李傳翔，楊 兵，楊 順

（中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)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(dòng)引起的動(dòng)載荷、優(yōu)化車輛運(yùn)行品質(zhì)的重要作用，同時(shí)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(cè)分選設(shè)備需依靠人工將單簧依次輸入檢測(cè)線，采用單簧逐個(gè)檢測(cè)方式，再由人工或機(jī)器人工作站選配組裝。這種作業(yè)方式生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度低，檢測(cè)誤差大，難以滿足鐵路高質(zhì)量、高效率的發(fā)展要求。

當(dāng)前鐵路運(yùn)輸向高速、重載方向發(fā)展，對(duì)鐵路車輛走行部的運(yùn)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(guò)程的智能化、自動(dòng)化、機(jī)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(jí)轉(zhuǎn)型，提出研制一種同一轉(zhuǎn)向架2組彈簧分組自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別、智能選配、輸送功能為一體的智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各型鐵路貨車多種規(guī)格型號(hào)彈簧綜合判斷識(shí)別及彈簧智能選配功能。

1 整體方案設(shè)計(jì)

綜合考慮彈簧檢測(cè)選配效率和檢修工裝智能化、自動(dòng)化發(fā)展方向，鐵路貨車轉(zhuǎn)向架彈簧視覺(jué)檢測(cè)及機(jī)器人智能選配系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用整盤式彈簧自動(dòng)輸送、檢測(cè)、分類及選配模式，主要由整盤彈簧自動(dòng)輸送系統(tǒng)、3D視覺(jué)智能檢測(cè)工作站、智能選配中心、機(jī)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(shù)指標(biāo)：

（1）檢測(cè)對(duì)象：彈簧的高度值和半徑值；

（2）靜態(tài)檢測(cè)精度：0.1 mm；

（3）檢測(cè)時(shí)間：3 s；

（4）工業(yè)機(jī)器人軸數(shù)：6軸；

（5）工業(yè)機(jī)器人最大工作半徑：2 050 mm；

（6）工業(yè)機(jī)器人負(fù)載：45 kg；

（7）工業(yè)機(jī)器人重復(fù)定位精度（RP）：0.05～0.06 mm；

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

1.1 整盤彈簧自動(dòng)輸送系統(tǒng)

彈簧自動(dòng)輸送系統(tǒng)由雙層倍速鏈輸送線體、線頭尾自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)、雙層自動(dòng)轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、頂升機(jī)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(jué)檢測(cè)工作站，托盤經(jīng)過(guò)彈簧檢測(cè)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(guò)線頭尾升降機(jī)構(gòu)輸送回彈簧拆卸起始工位，實(shí)現(xiàn)彈簧托盤自動(dòng)化循環(huán)利用。整盤彈簧自動(dòng)輸送系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 彈簧自動(dòng)輸送系統(tǒng)平面布置圖

1.2 3D視覺(jué)智能檢測(cè)工作站

3D視覺(jué)智能檢測(cè)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(jì)算得出彈簧半徑、高度值，判斷彈簧型號(hào)及彈簧類型，從而為智能選配中心進(jìn)行彈簧的選配決策以及機(jī)器人選配工作站選配動(dòng)作提供信息支撐。該工作站集成硬件與應(yīng)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(diǎn)云采集模塊和彈簧信息檢測(cè)模塊。

1.2.1 硬件設(shè)計(jì)

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(duì)彈簧進(jìn)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(guān)系到3D結(jié)構(gòu)光X與Z方向的檢測(cè)分辨率、準(zhǔn)確度和效率。3D結(jié)構(gòu)光成像模組技術(shù)參數(shù)：①成像分辨率：200萬(wàn)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(zhǔn)確度和運(yùn)動(dòng)速度直接關(guān)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(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)需求并采用理論計(jì)算進(jìn)行選型。根據(jù)整盤彈簧外部尺寸、成像分辨率、準(zhǔn)確度和速度需求，位移電缸總行程1 200 mm，最大移動(dòng)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(jī)構(gòu)及位移電缸安裝機(jī)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(wèn)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(jī)構(gòu)及位移電缸安裝機(jī)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(guò)對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)安裝在遮光安裝殼體內(nèi)部。

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括3D點(diǎn)云采集模塊和彈簧信息檢測(cè)模塊，3D點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，彈簧信息檢測(cè)模塊基于選擇的設(shè)計(jì)工具以及硬件部分采集的彈簧形貌數(shù)據(jù)，開發(fā)檢測(cè)算法。

檢測(cè)算法根據(jù)檢測(cè)需求檢測(cè)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(cè)彈簧數(shù)據(jù)值及檢修工藝選配標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，工控機(jī)根據(jù)軟件選配算法判斷結(jié)果給機(jī)器人發(fā)送相應(yīng)指令執(zhí)行選配動(dòng)作。檢測(cè)算法流程如圖6所示。

圖6 檢測(cè)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(jī)、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(biāo)準(zhǔn)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(cè)數(shù)據(jù)信息，按照對(duì)應(yīng)的彈簧規(guī)格、型號(hào)參數(shù)將其進(jìn)行分類，然后統(tǒng)計(jì)每個(gè)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(lái)配對(duì)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(huì)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(duì)于機(jī)械臂抓取的順序亦有要求，機(jī)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(duì)應(yīng)內(nèi)簧不在，因此對(duì)抓取順序要遵循一定的原則，以盡量減少機(jī)械夾爪動(dòng)作。機(jī)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(jī)器人選配工作站

機(jī)器人選配工作站由ABB工業(yè)機(jī)器人及選配機(jī)構(gòu)平臺(tái)組成。機(jī)器人通過(guò)Device Net網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)I/O板連接PLC I/O模塊，由PLC控制機(jī)器人啟動(dòng)；機(jī)器人通過(guò)TCP/IP協(xié)議與主控系統(tǒng)通信，由主控系統(tǒng)控制機(jī)器人進(jìn)行選配動(dòng)作［2］。

選配機(jī)構(gòu)平臺(tái)由選配區(qū)、緩存區(qū)、新簧區(qū)、廢簧區(qū)組成。工業(yè)機(jī)器人根據(jù)智能選配中心的決策執(zhí)行動(dòng)作，將彈簧轉(zhuǎn)移至對(duì)應(yīng)的選配機(jī)構(gòu)平臺(tái)。

廢簧區(qū)由報(bào)廢簧小車組成，檢測(cè)出的不合格彈簧直接放進(jìn)報(bào)廢簧小車。

緩存區(qū)由緩存平臺(tái)組成，檢測(cè)的合格彈簧，依據(jù)彈簧匹配工藝要求，暫時(shí)無(wú)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(tái)組成，當(dāng)前選配區(qū)彈簧以及緩存區(qū)彈簧無(wú)法完成匹配時(shí)，機(jī)器人抓取新簧區(qū)標(biāo)準(zhǔn)彈簧完成匹配過(guò)程。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 彈簧智能檢測(cè)及分類方法

2.1.1 3D視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)

系統(tǒng)采用自主研制的3D智能相機(jī)傳感模塊，集成硬件與自主軟件，將國(guó)際上先進(jìn)的激光掃描測(cè)量技術(shù)、3D機(jī)器視覺(jué)及環(huán)境建模技術(shù)、3D環(huán)境識(shí)別技術(shù)、3D結(jié)構(gòu)光成像及光渲染模擬技術(shù)和3D點(diǎn)云分析處理技術(shù)融于一體，采用非接觸式線性磁編碼器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精密的激光及攝像機(jī)的位置控制，能夠精確感知3D環(huán)境及物品信息，通過(guò)重建的3D空間模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)3D空間中物體的識(shí)別、3D形狀測(cè)量和定位分揀，從而實(shí)現(xiàn)彈簧高度、外徑檢測(cè)要求，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)檢測(cè)結(jié)果。彈簧視覺(jué)檢測(cè)工序流程如圖7所示。

圖7 彈簧視覺(jué)檢測(cè)工序流程

該系統(tǒng)采用基于線激光的結(jié)構(gòu)光3D視覺(jué)方案，利用激光三角測(cè)距原理，通過(guò)從已知角度投影一個(gè)激光點(diǎn)到被測(cè)物體上，然后用攝像機(jī)獲取該點(diǎn)的圖像，激光束投影儀與攝像機(jī)之間相距一個(gè)基線距離。當(dāng)激光點(diǎn)擴(kuò)展成一條直線，那么沿著這條直線上點(diǎn)的高度信息均可由三角測(cè)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(dòng)，就可以獲得整個(gè)面內(nèi)的所有3D數(shù)據(jù)。

基于點(diǎn)激光的三角測(cè)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(diǎn)激光的三角測(cè)距原理

圖9 線激光結(jié)構(gòu)光3D成像原理

2.1.2 3D視覺(jué)檢測(cè)分類方法

采用3D智能相機(jī)傳感模塊對(duì)輸送線檢測(cè)工位彈簧進(jìn)行掃描并采集3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過(guò)3D檢測(cè)算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出彈簧的高度和半徑檢測(cè)值，并通過(guò)對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行分析，判斷彈簧的型號(hào)、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(kù)存儲(chǔ)待檢測(cè)的K2、K6型號(hào)彈簧的各種單簧的參數(shù)范圍，每通過(guò)3D視覺(jué)檢測(cè)出一個(gè)彈簧的檢測(cè)值（高度、半徑值），主控系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行分析，將彈簧的特征參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的彈簧特征參數(shù)范圍進(jìn)行比對(duì)，如落在某型號(hào)彈簧特征參數(shù)范圍內(nèi)，則判定為該類型彈簧。枕簧技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1［3］。

表1 枕簧技術(shù)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(shí)對(duì)多個(gè)彈簧的檢測(cè)參數(shù)（包括選配區(qū)彈簧、緩存區(qū)彈簧、新簧區(qū)彈簧）進(jìn)行分析，得出選配策略的多個(gè)彈簧集合，并對(duì)彈簧集合進(jìn)行綜合對(duì)比，得出最優(yōu)彈簧選配集合，該彈簧集合中滿足當(dāng)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(dāng)前選配規(guī)則的選配區(qū)彈簧進(jìn)入緩存區(qū)，滿足當(dāng)前選配規(guī)則的緩存區(qū)彈簧進(jìn)入選配區(qū)，選配區(qū)不足的彈簧由新簧區(qū)補(bǔ)充。

分揀選配工作由工業(yè)機(jī)器人完成，進(jìn)行智能選配。工業(yè)機(jī)器人主要包括主體和專用雙頭彈簧夾具。機(jī)器人機(jī)械臂設(shè)計(jì)了多條不同的最短運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)檢測(cè)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(duì)應(yīng)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)彈簧內(nèi)簧或外簧的抓取，提高了機(jī)器人工作效率。

2.3 整盤彈簧輸送方法

自主設(shè)計(jì)的輸送、檢測(cè)、選配一體化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)同一轉(zhuǎn)向架的兩盤彈簧通過(guò)輸送、檢測(cè)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(yīng)用效果

系統(tǒng)于2018年11月在南京東車輛段研制投用以來(lái)，性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，經(jīng)檢測(cè)選配后的彈簧符合鐵路貨車檢修工藝標(biāo)準(zhǔn)組裝要求。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了彈簧檢測(cè)、選配重組、整盤輸送過(guò)程的自動(dòng)化、機(jī)械化以及智能化的整體設(shè)計(jì)目標(biāo)，在保障安全生產(chǎn)的前提下，提高了彈簧檢測(cè)的選配效率，降低了用工成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。轉(zhuǎn)向架彈簧分解、輸送、檢測(cè)選配及組裝工序原來(lái)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(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(yàn)證實(shí)現(xiàn)，真正將人力從彈簧的管理、選配中解放出來(lái)，有力地推動(dòng)了鐵路行業(yè)的智能升級(jí)。系統(tǒng)引入工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于彈簧檢修過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了彈簧自動(dòng)搬運(yùn)、分揀及科學(xué)管理，對(duì)提高鐵路裝備自動(dòng)化、智能化水平，促進(jìn)鐵路檢修裝備結(jié)構(gòu)調(diào)整具有深遠(yuǎn)的意義。