李 濤

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車車輛學(xué)院，廣州 510430）

輪對作為動車九大關(guān)鍵技術(shù)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(dá)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(zhuǎn)向架需進(jìn)行分解，才能對安裝在轉(zhuǎn)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(nèi)。若在要求范圍內(nèi)，螺栓可繼續(xù)使用；若超出范圍，則需更換螺栓及相關(guān)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(zhuǎn)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(cè)，制動盤螺栓扭矩校驗時，需在車輪一側(cè)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(cè)用棘輪扳手卡緊螺栓頭，然后在另一側(cè)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(qiáng)度大，檢修效率低。當(dāng)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(jié)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(dǎo)致檢測結(jié)果追溯困難。為解決人工校驗螺栓扭矩困難的問題，設(shè)計了動車組制動盤螺栓扭矩校驗用機(jī)器人生產(chǎn)線。

1 技術(shù)特點

動車組制動盤螺栓扭矩校驗用機(jī)器人生產(chǎn)線的技術(shù)特點如下。

（1）采用工業(yè)機(jī)器人，運用視覺檢測、運動控制等技術(shù)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(zhǔn)完成。該校驗用機(jī)器人運行平穩(wěn)、安全，維護(hù)方便。

（2）能夠滿足CRH1型、CRH3型和CR400AF復(fù)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(nèi)制動盤螺栓校核進(jìn)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(shè)備的狀態(tài)，根據(jù)設(shè)備使用時長提示維護(hù)保養(yǎng)，并為工藝的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)化依據(jù)。

（5）輪對輸送機(jī)構(gòu)采用輪對兩端同步驅(qū)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(jī)構(gòu)可上下移動，以適應(yīng)不同輪對軸心高度，推動輪對前進(jìn)。

（6）頂升分度機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)輪對的舉升與旋轉(zhuǎn)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(jī)器人裝置具有結(jié)構(gòu)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(jī)器人背部及下方具有廣闊的動作領(lǐng)域，縮短了機(jī)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(qū)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(hù)裝置具備安全互鎖功能。在機(jī)器人運行過程中，若有人員進(jìn)入工作區(qū)域，設(shè)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(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，且安裝簡單，維修方便。

2 技術(shù)參數(shù)

動車組制動盤螺栓扭矩校驗用機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

制動盤螺栓扭矩校驗用機(jī)器人生產(chǎn)線（如圖3所示）由輪對輸送機(jī)構(gòu)、頂升分度機(jī)構(gòu)、工業(yè)機(jī)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(hù)裝置等構(gòu)成[6]。

3.1 輪對輸送機(jī)構(gòu)

輪對采用輪對兩端同步驅(qū)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(jī)構(gòu)（如圖4所示）由輸送機(jī)滑臺、輸送機(jī)立柱、止輪裝置以及撥輪機(jī)構(gòu)等組成。其中：輸送機(jī)滑臺由滑臺底座、伺服電機(jī)、直線滑軌和齒條組成，如圖5所示，結(jié)構(gòu)形式為伺服電機(jī)+齒輪齒條+直線導(dǎo)軌；撥輪機(jī)構(gòu)安裝在輸送機(jī)構(gòu)的滑臺上，由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和限位機(jī)構(gòu)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(yīng)不同輪對的軸心高度；止輪裝置由驅(qū)動氣缸、直線滑軌和限位塊組成，如圖7所示，主要用于在預(yù)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(qū)動的形式控制輪對在工位間自動移動。

輪對輸送機(jī)構(gòu)的工作流程：首先，操作人員將輪對輸送至預(yù)定工位，止輪裝置伸出，以限制輪對前后移動，然后驅(qū)動機(jī)構(gòu)推動限位機(jī)構(gòu)下移至輪對車軸中心處，以限位輪對；其次，預(yù)定工位止輪裝置縮回，輸送機(jī)滑臺將輪對輸送至檢測工位后，撥輪機(jī)構(gòu)退出檢測工位；最后，扭矩校驗完成后，輸送機(jī)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(jī)構(gòu)

頂升分度機(jī)構(gòu)（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(zhuǎn)動車輪角度，以適應(yīng)機(jī)器人測試螺栓。為解決驅(qū)動輪對旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角度來判定輪對旋轉(zhuǎn)角度。傳動組件由直線導(dǎo)軌、絲桿、感應(yīng)器以及減速電機(jī)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(jī)、減速機(jī)、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(zhuǎn)。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(jī)構(gòu)工作流程：首先，輸送機(jī)滑臺將撥輪機(jī)構(gòu)輸送至檢測工位，由頂升分度機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)到合適的工作位置進(jìn)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(zhuǎn)到檢測位置，直至該制動盤螺栓校驗完成。

3.3 工業(yè)機(jī)器人裝置

工業(yè)機(jī)器人裝置（如圖11所示）由機(jī)器人立柱底座、機(jī)器人橫梁支架、工業(yè)機(jī)器人以及壓輪機(jī)構(gòu)等組成。本系統(tǒng)所選用的機(jī)器人包括機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜和示教器。機(jī)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(jī)構(gòu)的主要作用是防止在進(jìn)行扭力校驗時輪對轉(zhuǎn)動。機(jī)器人主要參數(shù)見表2。

表2 機(jī)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(jī)器人末端，主要檢測工具為力矩擰緊伺服扳手[7]。該裝置設(shè)置了單側(cè)擰緊方式和雙側(cè)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(cè)擰緊，拖車輪對需要雙側(cè)擰緊。

3.4.1 動輪單側(cè)擰緊

動輪進(jìn)行扭力校驗時采用單側(cè)擰緊方式，如圖12所示，并采用彈簧浮動機(jī)構(gòu)與力矩擰緊伺服扳手組合的形式安裝在機(jī)械手上。工作時，機(jī)械手運動，力矩擰緊伺服扳手貼緊螺栓，使彈簧浮動機(jī)構(gòu)保持在預(yù)壓狀態(tài)。此時，在套筒旋轉(zhuǎn)的過程中，套筒會自動旋入螺栓頭，以完成認(rèn)帽過程。在認(rèn)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(jī)構(gòu)來適應(yīng)套筒的正確裝入。套筒套入螺栓時，利用彈簧浮動機(jī)構(gòu)為套筒提供持續(xù)貼緊螺栓的力，然后套筒旋轉(zhuǎn)，套入螺栓。該機(jī)構(gòu)利用彈簧的彈力為浮動的核心，并用直線導(dǎo)軌保持軸向的定位精度。

3.4.2 拖輪雙側(cè)擰緊

拖輪進(jìn)行扭力校驗時采用雙側(cè)擰緊方式。雙側(cè)擰緊機(jī)構(gòu)由力矩擰緊伺服扳手、彈簧浮動機(jī)構(gòu)1、機(jī)器人安裝法蘭、直線模組、快換裝置、彈簧浮動機(jī)構(gòu)2以及對敲機(jī)構(gòu)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(shè)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(dá)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度控制，同時能夠調(diào)整輸出扭矩、角度、旋轉(zhuǎn)方向等參數(shù)。力矩擰緊伺服扳手可按預(yù)定輸出力進(jìn)行校核，其角度變化量與螺栓實際擰緊狀態(tài)呈負(fù)相關(guān)，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(dǎo)軌、伺服電機(jī)、滾珠絲桿直線傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)械自動化直線驅(qū)動單元，能夠根據(jù)保持載荷的直線精準(zhǔn)定位。為保證機(jī)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(jī)構(gòu)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(zhuǎn)。認(rèn)帽完成后，由氣動離合器止轉(zhuǎn)。

雙側(cè)擰緊的流程：首先，機(jī)械手運動，使力矩擰緊伺服扳手貼緊螺栓，并使彈簧浮動機(jī)構(gòu)1保持在預(yù)壓狀態(tài)；其次，直線模組運動，使對敲機(jī)構(gòu)的套筒貼緊螺栓，并使彈簧浮動機(jī)構(gòu)2保持在預(yù)壓狀態(tài)；最后，對敲機(jī)構(gòu)氣缸運動，通過發(fā)條帶動軸柔性旋轉(zhuǎn)，在套筒旋進(jìn)螺栓后，氣動離合器將軸鎖緊，防止軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)軸為空心軸，內(nèi)置頂針，套筒旋進(jìn)螺栓后將頂針頂出，傳感器接收套筒已旋入信號，認(rèn)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(jī)、鏡頭、光源以及棱鏡等組成[9-10]。該裝置安裝在機(jī)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(biāo)、為機(jī)器人修正定位位置、把相關(guān)信息傳給主機(jī)以及判斷輪對軸向位置。工業(yè)相機(jī)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(shù)，同時利用視覺檢測反饋信息，補(bǔ)償機(jī)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(jìn)行控制與管理，主要完成對機(jī)器人、生產(chǎn)線、操作盤的協(xié)調(diào)控制。其副操作盤（觸摸屏）由人機(jī)界面完成系統(tǒng)的設(shè)定、調(diào)整、監(jiān)視等功能，主操作盤能夠完成系統(tǒng)的啟動、預(yù)約、停止等操作。

3.7 安全防護(hù)裝置

安全防護(hù)裝置主要起到安全防護(hù)作用。機(jī)器人工作區(qū)安裝有外圍護(hù)欄、維修通道以及進(jìn)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(jī)器人自動作業(yè)期間，需保證所有設(shè)備門關(guān)閉。若設(shè)備門沒有完全關(guān)閉或處于打開狀態(tài)，應(yīng)使機(jī)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(guān)后，系統(tǒng)處于預(yù)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(fù)位命令后，系統(tǒng)將恢復(fù)工作過程或?qū)C(jī)器人設(shè)備恢復(fù)到原位。當(dāng)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(guān)閉所有設(shè)備門。機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)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?qū)е聶C(jī)器人碰撞的條件下運行，尤其是在啟動系統(tǒng)機(jī)器人不在原位、系統(tǒng)啟動機(jī)器人協(xié)調(diào)不好、設(shè)備門未完全關(guān)閉等條件下，系統(tǒng)將無法啟動。當(dāng)啟動系統(tǒng)機(jī)器人在自動運行檢測時，機(jī)器人本身具有防碰撞功能。當(dāng)遇到額外增加的過大負(fù)載時，機(jī)器人會停止作業(yè)。另外，設(shè)備中還安裝有閃光燈，當(dāng)系統(tǒng)運行時能夠起到警告附近人員的功能。當(dāng)系統(tǒng)開啟時，警示燈會自動開啟。當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉且所有機(jī)器人設(shè)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(fù)到安全位置。

4 結(jié)語

根據(jù)動車組檢修需求設(shè)計了動車組制動盤螺栓扭矩校驗用機(jī)器人。該機(jī)器人采用視覺識別，可實現(xiàn)減員增效、降低作業(yè)強(qiáng)度的功能。同時，采用自動化及智能化的扭矩校驗?zāi)Ｊ教娲鷤鹘y(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(shè)要求。