鐵路貨車自動檢修系統(tǒng)機器人火焰切割工作站研制

李洪濤 楊澤坤 周坤 唐麒龍 楊戰(zhàn)利 張利 楊璽

摘要： 基于六軸工業(yè)機器人和多信息傳感信號融合技術(shù)，開發(fā)了高精度高體重載三維天軌側(cè)龍門結(jié)構(gòu)鐵路貨車自動檢修系統(tǒng)機器人火焰切割工作站，發(fā)明了一種自動檢修作業(yè)快速分區(qū)識別的方法，解決了廢舊車體定位基準缺失、隨機變形和破損位置不均等問題，解決了貨車檢修領(lǐng)域中廢舊車體切割工序長期依賴人工，難以利用自動化設(shè)備作業(yè)的行業(yè)難題。

關(guān)鍵詞： 貨車檢修； 火焰切割； 識別相機； 柔性控制

中圖分類號： TG 481

Development of robot flame cutting workstation for automatic maintenance system of railway freight car

Li Hongtao1， Yang Zekun1， Zhou Kun1， Tang Qilong1， Yang Zhanli1， Zhang Li2， Yang Xi3

（1.Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028， Heilongjiang， China; 2.Yulin Branch of National Energy Group Railway Equipment， Yulin 719300， Shaanxi， China; 3.Zhuzhou CRRC Times Electric Co.， Ltd.， Zhuzhou 412000， Hunan， China）

基金項目： 黑龍江省頭雁團隊專項資金資助

Abstract： Based on six-axis industrial robot and multi-information sensing signal fusion technology， a robot flame cutting workstation for automatic maintenance system of railway freight car with high precision and high weight loaded three-dimensional gantry structure on the sky rail side was developed. A method for rapid partition identification of automatic maintenance operation was invented， which overcame problems of missing positioning datum， random deformation and unequal damaged location of discarded car bodies. It solved industrial problems in the field of freight car maintenance that cutting process of scrap car body relied on manual work for a long time and was difficult to use automatic equipment.

Key words：? freight car maintenance; flame cutting; identification camera; flexible control

0 前言鐵路貨運作為各國運輸?shù)摹按髣用}”，是國家經(jīng)濟發(fā)展的重要途徑，具有不定點、不定線、全天候、全溫域運行于各鐵路線的特點［1］。隨著萬噸重載運輸愈加普遍，特別是部分周轉(zhuǎn)頻次高、磨耗加劇的車輛［2］，長期經(jīng)受雨水腐蝕、貨物摩擦和裝載機構(gòu)撞擊等外力作用，車體逐漸減薄直至穿孔失效，這時需要將磨損失效的車體切掉，并更換全新的板材，以保障鐵路貨運能力的穩(wěn)定和安全［3-4］。由于貨車修補作業(yè)存在車體隨機變形、定位基準缺失、不同車體一致性極差、車體破損程度差別較大等行業(yè)痛點問題。因此，目前國內(nèi)貨車修補行業(yè)中廢舊板材區(qū)域的識別和劃分均是工人手工作業(yè)，工人在磨損區(qū)域畫個軌跡，然后利用手持式火焰割炬按照軌跡將磨損失效的板材切割下來，并測量切割下來的尺寸進行修補板的下料作業(yè)。但是廢舊車體切割工作量極大，據(jù)統(tǒng)計切割一輛C64型車一般是4人同時作業(yè)，根據(jù)車體的破損程度作業(yè)時間為1～3 h，檢修車輛中70%左右車體的切割量為80～100 m（如遇全車切割底板切割量能達到460 m）。在該工位所需作業(yè)人員多、工作時間長、效率低且切割的直線性不能保證，切口的毛刺較大造成后期切割、打磨的麻煩，同時火焰切割產(chǎn)生的光污染、空氣污染及高溫造成工人的工作環(huán)境惡劣。整個流程下來，即浪費了板材，還降低了生產(chǎn)效率，增加工人的勞動強度，而且無法滿足修補檢修過程數(shù)字化、信息采集自動化、數(shù)據(jù)共享化、應(yīng)用綜合化的實際需要，不能保證貨車檢修精益化生產(chǎn)的迫切需求［5-6］。因此，基于鐵路貨車自動檢修作業(yè)這種定位基準缺失的典型工件，開發(fā)配套的自動化火焰切割設(shè)備對于貨運列車檢修行業(yè)的自動化水平的提升具有重要意義。

1 設(shè)備主體情況

鐵路貨車車體形貌如圖1所示。鐵路貨車自動檢修系統(tǒng)火焰切割工作站基于六軸工業(yè)機器人系統(tǒng)為核心，輔以數(shù)顯流量傳感器、防碰撞傳感器、等壓式割炬、激光測距傳感器、IV2識別相機、筆筒攝像頭等關(guān)鍵傳感元件和三維天軌側(cè)龍門結(jié)構(gòu)建立自動切割單元用以解決鐵路貨修領(lǐng)域所面臨的定位基準缺乏、隨機變形和破損位置不均等問題，突破傳統(tǒng)手工作業(yè)方式，首次在國內(nèi)鐵路貨修領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“以機代人”的創(chuàng)新。設(shè)備主體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵傳感器布局如圖2所示。

1.1 機械設(shè)計基本結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)中機器人切割工作站采用高架天軌方式，在工件兩側(cè)各放置1臺側(cè)龍門及其運動天軌，在同一軌道上安裝有2臺切割機器人，共計配有4套獨立切割機器人系統(tǒng)，機器人安裝在可三維運動的天軌門架上，能夠有效的放大機器人的運動行程，三維移動均采用交流伺服驅(qū)動，并可以在0.5～10 m/min之間無級調(diào)速，同時每臺機器人都能在X，Y，Z 3個方向進行擴展運動，與機器人本體形成9軸協(xié)調(diào)運動系統(tǒng)，適應(yīng)車廂最大車內(nèi)尺寸：13.00 m×2.89 m×2.15 m，每臺設(shè)備均可獨立進行車體端墻、側(cè)墻內(nèi)外側(cè)焊縫的切割作業(yè)，每條天軌的2臺機器人分別倒掛在2套懸臂和升降臂上。機器人懸臂及升降臂可以沿縱向軌道（X向）移動，升降臂可以沿懸臂進行橫向（Y向）運動，升降臂可在懸臂滑座上下（Z向）移動，機器人控制柜及與之相配套的電氣元件均安裝在行走滑臺或天軌平臺上，其機械接頭如圖3所示。鐵路貨車自動檢修系統(tǒng)火焰切割工作站由管道或氣瓶提供，主要有3路氣體，分別為預(yù)熱氧氣、預(yù)熱燃氣和切割氧氣。

1.2 電氣設(shè)計基本結(jié)構(gòu)

1.2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計原理

電氣設(shè)計部分主要控制機器人內(nèi)置PLC和伺服電機、外設(shè)PLC和外置各傳感器、AC24V點火裝置、預(yù)熱氧氣電磁閥、切割氧氣電磁閥、預(yù)熱燃氣電磁閥、操作臺、變壓器等。通過外置PLC循環(huán)掃描的方式進行控制系統(tǒng)的整體控制，1個掃描周期一般為20～50 ms。掃描周期主要由輸入采樣、程序執(zhí)行和刷新輸出構(gòu)成，PLC控制器首先讀取輸入端的信號狀態(tài)并存入與輸入端子數(shù)目對應(yīng)的寄存器中，并在下階段的掃描周期中被重新讀取。程序執(zhí)行期間，地址計數(shù)器順序?qū)ぶ?，依次指向每個存儲單元，控制器順序執(zhí)行這些指令［7］，對指令指定的輸入狀態(tài)寄存器、輸出或內(nèi)部輔助繼電器、定時器、計數(shù)器、狀態(tài)器的狀態(tài)進行邏輯運算，運算結(jié)果通過輸出指令存入對應(yīng)狀態(tài)的寄存器［8］，在所有的指令執(zhí)行完畢后，在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，驅(qū)動輸出繼電器的線圈，形成PLC的實際輸出。在1個周期執(zhí)行完畢后，地址計數(shù)器恢復(fù)到初始地址，重復(fù)執(zhí)行上述3個階段的工作，最終實現(xiàn)鐵路貨車檢修系統(tǒng)火焰切割工作站的自動控制，控制界面如圖4所示。

1.2.2 分區(qū)識別相機控制系統(tǒng)

為解決鐵路貨車檢修作業(yè)時車體隨機變形、車體破損程度差別較大等核心技術(shù)問題展開技術(shù)攻關(guān)，發(fā)明了一種用于鐵路貨車車體自動切割作業(yè)快速分區(qū)識別的方法，將視覺檢測相機安裝在切割機器人六軸端部，機器人帶動相機以分區(qū)形式快速拍照，機器人根據(jù)相機所采集的待割區(qū)信息，控制系統(tǒng)規(guī)劃調(diào)取機器人自動切割程序，并開展車體的自動切割作業(yè)。該方法以工業(yè)機器人為核心，配合拍照識別傳感器（圖5），利用OCR數(shù)字通訊技術(shù)進行數(shù)字識別，通過連接FTP 服務(wù)器，傳送圖像文件和判斷結(jié)果。連接SNTP服務(wù)器，自動調(diào)節(jié)控制器的時間。切割軌跡在機器人中提前預(yù)制，通過PLC和現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與OCR系統(tǒng)進行連接，進行數(shù)字、字母或者符號獲取和判斷，實現(xiàn)自動控制切換程序編號（改變順序）的功能?？梢暂p松檢測出用光電開關(guān)難以識別的配件形狀等；設(shè)定運行條件時，需要使用觸控面板或?qū)Ｓ密浖ㄟ^以太網(wǎng)連接傳感器與觸控面板、傳感器與計算機，所以除了1對1的直接連接以外，還可以連接多臺傳感器。

利用機器人柔性、高精度運行的特點，運行到提前預(yù)置好的切割軌跡和位置，進行分區(qū)掃描拍照，將符號代表的意義及切割的軌跡提前預(yù)制，機器人按照既定路線進行分區(qū)拍照，利用OCR技術(shù)將符號記錄并處理，上傳至中央處理器，通過中央處理器進行程序的調(diào)用，并將該程序號的軌跡路線傳輸至下料工位，從而實現(xiàn)下料和切割尺寸的數(shù)據(jù)共享，控制系統(tǒng)邏輯如圖6所示。

2 基本工作流程

經(jīng)過點裝好的車體，傳輸?shù)皆摴の唬?jīng)由工裝夾具定位后，人為將整個側(cè)墻進行分區(qū)，確定將要拆解的區(qū)域后，由人工進行號碼噴涂，隨后交由拍照識別系統(tǒng)識別之后自動調(diào)取切割程序，由該系統(tǒng)4臺切割機器人依據(jù)提前規(guī)劃好的軌跡對端/側(cè)墻修補位置進行自動切割。結(jié)合切割工況進行kuka robot柔性切割技術(shù)的二次開發(fā)，切割過程中機器人能夠?qū)崿F(xiàn)人工實時干預(yù)的方式對切割軌跡進行實時修正。利用筆筒攝像頭在割炬的前方檢測監(jiān)測過程，操作人員在切割過程中在顯示屏上監(jiān)測圖像，為人工實時干預(yù)提供了便利和檢測手段，以確保割炬適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。

機器人在提前設(shè)定好的安全位置等待調(diào)用指令的輸入，由人工進行車門拆解和車體整修工作，工人手動在整修車體需要切割的位置進行數(shù)字標記，不同的數(shù)字代表不同的切割尺寸和切割形狀，待經(jīng)由拆解整修過后的鐵路貨車車體由假車和動力機構(gòu)的帶動下進入待切區(qū)域后，人工按動操作臺上的“啟動按鈕”進行切割作業(yè)，進行自動程序調(diào)用，由拍照識別系統(tǒng)對不同區(qū)域進行拍照，將拍到的數(shù)據(jù)通過PLC傳遞到機器人總控系統(tǒng)從而判斷是否需要切割以及需要切割的形狀和尺寸，通過激光高度傳感器進行車體的定位識別從而確定車體的位置是否出現(xiàn)偏差，并識別出切割軌跡的始端，利用明弧攝像+人工干預(yù)的方式確保切割過程穩(wěn)定可靠，并通過流量傳感器實時調(diào)節(jié)燃氣和氧氣的比例，控制切割風(fēng)線的長度及時應(yīng)對錯綜復(fù)雜的切割工況，完成切割作業(yè)后返回安全位置。鐵路貨車自動檢修系統(tǒng)火焰切割工作站工作流程如圖7所示。

3 結(jié)論

通過鐵路貨車自動檢修系統(tǒng)機器人火焰切割工作站的研制，進一步解決了貨修領(lǐng)域自動化程度不高、人工切割精度低及工人勞動強度大等問題，擴寬了自動化焊割設(shè)備的應(yīng)用范圍，為類似這種隨機變形、定位基準缺失的典型工件的自動化設(shè)備研制提供新型解決方案。

參考文獻

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收稿日期： 2023-02-24

李洪濤簡介： 工程師；主要從事直縫鋼管埋弧焊設(shè)備、機器人智能設(shè)備的安裝調(diào)試工作；LHT0425@126.com。