鐵路貨車心盤螺栓自動分解系統研究

張彪 中國鐵路上海局集團有限公司南京東車輛段

1 系統研發背景

鐵路貨車下心盤是鐵路貨車承載的重要組成部分。在高速重載運輸環境下，鐵路貨車運行品質對下心盤的質量要求越來越高。

目前路內大多數貨車車輛段主要以人工為主進行心盤螺栓的分解作業，存在作業人員工作強度較大，作業環境惡劣以及工作效率低下等問題。為提高心盤螺栓分解的質量和效率，解放勞動生產力,避免人身安全隱患，提出研發全自動一體化螺栓拆解系統，通過視覺自動定位補償系統的輔助來實現鐵路貨車下心盤螺栓全自動分解。

2 系統方案設計

2.1 系統總體設計思路

系統總體設計如圖1所示。當轉向架進入工作區域，自動觸發輪對定位裝置8就位。視覺模塊4對心盤進行視覺掃描，獲得轉向架型號信息和螺栓位置位移補償值，系統將視覺信息反饋給六軸機器人2，六軸機器人2根據轉向架型號自動通過機器人工具快換系統5更換對應的一體式螺栓分解系統6，將一體式夾具送至螺栓處，電扳手開始工作，分四次對八螺栓進行分解，待所有工作完成后，六軸機器人2復位，輪對定位裝置8自動解除放行。

圖1 系統平布置圖

2.2 系統主要技術指標

（1）工業機器人軸數：6軸；

（2）機器人負載：200 kg；

（3）工業機器人達到距離：2 900 mm；

（4）視覺重復定位精度：0.1 mm；

（5）兩顆螺栓分解時間：30 s；

（6）機器人重復定位精度：0.05 mm～0.06 mm；

（7）扭矩最大值：1 980 Nm；

（8）系統工作效率：每心盤平均耗時不大于3分鐘。

2.3 系統主要構成單元

鐵路貨車心盤螺栓自動分解系統由六軸機器人系統、機器人工具快換系統、一體式螺栓分解系統、視覺自動定位補償系統以及車輪定位裝置等五大單元組成。

2.3.1 六軸機器人系統

六軸下探式工業機器人采用龍門架固定，具有占地面積少、操作簡便、自由度高等優點，適用于幾乎任何軌跡或角度的工作。通過自由編程實現不同工件之間的靈活快捷更換，可代替很多不適合人力完成，有害身體健康的復雜工作。

六軸機器人系統通過Device Net網絡標準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協議與主控系統通信，由主控系統控制機器人進行選配分解動作。六軸機器人如圖2所示

圖2 六軸機器人

2.3.2 機器人工具快換裝置

（1）機器人快換裝置的具體組成

機器人工具快換裝置有2個工具末端執行器，根據不同型號的轉向架進行自動切換。工具快換裝置包括一個機器人側用來安裝在機器人手臂上（如圖3），還包括一個工具側用來安裝在末端執行器上，（如圖4）。工具快換裝置能夠讓不同的介質從機器人手臂聯通到末端執行器（如圖5）。

圖3 機器人端基礎單元

圖4 工具端基礎單元

圖5 機器人工具快換裝置組成

（2）機器人快換裝置的具體優點

一是生產線更換可在數秒內完成；二是維護和修理工具可以快速更換，降低停工時間；三是通過應用中使用1個以上的末端執行器，從而使柔性增加；四是使用自動交換單一功能的末端執行器，代替原有笨重復雜的多功能工裝執行器，實現工具的隨意切換，提高工作效率。

（3）機器人快換裝置的具體參數

機器人工具快換裝置具備超強的載重能力，載重可到達300 kg，允許扭矩力達到2 300 nm，可避免因為電扳手扭矩力較大對機器人手臂造成損傷的情況。詳細參數如圖6所示。

圖6 系統相關參數

2.3.3 一體式螺栓分解系統

一體式螺栓分解系統（如圖7）是用于對轉向架下心盤螺栓分解的自動化裝置，由自動扭力扳手和螺母限位裝置組成。自動扭力扳手的最大扭矩力為1 250 N.m，可輕易將螺栓進行分解。螺母限位裝置不僅有卡緊螺母的功能，還具有完成分解工作后脫落螺母的功能。因不同型號轉向架所對應的下心盤螺栓型號不同，所以分別設計了M22和和M24兩套一體式螺栓分解系統。

圖7 一體式螺栓分解系統

2.3.4 視覺自動定位補償系統

該系統視覺部分采用靜態三維成像技術、移動光柵技術、深度數據融合技術以及嵌入式3D解算等技術，可實現視覺范圍內靜止物體的快速三維重建?；跇硕ㄋ惴蓴M合出視場空間任意點在相機中成像位置與該點垂直相機的距離函數關系式，深度測量精度可達±0.1 mm，掃描速度可達8幀/秒。同時，系統具備自動識別功能，通過深度學習自動建模及比對，實現被測物體尺寸與標準差異部位的自動判別，可根據所測螺栓數據自動判別轉向架型號，將螺栓的相對坐標值反饋給機器人的主控算法，以此來實現機器人的精準定位，最終實現全自動化控制。

2.3.5 車輪定位裝置

車輪定位裝置（如圖8）由電感式接近開關、輪對阻擋裝置、輪對抱緊裝置組成。當輪對阻擋裝置將車輪擋住時輪對抱緊裝置啟動。

圖8 車輪定位裝置

3 系統關鍵技術創新

3.1 一體式螺栓分解裝置

（1）工作中扭力矩可達到1 000 N.m以上，分解過程中噪聲小，無振動。

（2）適用于不同厚度的下心盤墊板，能將螺栓頭及螺母進行準確定位。

（3）使用先進的機器人工具快換系統，能與機器人快速連接，提升柔性化程度。

3.2 光柵投影三維測量技術

本系統采用定制高速面陣相機與面結構化光源，結構化光源由計算機編程產生正弦條紋，將該正弦條紋投影至被測物，利用CCD相機拍攝條紋受物體調制的彎曲程度，解調該彎曲條紋得到相位，再將相位轉化為全場的高度，最終在計算機內分析計算后可得出被測物的三維面形數據。該技術具有測量精度高、速度快以及測量數據穩定等優勢。原理圖如圖9所示。

圖9 光柵投影三維成像原理圖

4 系統拓展功能探討

4.1 系統增加組裝功能

在將扭力扳手更換為扭力可控的自動扳手后，運用本文所述技術即可研發心盤螺栓的分解和組裝一體化裝置。

4.2 系統增加下心盤搬運功能

通過增加一組搬運工具?？空?，在搬運裝置上安裝工具末端執行器，可實現機器人快速轉換搬運末端執行器，從而實現智能搬運功能。

5 結束語

相對于傳統的下心盤螺栓分解作業模式，采用鐵路貨車心盤螺栓自動分解系統有顯著優勢，作為集定位系統、自動分解等功能為一體的高端自動化智能裝備，能有效提高螺栓分解的準確度和穩定性，降低工人的勞動強度，對保證鐵路運輸安全、完善鐵路智能化建設起到積極的推動作用。