器人在不同位置時(shí)，允許的最大可搬運(yùn)質(zhì)量不同，因此，機(jī)器人的額定可搬運(yùn)質(zhì)量是指其臂桿在工作空間中任意位置時(shí)腕關(guān)節(jié)端部能搬運(yùn)的最大質(zhì)量。

3.1.2 自由度數(shù)

機(jī)器人的軸數(shù)決定了機(jī)器人的自由度，即機(jī)器人的靈活性。自由物體在空間有6個(gè)自由度，工業(yè)機(jī)器人多為開(kāi)式連桿系，每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副只有1個(gè)自由度，通常機(jī)器人的自由度數(shù)目就等于其關(guān)節(jié)數(shù)。機(jī)器人的自由度數(shù)目越多，其功能就越強(qiáng)。目前工業(yè)機(jī)器人通常具有4 ～6個(gè)自由度。

3.1.3 最大動(dòng)作范圍

當(dāng)評(píng)估目標(biāo)應(yīng)用到具體場(chǎng)合時(shí)，應(yīng)了解機(jī)器人需達(dá)到的最大距離，注意機(jī)器人在近身及后方的一片非工作區(qū)域。根據(jù)相應(yīng)機(jī)器人的動(dòng)作范圍，判斷該機(jī)器人是否適用于該特定場(chǎng)合。

3.1.4重復(fù)精度

重復(fù)精度可以描述為對(duì)同指令從同一方向重復(fù)響應(yīng)多次后實(shí)到位置的不一致程度，主要取決于機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)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(yīng)用場(chǎng)合機(jī)器人的重復(fù)精度要求也不一樣。機(jī)器人應(yīng)用在軸承組裝時(shí)，需要一個(gè)超級(jí)精密重復(fù)精度的機(jī)器人;而當(dāng)機(jī)器人應(yīng)用在車底檢測(cè)、吹掃作業(yè)時(shí)，因?yàn)楣ば虮旧韺?duì)重復(fù)精度要求不高，工業(yè)機(jī)器人也就不需要那么精密。

3.2 典型機(jī)器人設(shè)備探討

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有相關(guān)廠家將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到地鐵車輛智能檢測(cè)中。根據(jù)作者近年對(duì)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到地鐵車輛檢修中的研究，下面對(duì)目前可在地鐵車輛檢修作業(yè)中應(yīng)用的幾種典型機(jī)器人設(shè)備進(jìn)行探討。

3.2.1 車底吹掃設(shè)備

車底吹掃設(shè)備（圖1）是一套基于機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器人技術(shù)以及自動(dòng)導(dǎo)引技術(shù)的全自動(dòng)化車底清潔設(shè)備。該設(shè)備采用在兩軌之間鋪設(shè)簡(jiǎn)易軌向道的方式，通過(guò)安裝支架將智能化檢測(cè)系統(tǒng)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(yè)相機(jī)，掃描車底輪廓圖像，對(duì)車底部件進(jìn)行輪廓識(shí)別，用于后期機(jī)器人吹掃作業(yè)時(shí)的路徑規(guī)劃和避障數(shù)據(jù)依據(jù)。使用機(jī)器人加裝吹掃槍，根據(jù)規(guī)劃路徑對(duì)車底重點(diǎn)部件進(jìn)行多角度吹掃作業(yè)，并可通過(guò)工業(yè)相機(jī)自檢所吹掃部件的清潔程度，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)吹掃風(fēng)壓、吹掃時(shí)間和吹掃次數(shù)等，實(shí)現(xiàn)智能化吹掃作業(yè)。

車底吹掃設(shè)備整體重量約為1 kg，因此要求機(jī)器人有效負(fù)載為5 kg。機(jī)器人本身體積不應(yīng)過(guò)大，工作半徑應(yīng)在800 mm左右，自由度為6軸。對(duì)重復(fù)精度方面沒(méi)有嚴(yán)格要求，10 mm即可。在吹掃試驗(yàn)過(guò)程中，要求吹掃槍緩慢運(yùn)行，速度約為100 mm/s。

3.2.2 輪對(duì)激光清洗設(shè)備

輪對(duì)激光清洗設(shè)備（圖2）主要用于地鐵輪對(duì)表面油漆、銹斑的自動(dòng)化智能清洗。該系統(tǒng)采用激光清洗的方式，借助機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)等進(jìn)行作業(yè)。在設(shè)備作業(yè)的同時(shí)利用工業(yè)相機(jī)對(duì)除漆、除銹效果進(jìn)行自檢，如果效果不達(dá)標(biāo)，則進(jìn)行二次或多次清洗，確保優(yōu)質(zhì)的除漆、除銹效果。

輪對(duì)激光清洗設(shè)備所應(yīng)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(jī)器人有效負(fù)載為5 kg即可。輪對(duì)激光清洗設(shè)備需要在所配備工業(yè)相機(jī)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)引導(dǎo)下，能自適應(yīng)各種輪對(duì)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用機(jī)器人手臂自動(dòng)操作，因此選擇自由度為6軸的機(jī)器人。機(jī)器人的工作半徑在900 mm左右即可滿足覆蓋輪對(duì)的作業(yè)需求，重復(fù)精度要求1 mm左右。

3.2.3 軸承測(cè)量機(jī)設(shè)備

軸承測(cè)量機(jī)設(shè)備（圖3）應(yīng)用機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)、接觸式測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承尺寸的自動(dòng)測(cè)量。系統(tǒng)設(shè)備由工業(yè)機(jī)器人、氣爪、內(nèi)外徑測(cè)量臺(tái)、測(cè)量平臺(tái)、電氣系統(tǒng)等組成。由于軸承較重，因此要求機(jī)器人負(fù)載能力在100 kg左右，工作半徑2 000 mm左右，且重復(fù)精度要求較高。

該設(shè)備應(yīng)用KUKA工業(yè)機(jī)器人抓取軸承，采用智能化數(shù)顯千分表接觸式測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承所有尺寸的自動(dòng)測(cè)量。設(shè)備可取代人工方式，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。測(cè)量系統(tǒng)軟件可將測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值或范圍進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。當(dāng)測(cè)量結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，設(shè)備自動(dòng)匹配合格并記錄數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)有地鐵車輛檢修工作場(chǎng)地、工作模式改進(jìn)的大環(huán)境背景下，機(jī)器人可以與人同時(shí)在工作區(qū)域內(nèi)直接進(jìn)行交互工作，這既能體現(xiàn)出機(jī)器人作業(yè)優(yōu)勢(shì)，又能保留現(xiàn)有檢修工藝。隨著機(jī)器人性能逐步提升，機(jī)器人在地鐵車輛檢修中也必將呈現(xiàn)發(fā)展普及趨勢(shì)。但機(jī)器人技術(shù)在地鐵車輛檢修中進(jìn)一步應(yīng)用，需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)。

（1）傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人與協(xié)作機(jī)器人各有優(yōu)勢(shì)和不足，需要結(jié)合地鐵車輛實(shí)際檢修工藝內(nèi)容，對(duì)這兩種機(jī)器人技術(shù)和作業(yè)人員三者之間的工作模式進(jìn)行深入研究，力求機(jī)器人技術(shù)能夠在地鐵車輛檢修中發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)，最大程度地提高檢修效率和質(zhì)量。

（2）完善機(jī)器人功能結(jié)構(gòu)，細(xì)化檢修范圍，解決地鐵車輛檢修作業(yè)中故障類型多、檢查范圍廣的問(wèn)題。結(jié)合地鐵車輛實(shí)際檢修工藝流程，研究機(jī)器人作業(yè)體系，重點(diǎn)研究各檢修環(huán)節(jié)之間的銜接，避免工作節(jié)拍不嚴(yán)謹(jǐn)，工序間易等待等現(xiàn)象。

（3）提高機(jī)器人檢修作業(yè)的實(shí)用化水平，包括帶電檢修機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間，交互機(jī)器人的安全防護(hù)及危險(xiǎn)處理，自身的可靠性，路徑規(guī)劃能力，人、物識(shí)別能力，控制系統(tǒng)安全能力和抗干擾能力等。

（4）研究機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊組合化（包括機(jī)械模塊、控制模塊、信息檢測(cè)模塊等），降低制造成本，提高可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣衛(wèi)平.地鐵車輛維修模式與車輛段工藝設(shè)計(jì)[J].城市軌道交通研究，2000（1）：32-35.

[2]邢海福，郭正海.杭州地鐵車輛“均衡修”維修模式研究與實(shí)踐[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2020（2）：21-25.

[3]賈佳.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用[J].開(kāi)封大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29（4）：93-96.

[4]孫紅英.工業(yè)機(jī)器人在智能制造中的應(yīng)用研究[J].電子測(cè)試，2020（12）：129-130.

[5]宮本俊雄，內(nèi)藤俊雄，李文.機(jī)器人在鐵路機(jī)車車輛檢修作業(yè)中的應(yīng)用[J].國(guó)外機(jī)車車輛工藝，1984（4）：23-27.

[6]程春陽(yáng).基于智能列檢機(jī)器人的地鐵車輛維修策略研究[J].鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì)，2020（2）：85-89.

[7]陳文芳.地鐵車輛檢修制度改革之我見(jiàn)[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2007（1）：36-37.

[8]賈雄偉.地鐵車輛檢修模式及檢修技術(shù)研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（19）：177-178.

[9]王亞平.從車輛大架修作業(yè)內(nèi)容談檢修設(shè)施模塊化配置[J].城市軌道交通研究，2014（7）：73-75.

[10] 謝志平.佛山地鐵2號(hào)線林岳車輛段架大修能力分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2019（3）：30-33.

[11] 江恒. 地鐵底部移動(dòng)式除塵設(shè)備研究與設(shè)計(jì)[D].重慶：重慶大學(xué)，2018.

收稿日期 2020-05-07

責(zé)任編輯 宗仁莉