鐵路貨車轉(zhuǎn)向架彈簧視覺檢測及機器人智能選配系統(tǒng)研究

李傳翔，楊 兵，楊 順

（中國鐵路上海局集團有限公司 南京東車輛段，南京 210046）

搖枕彈簧、減振彈簧是鐵路貨車轉(zhuǎn)向架主要互換零部件，起到支撐和傳遞車輛簧上質(zhì)量、降低車輛振動引起的動載荷、優(yōu)化車輛運行品質(zhì)的重要作用，同時有效減輕車輛各部件之間、車輛與線路之間的沖擊。目前路內(nèi)大多數(shù)貨車車輛段使用的彈簧檢測分選設備需依靠人工將單簧依次輸入檢測線，采用單簧逐個檢測方式，再由人工或機器人工作站選配組裝。這種作業(yè)方式生產(chǎn)效率和自動化程度低，檢測誤差大，難以滿足鐵路高質(zhì)量、高效率的發(fā)展要求。

當前鐵路運輸向高速、重載方向發(fā)展，對鐵路車輛走行部的運行品質(zhì)提出更高的要求。為提高鐵路貨車轉(zhuǎn)向架彈簧檢修過程的智能化、自動化、機械化程度，提高檢修作業(yè)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，加快鐵路貨車檢修工藝裝備升級轉(zhuǎn)型，提出研制一種同一轉(zhuǎn)向架2組彈簧分組自動檢測識別、智能選配、輸送功能為一體的智能設備，實現(xiàn)各型鐵路貨車多種規(guī)格型號彈簧綜合判斷識別及彈簧智能選配功能。

1 整體方案設計

綜合考慮彈簧檢測選配效率和檢修工裝智能化、自動化發(fā)展方向，鐵路貨車轉(zhuǎn)向架彈簧視覺檢測及機器人智能選配系統(tǒng)設計采用整盤式彈簧自動輸送、檢測、分類及選配模式，主要由整盤彈簧自動輸送系統(tǒng)、3D視覺智能檢測工作站、智能選配中心、機器人選配工作站4部分組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)平面布置圖

系統(tǒng)主要技術指標：

（1）檢測對象：彈簧的高度值和半徑值；

（2）靜態(tài)檢測精度：0.1 mm；

（3）檢測時間：3 s；

（4）工業(yè)機器人軸數(shù)：6軸；

（5）工業(yè)機器人最大工作半徑：2 050 mm；

（6）工業(yè)機器人負載：45 kg；

（7）工業(yè)機器人重復定位精度（RP）：0.05～0.06 mm；

（8）系統(tǒng)工作效率：每托盤（半個轉(zhuǎn)向架彈簧）平均耗時不大于3 min。

1.1 整盤彈簧自動輸送系統(tǒng)

彈簧自動輸送系統(tǒng)由雙層倍速鏈輸送線體、線頭尾自動升降機構(gòu)、雙層自動轉(zhuǎn)角機構(gòu)、導向機構(gòu)、頂升機構(gòu)組成，同一轉(zhuǎn)向架的2組彈簧放置倍速鏈輸送線上層托盤并輸送至3D視覺檢測工作站，托盤經(jīng)過彈簧檢測工位和選配工位后成套輸出至彈簧裝配工位，組裝完畢空托盤由倍速鏈輸送線下層，通過線頭尾升降機構(gòu)輸送回彈簧拆卸起始工位，實現(xiàn)彈簧托盤自動化循環(huán)利用。整盤彈簧自動輸送系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 彈簧自動輸送系統(tǒng)平面布置圖

1.2 3D視覺智能檢測工作站

3D視覺智能檢測工作站用于采集整盤彈簧的空間數(shù)據(jù)信息和數(shù)量分布，計算得出彈簧半徑、高度值，判斷彈簧型號及彈簧類型，從而為智能選配中心進行彈簧的選配決策以及機器人選配工作站選配動作提供信息支撐。該工作站集成硬件與應用軟件，硬件部分包括3D結(jié)構(gòu)光成像模組、位移電缸和安裝殼體，軟件部分包括3D點云采集模塊和彈簧信息檢測模塊。

1.2.1 硬件設計

系統(tǒng)硬件包括3D結(jié)構(gòu)光成像模組、位移電缸和安裝殼體，主要用于對彈簧進行3D成像。

（1）3D結(jié)構(gòu)光成像模組

3D結(jié)構(gòu)光成像模組是獲得3D數(shù)據(jù)的核心部件，直接關系到3D結(jié)構(gòu)光X與Z方向的檢測分辨率、準確度和效率。3D結(jié)構(gòu)光成像模組技術參數(shù)：①成像分辨率：200萬像素；②激光能量：120 mW；③3D高度分辨率：±0.1 mm。3D結(jié)構(gòu)光成像模組如圖3所示。

圖3 3D結(jié)構(gòu)光成像模組

（2）位移電缸

位移電缸是控制3D結(jié)構(gòu)光Y方向位置的單元，其位移分辨率、定位準確度和運動速度直接關系到Y(jié)方向的成像分辨率、圖像畸變和成像效率。

位移電缸根據(jù)應用現(xiàn)場需求并采用理論計算進行選型。根據(jù)整盤彈簧外部尺寸、成像分辨率、準確度和速度需求，位移電缸總行程1 200 mm，最大移動速率1 500 mm/s。位移電缸如圖4所示。

圖4 位移電缸

（3）安裝殼體

安裝殼體主要由遮光外殼、3D結(jié)構(gòu)光成像模組安裝機構(gòu)及位移電缸安裝機構(gòu)組成，如圖5所示。

圖5 安裝殼體

遮光殼體采用碳鋼材料加工而成，考慮到內(nèi)部檢修調(diào)整、更換配件等問題，遮光外殼兩側(cè)均留有檢修門。

3D結(jié)構(gòu)光成像模組安裝機構(gòu)及位移電缸安裝機構(gòu)由鋁合金材質(zhì)加工氧化而成，3D結(jié)構(gòu)光成像模組及位移電缸通過對應的機構(gòu)安裝在遮光安裝殼體內(nèi)部。

1.2.2 軟件設計

軟件部分包括3D點云采集模塊和彈簧信息檢測模塊，3D點云采集模塊基于硬件部分的3D結(jié)構(gòu)光成像模組采集整盤彈簧3D點云數(shù)據(jù)，彈簧信息檢測模塊基于選擇的設計工具以及硬件部分采集的彈簧形貌數(shù)據(jù)，開發(fā)檢測算法。

檢測算法根據(jù)檢測需求檢測出彈簧高度、半徑數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給后續(xù)選配算法，選配算法根據(jù)檢測彈簧數(shù)據(jù)值及檢修工藝選配標準進行判斷，工控機根據(jù)軟件選配算法判斷結(jié)果給機器人發(fā)送相應指令執(zhí)行選配動作。檢測算法流程如圖6所示。

圖6 檢測算法流程圖

1.3 智能選配中心

智能選配中心由硬件和軟件組成，硬件主要為主控系統(tǒng)工控機、觸摸屏顯示器［1］；軟件系統(tǒng)為根據(jù)轉(zhuǎn)向架彈簧檢修工藝標準及規(guī)則編制的智能選配控制軟件。

系統(tǒng)根據(jù)選配區(qū)的彈簧檢測數(shù)據(jù)信息，按照對應的彈簧規(guī)格、型號參數(shù)將其進行分類，然后統(tǒng)計每個類型的彈簧。在選配區(qū)和緩存區(qū)以及新簧區(qū)的彈簧中，選出符合外簧之間高度要求的滿足數(shù)量的外簧，然后將這些外簧分別按照內(nèi)外簧匹配要求以及內(nèi)簧之間匹配要求來配對內(nèi)簧，所選出的彈簧集合即是符合貨車檢修工藝規(guī)程的一組彈簧。

選配區(qū)和緩存區(qū)的數(shù)量總和大于等于所需的彈簧數(shù)量，最后會選出多組符合要求彈簧，根據(jù)最優(yōu)原則盡量少的替換彈簧，盡量少的用新簧，盡量多的保留選配區(qū)彈簧，選出最優(yōu)彈簧組合。

選取最優(yōu)組彈簧后，對于機械臂抓取的順序亦有要求，機械夾爪抓放彈簧都是內(nèi)撐式抓取，且選配區(qū)是內(nèi)簧放在外簧中，故而抓放外簧必須保證對應內(nèi)簧不在，因此對抓取順序要遵循一定的原則，以盡量減少機械夾爪動作。機械手先將選配區(qū)需要取走的內(nèi)簧取走，其次將外簧取走，然后將需要放置到選配區(qū)的外簧放入，最后放入選配區(qū)內(nèi)簧。

1.4 機器人選配工作站

機器人選配工作站由ABB工業(yè)機器人及選配機構(gòu)平臺組成。機器人通過Device Net網(wǎng)絡標準I/O板連接PLC I/O模塊，由PLC控制機器人啟動；機器人通過TCP/IP協(xié)議與主控系統(tǒng)通信，由主控系統(tǒng)控制機器人進行選配動作［2］。

選配機構(gòu)平臺由選配區(qū)、緩存區(qū)、新簧區(qū)、廢簧區(qū)組成。工業(yè)機器人根據(jù)智能選配中心的決策執(zhí)行動作，將彈簧轉(zhuǎn)移至對應的選配機構(gòu)平臺。

廢簧區(qū)由報廢簧小車組成，檢測出的不合格彈簧直接放進報廢簧小車。

緩存區(qū)由緩存平臺組成，檢測的合格彈簧，依據(jù)彈簧匹配工藝要求，暫時無法匹配的彈簧放入緩存區(qū)等待下一次匹配。

新簧區(qū)由雙層新簧存放平臺組成，當前選配區(qū)彈簧以及緩存區(qū)彈簧無法完成匹配時，機器人抓取新簧區(qū)標準彈簧完成匹配過程。

2 系統(tǒng)關鍵技術

2.1 彈簧智能檢測及分類方法

2.1.1 3D視覺檢測技術

系統(tǒng)采用自主研制的3D智能相機傳感模塊，集成硬件與自主軟件，將國際上先進的激光掃描測量技術、3D機器視覺及環(huán)境建模技術、3D環(huán)境識別技術、3D結(jié)構(gòu)光成像及光渲染模擬技術和3D點云分析處理技術融于一體，采用非接觸式線性磁編碼器技術，實現(xiàn)了精密的激光及攝像機的位置控制，能夠精確感知3D環(huán)境及物品信息，通過重建的3D空間模型，實現(xiàn)對3D空間中物體的識別、3D形狀測量和定位分揀，從而實現(xiàn)彈簧高度、外徑檢測要求，同時實時顯示并存儲檢測結(jié)果。彈簧視覺檢測工序流程如圖7所示。

圖7 彈簧視覺檢測工序流程

該系統(tǒng)采用基于線激光的結(jié)構(gòu)光3D視覺方案，利用激光三角測距原理，通過從已知角度投影一個激光點到被測物體上，然后用攝像機獲取該點的圖像，激光束投影儀與攝像機之間相距一個基線距離。當激光點擴展成一條直線，那么沿著這條直線上點的高度信息均可由三角測量原理獲得，使激光線沿著水平且垂直于激光線的方向產(chǎn)生移動，就可以獲得整個面內(nèi)的所有3D數(shù)據(jù)。

基于點激光的三角測距原理如圖8所示，基于線激光結(jié)構(gòu)光3D成像原理如圖9所示。

圖8 點激光的三角測距原理

圖9 線激光結(jié)構(gòu)光3D成像原理

2.1.2 3D視覺檢測分類方法

采用3D智能相機傳感模塊對輸送線檢測工位彈簧進行掃描并采集3D點云數(shù)據(jù)，再通過3D檢測算法對點云數(shù)據(jù)進行分析，得出彈簧的高度和半徑檢測值，并通過對檢測值進行分析，判斷彈簧的型號、規(guī)格、數(shù)量以及彈簧合格與否，其原理如下：

事先在主控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫存儲待檢測的K2、K6型號彈簧的各種單簧的參數(shù)范圍，每通過3D視覺檢測出一個彈簧的檢測值（高度、半徑值），主控系統(tǒng)對檢測值進行分析，將彈簧的特征參數(shù)與預先設定的彈簧特征參數(shù)范圍進行比對，如落在某型號彈簧特征參數(shù)范圍內(nèi)，則判定為該類型彈簧。枕簧技術參數(shù)見表1［3］。

表1 枕簧技術參數(shù)表

2.2 彈簧智能選配算法

基于轉(zhuǎn)向架彈簧選配規(guī)則和仿真數(shù)據(jù)開發(fā)最優(yōu)化智能決策算法，同時對多個彈簧的檢測參數(shù)（包括選配區(qū)彈簧、緩存區(qū)彈簧、新簧區(qū)彈簧）進行分析，得出選配策略的多個彈簧集合，并對彈簧集合進行綜合對比，得出最優(yōu)彈簧選配集合，該彈簧集合中滿足當前選配規(guī)則的選配區(qū)彈簧仍然留在選配區(qū)，不滿足當前選配規(guī)則的選配區(qū)彈簧進入緩存區(qū)，滿足當前選配規(guī)則的緩存區(qū)彈簧進入選配區(qū)，選配區(qū)不足的彈簧由新簧區(qū)補充。

分揀選配工作由工業(yè)機器人完成，進行智能選配。工業(yè)機器人主要包括主體和專用雙頭彈簧夾具。機器人機械臂設計了多條不同的最短運動軌跡，根據(jù)檢測和選配結(jié)果的不同，將不合格彈簧、符合選配規(guī)則彈簧、不符合選配規(guī)則彈簧等均以最短路徑放置于對應區(qū)域，實現(xiàn)對彈簧分區(qū)管理。采用一體化雙頭外撐式彈簧夾具，可以不用更換夾具實現(xiàn)彈簧內(nèi)簧或外簧的抓取，提高了機器人工作效率。

2.3 整盤彈簧輸送方法

自主設計的輸送、檢測、選配一體化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)同一轉(zhuǎn)向架的兩盤彈簧通過輸送、檢測和選配后成套輸出，大大提高了系統(tǒng)的整體工作效率。

3 系統(tǒng)應用效果

系統(tǒng)于2018年11月在南京東車輛段研制投用以來，性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準確可靠，經(jīng)檢測選配后的彈簧符合鐵路貨車檢修工藝標準組裝要求。系統(tǒng)實現(xiàn)了彈簧檢測、選配重組、整盤輸送過程的自動化、機械化以及智能化的整體設計目標，在保障安全生產(chǎn)的前提下，提高了彈簧檢測的選配效率，降低了用工成本和勞動強度。轉(zhuǎn)向架彈簧分解、輸送、檢測選配及組裝工序原來需4人作業(yè)，采用該系統(tǒng)后僅需上、下料端2人即可完成，年節(jié)約用工成本數(shù)十萬元。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)率先提出了鐵路貨車轉(zhuǎn)向架彈簧自主管理及選配的合理解決方案，并在工廠內(nèi)予以驗證實現(xiàn)，真正將人力從彈簧的管理、選配中解放出來，有力地推動了鐵路行業(yè)的智能升級。系統(tǒng)引入工業(yè)機器人應用于彈簧檢修過程，實現(xiàn)了彈簧自動搬運、分揀及科學管理，對提高鐵路裝備自動化、智能化水平，促進鐵路檢修裝備結(jié)構(gòu)調(diào)整具有深遠的意義。