史時喜 宗超

摘 要：地鐵車輛檢修中應(yīng)用機器人技術(shù)，將改善作業(yè)環(huán)境、提升檢修質(zhì)量、優(yōu)化工藝流程。文章通過分析地鐵車輛檢修作業(yè)內(nèi)容及作業(yè)特點，梳理出機器人技術(shù)在地鐵車輛檢修作業(yè)中適用范圍及技術(shù)難點，結(jié)合地鐵車輛檢修關(guān)鍵工序作業(yè)特征，提出檢修作業(yè)機器人選型原則，并對典型機器人設(shè)備選型及應(yīng)用進行探討。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;檢修;機器人;激光清洗

中圖分類號：U231+.96

為保證地鐵系統(tǒng)的服務(wù)可靠，必須對地鐵列車進行合理和足夠的檢修保養(yǎng)，使其保持良好的工作狀態(tài)[1-2]。機器人技術(shù)日益發(fā)展，其應(yīng)用較為廣泛，在焊接、裝配、搬運等機械制造作業(yè)中的應(yīng)用尤為突出[3-4]，但在地鐵車輛檢修中尚未得到推廣。目前國內(nèi)地鐵車輛檢修普遍以人工作業(yè)為主，如何減輕作業(yè)人員工作強度，改善作業(yè)環(huán)境，提高檢修質(zhì)量，成為地鐵車輛檢修作業(yè)所面臨的重要問題。尤其在一些作業(yè)環(huán)境惡劣、重復(fù)次數(shù)多的地鐵車輛檢修作業(yè)中應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)，是行業(yè)未來的發(fā)展趨勢[6-7]。

1 車輛檢修作業(yè)內(nèi)容

目前我國地鐵車輛檢修分為列檢、周月檢、定修、架修、大修5個等級，其中定修、架修、大修為定期檢修[8-9]。在地鐵車輛的定期檢修作業(yè)中，不同級的車輛檢修作業(yè)內(nèi)容也有所不同。各級檢修作業(yè)內(nèi)容如下。

1.1 列檢

對受電弓、控制裝置、各種電氣裝置、轉(zhuǎn)向架、空氣制動裝置、車鉤緩沖裝置、鉸接裝置、車門、車體、車燈、蓄電池箱等主要部件進行外觀檢查。

1.2 周月檢

對主要部件進行外觀檢查，主要檢查蓄電池、受電弓、輪對、制動閘瓦的相對尺寸等;對系統(tǒng)功能進行檢查;對易損件進行檢查更換;對危及行車安全的故障進行重點修理。

1.3 定修

不架車，主要進行車輛的各系統(tǒng)狀態(tài)檢查、檢測;各部件全面檢查、清潔、潤滑，部分部件如受電弓、空調(diào)、蓄電池等部件需卸下后進行狀態(tài)檢查、檢測及修理，并進行必要的試驗;定修后車輛各系統(tǒng)需進行全面檢測、調(diào)試及試驗。

1.4 架修

通過架車對車輛的重要部件，特別是轉(zhuǎn)向架及輪對、電機、電器、空調(diào)機組、車鉤緩沖器裝置、制動系統(tǒng)等進行分解、清洗、檢查、探傷、修理，更換報廢零部件;對電氣部件進行清潔和測試;對修竣后車輛各系統(tǒng)進行全面檢測、調(diào)試及試驗。

1.5 大修

通過架車對車輛各部件和系統(tǒng)進行全面的分解、檢查及整修，對轉(zhuǎn)向架、車體等進行測量與整形;綜合技術(shù)改造對部分系統(tǒng)進行全面的更換;對車輛各系統(tǒng)進行全面檢測、調(diào)試及試驗，完全恢復(fù)其性能;重新油漆標(biāo)記;修竣車的靜調(diào)和試車[10-11]。

從各級修程檢修作業(yè)內(nèi)容可以看出，定修作業(yè)主要以現(xiàn)車修理為主，較少部件從車體上拆卸;架修、大修作業(yè)時，車體部分定位作業(yè)，轉(zhuǎn)向架等部件檢修則多采用互換修作業(yè)。

2 機器人技術(shù)適用范圍

通過對地鐵車輛檢修內(nèi)容分析，總結(jié)機器人技術(shù)在地鐵車輛檢修作業(yè)中的主要功能及適用范圍如下。

2.1 拆卸分解

拆卸分解包括對車輛主要部件進行拆卸分解和分解后零部件的轉(zhuǎn)運。對此可應(yīng)用裝配機器人技術(shù)進行零部件的拆卸，應(yīng)用搬運機器人技術(shù)進行零部件的轉(zhuǎn)運，實現(xiàn)人機混合作業(yè)，大大提高作業(yè)效率。以轉(zhuǎn)向架檢修時軸承拆裝為例，可應(yīng)用自動轉(zhuǎn)運機器人（AGV）進行軸承轉(zhuǎn)運，實現(xiàn)部件快速回庫;應(yīng)用機器人對軸承進行存放作業(yè)，并自動將存放結(jié)果錄入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

2.2 清潔清理

車輛檢修作業(yè)中清潔清理主要包括車底吹掃、除漆除銹等，其中對地鐵列車底部進行吹掃除塵，是地鐵列車檢修的必要工序[12]?？蓪鹘y(tǒng)手持工具安裝在機器人操作機構(gòu)上，將作業(yè)者轉(zhuǎn)化為操作者，或應(yīng)用激光加工機器人技術(shù)和涂裝機器人技術(shù)等進行惡劣環(huán)境下的操作，實現(xiàn)人員與作業(yè)環(huán)境分離。如車底吹掃作業(yè)中可應(yīng)用機器人加持吹掃槍進行作業(yè)，輪對、構(gòu)架的除銹除漆可用機器人安裝相應(yīng)的清潔工具進行作業(yè)，達到穩(wěn)定良好的作業(yè)效果。

2.3 故障檢測

地鐵車輛檢修中常見故障類型包括視覺類故障、嗅覺類故障、聽覺類故障、觸覺類故障。機器人技術(shù)在視覺類故障檢測中主要通過工業(yè)機器人搭載自動化成套設(shè)備，結(jié)合線陣掃描技術(shù)及運用圖像自動識別技術(shù)，研究可自動運行、無需人工干預(yù)的關(guān)鍵部件檢測系統(tǒng)，形成專項檢查機器人。對于嗅覺類、聽覺類和觸覺類故障，還需要機器人安裝聽覺、嗅覺、觸覺傳感器。

2.4 故障修理

目前國內(nèi)外車輛檢修作業(yè)方式主要采用現(xiàn)車修理和換件修理相結(jié)合的檢修模式。在現(xiàn)車修理模式中，因為故障類型多樣，修理作業(yè)難度較大且作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，機器人技術(shù)難以得到完全應(yīng)用，僅能在一些繁瑣而固定的修理操作中應(yīng)用。例如，應(yīng)用材料加工機器人技術(shù)和螺栓緊固機器人技術(shù)進行表面打磨、螺栓緊固等。在換件修理模式中，可應(yīng)用移動機器人技術(shù)和裝配機器人技術(shù)進行故障零部件的拆卸、替換件的調(diào)用和安裝等。

2.5 重組驗收

對地鐵車輛上各單元模塊進行重新組裝后需進行性能參數(shù)測試。性能參數(shù)測試包括各單元功能試驗、受電弓升落時間測試和接觸壓力測試等。由于測試多在試驗臺上進行，作業(yè)難度較大，同時還需進行調(diào)試達到最佳工作狀態(tài)，因此機器人技術(shù)難以大范圍應(yīng)用。但相關(guān)數(shù)據(jù)測量，例如，磨耗板厚度、輪對內(nèi)側(cè)距、轉(zhuǎn)向架輪重等，可應(yīng)用機器視覺技術(shù)作為獲取環(huán)境信息和被測物體信息的手段。以構(gòu)架外形檢測工作為例，可以采用機器人加持輪廓儀、工業(yè)相機等檢測工具，使用外形幾何尺寸測量方法、圖像對比法等進行操作分析。

3 機器人技術(shù)應(yīng)用探討

3.1 機器人選型

機器人技術(shù)應(yīng)用到地鐵車輛檢修作業(yè)中，針對某項工作進行機器人的選型非常重要，下面主要從4個方面介紹機器人選型中需要注意的參數(shù)。

3.1.1 有效負載

有效負載指機器人在工作時臂端能夠搬運的物體重量或所能承受的力和力矩，用以表示機器人的負荷能力。機器人在不同位置時，允許的最大可搬運質(zhì)量不同，因此，機器人的額定可搬運質(zhì)量是指其臂桿在工作空間中任意位置時腕關(guān)節(jié)端部能搬運的最大質(zhì)量。

3.1.2 自由度數(shù)

機器人的軸數(shù)決定了機器人的自由度，即機器人的靈活性。自由物體在空間有6個自由度，工業(yè)機器人多為開式連桿系，每個關(guān)節(jié)運動副只有1個自由度，通常機器人的自由度數(shù)目就等于其關(guān)節(jié)數(shù)。機器人的自由度數(shù)目越多，其功能就越強。目前工業(yè)機器人通常具有4 ～6個自由度。

3.1.3 最大動作范圍

當(dāng)評估目標(biāo)應(yīng)用到具體場合時，應(yīng)了解機器人需達到的最大距離，注意機器人在近身及后方的一片非工作區(qū)域。根據(jù)相應(yīng)機器人的動作范圍，判斷該機器人是否適用于該特定場合。

3.1.4重復(fù)精度

重復(fù)精度可以描述為對同指令從同一方向重復(fù)響應(yīng)多次后實到位置的不一致程度，主要取決于機器人的應(yīng)用場合，一般在±0.05 mm到±0.02 mm之間。在地鐵車輛檢修中，不同的應(yīng)用場合機器人的重復(fù)精度要求也不一樣。機器人應(yīng)用在軸承組裝時，需要一個超級精密重復(fù)精度的機器人;而當(dāng)機器人應(yīng)用在車底檢測、吹掃作業(yè)時，因為工序本身對重復(fù)精度要求不高，工業(yè)機器人也就不需要那么精密。

3.2 典型機器人設(shè)備探討

目前國內(nèi)已經(jīng)有相關(guān)廠家將機器人技術(shù)應(yīng)用到地鐵車輛智能檢測中。根據(jù)作者近年對機器人技術(shù)應(yīng)用到地鐵車輛檢修中的研究，下面對目前可在地鐵車輛檢修作業(yè)中應(yīng)用的幾種典型機器人設(shè)備進行探討。

3.2.1 車底吹掃設(shè)備

車底吹掃設(shè)備（圖1）是一套基于機器視覺、機器人技術(shù)以及自動導(dǎo)引技術(shù)的全自動化車底清潔設(shè)備。該設(shè)備采用在兩軌之間鋪設(shè)簡易軌向道的方式，通過安裝支架將智能化檢測系統(tǒng)安裝于小車之上，在小車前端安裝3D智能輪廓傳感器和工業(yè)相機，掃描車底輪廓圖像，對車底部件進行輪廓識別，用于后期機器人吹掃作業(yè)時的路徑規(guī)劃和避障數(shù)據(jù)依據(jù)。使用機器人加裝吹掃槍，根據(jù)規(guī)劃路徑對車底重點部件進行多角度吹掃作業(yè)，并可通過工業(yè)相機自檢所吹掃部件的清潔程度，針對現(xiàn)場情況實時調(diào)節(jié)吹掃風(fēng)壓、吹掃時間和吹掃次數(shù)等，實現(xiàn)智能化吹掃作業(yè)。

車底吹掃設(shè)備整體重量約為1 kg，因此要求機器人有效負載為5 kg。機器人本身體積不應(yīng)過大，工作半徑應(yīng)在800 mm左右，自由度為6軸。對重復(fù)精度方面沒有嚴(yán)格要求，10 mm即可。在吹掃試驗過程中，要求吹掃槍緩慢運行，速度約為100 mm/s。

3.2.2 輪對激光清洗設(shè)備

輪對激光清洗設(shè)備（圖2）主要用于地鐵輪對表面油漆、銹斑的自動化智能清洗。該系統(tǒng)采用激光清洗的方式，借助機器視覺技術(shù)、機器人技術(shù)、工業(yè)自動化技術(shù)等進行作業(yè)。在設(shè)備作業(yè)的同時利用工業(yè)相機對除漆、除銹效果進行自檢，如果效果不達標(biāo)，則進行二次或多次清洗，確保優(yōu)質(zhì)的除漆、除銹效果。

輪對激光清洗設(shè)備所應(yīng)用的激光清洗裝置中的激光輸出槍重量約為3.5 kg，因此要求所選擇的機器人有效負載為5 kg即可。輪對激光清洗設(shè)備需要在所配備工業(yè)相機的機器視覺技術(shù)引導(dǎo)下，能自適應(yīng)各種輪對結(jié)構(gòu)，應(yīng)用機器人手臂自動操作，因此選擇自由度為6軸的機器人。機器人的工作半徑在900 mm左右即可滿足覆蓋輪對的作業(yè)需求，重復(fù)精度要求1 mm左右。

3.2.3 軸承測量機設(shè)備

軸承測量機設(shè)備（圖3）應(yīng)用機器人自動化技術(shù)、接觸式測量技術(shù)，實現(xiàn)對軸承尺寸的自動測量。系統(tǒng)設(shè)備由工業(yè)機器人、氣爪、內(nèi)外徑測量臺、測量平臺、電氣系統(tǒng)等組成。由于軸承較重，因此要求機器人負載能力在100 kg左右，工作半徑2 000 mm左右，且重復(fù)精度要求較高。

該設(shè)備應(yīng)用KUKA工業(yè)機器人抓取軸承，采用智能化數(shù)顯千分表接觸式測量，實現(xiàn)對軸承所有尺寸的自動測量。設(shè)備可取代人工方式，提高測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。測量系統(tǒng)軟件可將測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值或范圍進行自動比對，并進行數(shù)據(jù)篩選。當(dāng)測量結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)時，設(shè)備自動匹配合格并記錄數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

在現(xiàn)有地鐵車輛檢修工作場地、工作模式改進的大環(huán)境背景下，機器人可以與人同時在工作區(qū)域內(nèi)直接進行交互工作，這既能體現(xiàn)出機器人作業(yè)優(yōu)勢，又能保留現(xiàn)有檢修工藝。隨著機器人性能逐步提升，機器人在地鐵車輛檢修中也必將呈現(xiàn)發(fā)展普及趨勢。但機器人技術(shù)在地鐵車輛檢修中進一步應(yīng)用，需要重點關(guān)注以下幾點。

（1）傳統(tǒng)工業(yè)機器人與協(xié)作機器人各有優(yōu)勢和不足，需要結(jié)合地鐵車輛實際檢修工藝內(nèi)容，對這兩種機器人技術(shù)和作業(yè)人員三者之間的工作模式進行深入研究，力求機器人技術(shù)能夠在地鐵車輛檢修中發(fā)揮最大優(yōu)勢，最大程度地提高檢修效率和質(zhì)量。

（2）完善機器人功能結(jié)構(gòu)，細化檢修范圍，解決地鐵車輛檢修作業(yè)中故障類型多、檢查范圍廣的問題。結(jié)合地鐵車輛實際檢修工藝流程，研究機器人作業(yè)體系，重點研究各檢修環(huán)節(jié)之間的銜接，避免工作節(jié)拍不嚴(yán)謹(jǐn)，工序間易等待等現(xiàn)象。

（3）提高機器人檢修作業(yè)的實用化水平，包括帶電檢修機器人的續(xù)航時間，交互機器人的安全防護及危險處理，自身的可靠性，路徑規(guī)劃能力，人、物識別能力，控制系統(tǒng)安全能力和抗干擾能力等。

（4）研究機器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊組合化（包括機械模塊、控制模塊、信息檢測模塊等），降低制造成本，提高可靠性。

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收稿日期 2020-05-07

責(zé)任編輯 宗仁莉