制動盤螺栓扭矩校驗用機器人生產(chǎn)線設計

李 濤

（廣州鐵路職業(yè)技術學院 機車車輛學院，廣州 510430）

輪對作為動車九大關鍵技術之一，對動車組的安全起著決定性作用[1-2]。中國鐵路高速（China Railway High-speed，CRH）動車組最高時速高達350 km，運行過程中必須保證輪對上的制動盤螺栓不能有絲毫松動，否則會危及動車組的運行安全。CRH動車組檢修分為一級檢修、二級檢修、三級檢修、四級檢修和五級檢修[3-4]。在三級檢修以上時，轉向架需進行分解，才能對安裝在轉向架輪對上的制動盤螺栓扭矩校驗。檢查時，需要檢查螺栓扭矩是否在要求范圍內。若在要求范圍內，螺栓可繼續(xù)使用；若超出范圍，則需更換螺栓及相關緊固件。

目前，動車組制動盤螺栓扭矩校驗多采用人工校驗。動車組轉向架輪對分為動輪和拖輪，分別如圖1和圖2所示。動輪制動盤安裝在車輪兩側，制動盤螺栓扭矩校驗時，需在車輪一側擰螺栓校驗扭矩。拖輪制動盤安裝在車軸上，制動盤螺栓扭矩校驗時，需在車輪一側用棘輪扳手卡緊螺栓頭，然后在另一側用力矩扳手施打扭力。采用人工校驗螺栓扭矩時，需要人員較多，作業(yè)強度大，檢修效率低。當螺栓斷裂時，若只通過感覺判斷，對作業(yè)人員經(jīng)驗要求高，可能會出現(xiàn)誤判的情況，而且扭矩檢測結果需要由人工抄寫存檔，存檔時間長且查閱困難，存檔數(shù)據(jù)量大，不方便管理，導致檢測結果追溯困難。為解決人工校驗螺栓扭矩困難的問題，設計了動車組制動盤螺栓扭矩校驗用機器人生產(chǎn)線。

1 技術特點

動車組制動盤螺栓扭矩校驗用機器人生產(chǎn)線的技術特點如下。

（1）采用工業(yè)機器人，運用視覺檢測、運動控制等技術實現(xiàn)動車組制動盤螺栓扭矩的自動校驗，自動化程度和檢測精度高[5]。扭矩校驗時，具有顯示或者提示功能，以提醒螺栓扭矩校驗精準完成。該校驗用機器人運行平穩(wěn)、安全，維護方便。

（2）能夠滿足CRH1型、CRH3型和CR400AF復興號動車組3種不同車型的制動盤螺栓扭矩校驗。

（3）可以實時監(jiān)控工位內制動盤螺栓校核進度，并統(tǒng)計制動盤螺栓扭矩的合格率、產(chǎn)能及其平均效率。

（4）可以監(jiān)控整個設備的狀態(tài)，根據(jù)設備使用時長提示維護保養(yǎng)，并為工藝的改進提供數(shù)據(jù)化依據(jù)。

（5）輪對輸送機構采用輪對兩端同步驅動的形式控制輪對在工位間自動移動，且輪對限位的撥輪機構可上下移動，以適應不同輪對軸心高度，推動輪對前進。

（6）頂升分度機構可實現(xiàn)輪對的舉升與旋轉變位。分度輪采用非金屬材料，能夠避免與車軸剛性接觸。

（7）采用工業(yè)機器人裝置具有結構緊湊、動作性能優(yōu)越、高速移動以及快速定位的特性，同時機器人背部及下方具有廣闊的動作領域，縮短了機器人的作業(yè)時間。

（8）扭矩校驗裝置的力矩擰緊伺服扳手采用電驅動，具有角度、扭矩監(jiān)控雙重功能，能夠利用傳感器檢測螺栓是否松動，同時具備數(shù)據(jù)反饋、異常報警功能。

（9）安全防護裝置具備安全互鎖功能。在機器人運行過程中，若有人員進入工作區(qū)域，設備會停止運行，以保障人員安全。

（10）采用由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）組成的控制系統(tǒng)，可靠性高。另外，采用模塊化結構能夠適應各種工業(yè)控制需要，且安裝簡單，維修方便。

2 技術參數(shù)

動車組制動盤螺栓扭矩校驗用機器人主要技術參數(shù)見表1。

表1 主要技術參數(shù)

3 結構設計

制動盤螺栓扭矩校驗用機器人生產(chǎn)線（如圖3所示）由輪對輸送機構、頂升分度機構、工業(yè)機器人裝置、扭矩校驗裝置、視覺識別裝置、總控裝置以及安全防護裝置等構成[6]。

3.1 輪對輸送機構

輪對采用輪對兩端同步驅動的形式，能夠控制輪對在工位間自動移動，采用方式為輪軸撥動輸送。輪對輸送機構（如圖4所示）由輸送機滑臺、輸送機立柱、止輪裝置以及撥輪機構等組成。其中：輸送機滑臺由滑臺底座、伺服電機、直線滑軌和齒條組成，如圖5所示，結構形式為伺服電機+齒輪齒條+直線導軌；撥輪機構安裝在輸送機構的滑臺上，由驅動機構和限位機構組成，如圖6所示，主要用于撥動輪對輸送的限位輪，可以上下運動，且能適應不同輪對的軸心高度；止輪裝置由驅動氣缸、直線滑軌和限位塊組成，如圖7所示，主要用于在預定工位以及退料工位輪對的限位。輪對采用輪對兩端同步驅動的形式控制輪對在工位間自動移動。

輪對輸送機構的工作流程：首先，操作人員將輪對輸送至預定工位，止輪裝置伸出，以限制輪對前后移動，然后驅動機構推動限位機構下移至輪對車軸中心處，以限位輪對；其次，預定工位止輪裝置縮回，輸送機滑臺將輪對輸送至檢測工位后，撥輪機構退出檢測工位；最后，扭矩校驗完成后，輸送機滑臺將輪對輸送至退料工位，退料工位止輪裝置伸出限位。

3.2 頂升分度機構

頂升分度機構（如圖8所示）由升降滑臺、升降基座、傳動組件以及分度裝置等組成。螺栓按圓形均勻分布在車輪上，輪對提升后需要轉動車輪角度，以適應機器人測試螺栓。為解決驅動輪對旋轉時主動分度輪與輪對之間可能存在的打滑情況，在從動分度輪上安裝了編碼器，以便根據(jù)從動分度輪的旋轉角度來判定輪對旋轉角度。傳動組件由直線導軌、絲桿、感應器以及減速電機等組成，如圖9所示，主要用于輪對的舉升。分度裝置由伺服電機、減速機、同步帶輪、同步帶和分度輪等組成，如圖10所示，主要用于輪對的旋轉。分度輪采用非金屬材料，能夠避免與車軸剛性接觸。

頂升分度機構工作流程：首先，輸送機滑臺將撥輪機構輸送至檢測工位，由頂升分度機構將輪對舉升；其次，視覺系統(tǒng)識別螺栓中心位置后，分度裝置將輪對旋轉到合適的工作位置進行扭矩校驗；最后，校驗完第一顆螺栓扭矩后，分度裝置將下一顆螺栓旋轉到檢測位置，直至該制動盤螺栓校驗完成。

3.3 工業(yè)機器人裝置

工業(yè)機器人裝置（如圖11所示）由機器人立柱底座、機器人橫梁支架、工業(yè)機器人以及壓輪機構等組成。本系統(tǒng)所選用的機器人包括機器人本體、機器人控制柜和示教器。機器人軸速度和精度高，在狹窄的工作空間中能夠提供完整的工作范圍和行程。輪對鎖緊機構的主要作用是防止在進行扭力校驗時輪對轉動。機器人主要參數(shù)見表2。

表2 機器人主要參數(shù)

3.4 扭矩校驗裝置

扭矩校驗裝置安裝在機器人末端，主要檢測工具為力矩擰緊伺服扳手[7]。該裝置設置了單側擰緊方式和雙側擰緊方式。根據(jù)動車組制動盤螺栓扭矩校驗的要求，動車輪對只需要單側擰緊，拖車輪對需要雙側擰緊。

3.4.1 動輪單側擰緊

動輪進行扭力校驗時采用單側擰緊方式，如圖12所示，并采用彈簧浮動機構與力矩擰緊伺服扳手組合的形式安裝在機械手上。工作時，機械手運動，力矩擰緊伺服扳手貼緊螺栓，使彈簧浮動機構保持在預壓狀態(tài)。此時，在套筒旋轉的過程中，套筒會自動旋入螺栓頭，以完成認帽過程。在認帽過程中，需要通過視覺識別裝置判斷螺栓中心位置，以保證套筒與螺栓頭的角度一致。由于工件的精度誤差，需要利用彈簧浮動機構來適應套筒的正確裝入。套筒套入螺栓時，利用彈簧浮動機構為套筒提供持續(xù)貼緊螺栓的力，然后套筒旋轉，套入螺栓。該機構利用彈簧的彈力為浮動的核心，并用直線導軌保持軸向的定位精度。

3.4.2 拖輪雙側擰緊

拖輪進行扭力校驗時采用雙側擰緊方式。雙側擰緊機構由力矩擰緊伺服扳手、彈簧浮動機構1、機器人安裝法蘭、直線模組、快換裝置、彈簧浮動機構2以及對敲機構等組成[8]，如圖13所示。

力矩擰緊伺服扳手為彎頭形式，能夠滿足作業(yè)最小間隙要求。力矩擰緊伺服扳手設有角度控制+扭力控制雙傳感器，且采用了適合螺栓緊固特性的伺服馬達，能夠實現(xiàn)高精度控制，同時能夠調整輸出扭矩、角度、旋轉方向等參數(shù)。力矩擰緊伺服扳手可按預定輸出力進行校核，其角度變化量與螺栓實際擰緊狀態(tài)呈負相關，即若螺栓松動則角度發(fā)生變化，若螺栓沒有松動則角度不發(fā)生變化。校核過程中，通過擰緊扳手的角度傳感器監(jiān)測螺栓角度是否發(fā)生變化來判定螺栓是否有松動。

直線模組包括直線導軌、伺服電機、滾珠絲桿直線傳動機構的機械自動化直線驅動單元，能夠根據(jù)保持載荷的直線精準定位。為保證機器人的柔性化，使整個裝置便于操作，提高裝置的工作效率，可采用快換接頭。對敲機構由氣缸、齒輪、齒條、發(fā)條、傳感器、氣動離合器和錐齒輪等組成，如圖14所示，主要作用是在套筒貼緊螺栓后帶動套筒旋轉。認帽完成后，由氣動離合器止轉。

雙側擰緊的流程：首先，機械手運動，使力矩擰緊伺服扳手貼緊螺栓，并使彈簧浮動機構1保持在預壓狀態(tài)；其次，直線模組運動，使對敲機構的套筒貼緊螺栓，并使彈簧浮動機構2保持在預壓狀態(tài)；最后，對敲機構氣缸運動，通過發(fā)條帶動軸柔性旋轉，在套筒旋進螺栓后，氣動離合器將軸鎖緊，防止軸旋轉。旋轉軸為空心軸，內置頂針，套筒旋進螺栓后將頂針頂出，傳感器接收套筒已旋入信號，認帽完成，然后由力矩擰緊伺服扳手施加扭力。

3.5 裝置視覺識別裝置

裝置視覺識別裝置（如圖15所示）由工業(yè)相機、鏡頭、光源以及棱鏡等組成[9-10]。該裝置安裝在機器人抓手位置，主要作用為判斷螺栓的類型、識別螺栓的中心坐標、為機器人修正定位位置、把相關信息傳給主機以及判斷輪對軸向位置。工業(yè)相機的像素為500萬像素。在扭矩測試過程中，為了消除誤差對自動校驗的影響，可采用視覺檢測技術，同時利用視覺檢測反饋信息，補償機器人的運動軌跡。

3.6 總控裝置

總控裝置的主控制箱是控制的中心，由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）對整個系統(tǒng)進行控制與管理，主要完成對機器人、生產(chǎn)線、操作盤的協(xié)調控制。其副操作盤（觸摸屏）由人機界面完成系統(tǒng)的設定、調整、監(jiān)視等功能，主操作盤能夠完成系統(tǒng)的啟動、預約、停止等操作。

3.7 安全防護裝置

安全防護裝置主要起到安全防護作用。機器人工作區(qū)安裝有外圍護欄、維修通道以及進料出料通道，所有開門位置均安裝有電氣光柵或者安全插銷互鎖。機器人自動作業(yè)期間，需保證所有設備門關閉。若設備門沒有完全關閉或處于打開狀態(tài)，應使機器人緊急停止，以保證人員的安全。作業(yè)時，開啟系統(tǒng)電源開關后，系統(tǒng)處于預備狀態(tài)。系統(tǒng)在工作現(xiàn)場配備有緊急按鈕，以便在緊急情況下能夠停止工作。激活緊急復位命令后，系統(tǒng)將恢復工作過程或將機器人設備恢復到原位。當需要人工操作系統(tǒng)時，可以釋放系統(tǒng)所有急停按鈕，并關閉所有設備門。機器人控制系統(tǒng)的設計和編程能確保該系統(tǒng)不會在任何對操作人員造成安全影響或導致機器人碰撞的條件下運行，尤其是在啟動系統(tǒng)機器人不在原位、系統(tǒng)啟動機器人協(xié)調不好、設備門未完全關閉等條件下，系統(tǒng)將無法啟動。當啟動系統(tǒng)機器人在自動運行檢測時，機器人本身具有防碰撞功能。當遇到額外增加的過大負載時，機器人會停止作業(yè)。另外，設備中還安裝有閃光燈，當系統(tǒng)運行時能夠起到警告附近人員的功能。當系統(tǒng)開啟時，警示燈會自動開啟。當系統(tǒng)關閉且所有機器人設備處于原位時，警示燈則熄滅。若電源出現(xiàn)異常故障，系統(tǒng)部件可采用手動控制的方式使其恢復到安全位置。

4 結語

根據(jù)動車組檢修需求設計了動車組制動盤螺栓扭矩校驗用機器人。該機器人采用視覺識別，可實現(xiàn)減員增效、降低作業(yè)強度的功能。同時，采用自動化及智能化的扭矩校驗模式替代傳統(tǒng)人工扭矩校驗工作模式，滿足動車組輪對制動盤螺栓扭矩高效自動檢測及信息化建設要求。