軌道車輛門系統(tǒng)絲桿無人化生產(chǎn)技術研究

王友斌 ，王慧 ，位云成，史旭東

（南京工程學院，江蘇 南京 211167）

隨著國內(nèi)外城市軌道交通的迅猛發(fā)展，軌道車輛門的產(chǎn)量逐年增加。絲桿作為軌道車輛門系統(tǒng)的重要傳動零件，因其加工工序多、工藝復雜、精度要求高，一直是機械加工領域中的難點。目前，國內(nèi)企業(yè)對于軌道車輛門系統(tǒng)中絲桿的加工大多采用人工運料、裝卸料，數(shù)控機床加工的生產(chǎn)方式。工人勞動強度大、生產(chǎn)效率低。因此提高軌道車輛門系統(tǒng)絲桿加工生產(chǎn)的自動化程度和精度，盡可能用“機器換人”，最終實現(xiàn)絲桿加工車間的無人化生產(chǎn)，是企業(yè)綠色安全生產(chǎn)、降耗増效的主要途徑。本文所述的絲桿無人化自動生產(chǎn)線正是基于這樣的背景提出的。

1 生產(chǎn)線概述

1.1 生產(chǎn)線技術要求

（1）產(chǎn)品參數(shù)。軌道交通某客室門單個絲桿（成品）的主要參數(shù)如表1所示。

表1 絲桿參數(shù)

（2）生產(chǎn)節(jié)拍。無人化生產(chǎn)線原則上不改變原有絲桿生產(chǎn)組織模式和加工工藝，工藝循環(huán)時間控制為9min。若為2班，最大產(chǎn)能為100根/天；若為3班，最大產(chǎn)能為140根/天。

1.2 生產(chǎn)線組成

絲桿自動無人化生產(chǎn)線主要包括機械系統(tǒng)（本體）、控制系統(tǒng)（信息處理、檢測設備、傳感器等）、物流系統(tǒng)三大板塊，整體框架如圖1所示。

圖1 絲桿無人化生產(chǎn)線框架

2 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：即自動上下料裝置、數(shù)控機床和物料輸送線（工業(yè)機器人）。根據(jù)絲桿加工的工藝流程，機械系統(tǒng)總體設計方案如圖2所示。

圖2 機械系統(tǒng)總體方案

2.1 自動上下料裝置

自動上下料裝置是自動化生產(chǎn)線機械系統(tǒng)的核心部分，主要實現(xiàn)物料的上料、裝夾和下料的自動化。因加工對象絲桿本身比較長，一般機械手難以完成自動上下料動作，同時考慮到與物料輸送機器人的銜接，最終確定自動上下料裝置方案如圖3所示。夾持送料機構(gòu)夾持頭安裝在芯軸上，外面有帶錐度的外套筒，氣缸帶動外套筒實現(xiàn)絲桿的夾緊和松開，通過伺服電機驅(qū)動齒輪齒條，精準控制送料尺寸；上下料架是為防止機床等待，同時設置毛胚上料架和成品下料架，且料架均設計成斜坡式，通過上下分料盤實現(xiàn)上料和卸料自動周轉(zhuǎn)；夾持機械手，由伸縮氣缸帶動氣動V型夾爪實現(xiàn)絲桿定位夾緊。

圖3 自動上下料裝置示意圖

2.2 機床自動化加工改造

為配合自動上下料裝置的設計方案，實現(xiàn)絲桿加工的完全自動化，還需對車間設備的部分細節(jié)進行相關改造。

（1）螺桿銑床改造。為滿足自動化生產(chǎn)線的需求，對螺桿銑床進行如下改造：①跟刀架重新設計制作。在滿足原有跟刀架精度和功能要求的基礎上，將上部手工壓緊裝置改為自動液壓壓緊。自動壓緊裝置壓緊力需適當，不得造成絲桿本身變形，影響加工精度。此外，定位銷需插入鎖閉端內(nèi)，并需與鎖閉端根部可靠卡住。②將原卡盤改為氣動卡盤。中心位置與跟刀架、頂針中心保持一致，滿足絲桿的精度要求。

（2）TH5640加工中心改造。為滿足自動化生產(chǎn)線的需求，對現(xiàn)有TH5640數(shù)控加工中心進行如下改造：①小卡盤改為氣動卡盤，實現(xiàn)送料后自動夾緊；②第4軸增加一套氣動卡盤用于自動夾緊。第4軸氣動卡盤中心位置和小卡盤中心位置需保持一致，滿足絲桿的尺寸精度和幾何公差要求；③中段支撐增加自動頂升支撐裝置。絲桿毛坯被小卡盤和第4軸卡盤自動夾緊后，支撐自動升起，起到支撐作用，保證絲桿加工時的直線度。頂起行程不宜過大，以免造成絲桿過定位和變形。④為彌補絲桿毛坯長短不一的問題，自動送料裝置送料至端頭即可，增加通電檢測裝置，控制送料進給長度可靠。

（3）拋光機床改造。由于絲杠在粗、精銑后螺桿槽外邊緣存有毛刺，需設計制作自動拋光機構(gòu)，如圖4所示。拋光機構(gòu)由百潔布拋光和砂紙拋光兩個組件構(gòu)成。

圖4 拋光機構(gòu)設計

3 控制系統(tǒng)

生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)采用電-氣混合控制方案。邏輯控制回路采用電氣控制系統(tǒng)，在其輸出部分通過先導電磁閥將電信號轉(zhuǎn)換成氣動信號，從而推動主控氣動換向閥換向，控制執(zhí)行元件。又因電信號可以遠距離傳輸，可將邏輯控制回路部分遠離工作現(xiàn)場，將全氣控的執(zhí)行元件和主控閥放在環(huán)境惡劣的工作現(xiàn)場。它既保留了全氣控系統(tǒng)抗干擾能力強的特點，又具有電控系統(tǒng)控制方便、程序靈活可變的優(yōu)點，完全能夠適應復雜的工作環(huán)境和控制要求。

電氣控制系統(tǒng)采用觸摸屏與PLC聯(lián)合進行控制。PLC作為控制器，完成信號的采集和處理、伺服定位控制、自動上下料控制等功能；觸摸屏作為人機交互裝置，負責系統(tǒng)的參數(shù)設置、運行狀態(tài)顯示以及控制調(diào)試等；伺服電機及氣缸、液壓缸作為動作執(zhí)行元件，磁性開關、接近開關及位置傳感器作為檢測設備，完成整個控制系統(tǒng)設計。

4 生產(chǎn)物流系統(tǒng)

生產(chǎn)物流系統(tǒng)是一個集計算機、機械、電氣等技術為一體，實現(xiàn)產(chǎn)品的傳輸、識別、分揀、倉儲、檢索等環(huán)節(jié)的全程自動化作業(yè)系統(tǒng)。

4.1 生產(chǎn)車間布局分析與設計

生產(chǎn)物流基本的流動模式有直線形、L形、U形、環(huán)形和S形五種。根據(jù)企業(yè)車間的布局結(jié)構(gòu)及自動化生產(chǎn)線的特點，本文采用系統(tǒng)設施規(guī)劃布置SLP，確定使用直線形流動模式，見圖2。

4.2 生產(chǎn)物流系統(tǒng)的建模與仿真

生產(chǎn)物流建模技術主要包括動循環(huán)圖法、流程圖法、面向?qū)ο蠓?。為了能在仿真過程中獲得更接近真實系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，本文采用Petri網(wǎng)法和面向?qū)ο蠼７ńY(jié)合的混合建模技術。

4.3 自動識別技術

生產(chǎn)管理過程中，不可避免地面臨大量的、反復的數(shù)據(jù)輸入或數(shù)據(jù)采集。自動識別技術可有效解決物流信息系統(tǒng)中信息采集速度慢、出錯率高等問題。本文綜合考慮絲桿加工車間的空間、成本、信息容量等因素，決定采用RFID（射頻識別）技術。RFID的基本流程是：讀寫器將無線電載波信號經(jīng)發(fā)射天線向外發(fā)射，標簽進入天線工作區(qū)域時被激活，天線將信號傳輸給讀寫器，讀寫器對信號進行解調(diào)解碼，隨后將其送往計算機控制系統(tǒng)中進行有關數(shù)據(jù)處理。

在物流信息系統(tǒng)中引入自動識別技術，其最直接的優(yōu)勢就在于可以監(jiān)控每件產(chǎn)品在企業(yè)內(nèi)的整個生命周期情況，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯等功能。

5 結(jié)語

本文所述的無人化生產(chǎn)線主要用于軌道車輛門系統(tǒng)絲桿加工，自動化程度高。通過集成自動上下料裝置和桁架機器人運送裝置，對生產(chǎn)設備進行自動化改造，構(gòu)建了生產(chǎn)線的機械系統(tǒng)，采用觸摸屏與PLC聯(lián)合策略實現(xiàn)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)無人化；利用Petri網(wǎng)法和面向?qū)ο蠼７ńY(jié)合的混合建模技術對生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行建模與仿真，將自動識別技術運用于物流系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)管理無人化。該生產(chǎn)線有效提高了絲桿的加工精度和生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。