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(jī)器人和多信息傳感信號(hào)融合技術(shù)，開(kāi)發(fā)了高精度高體重載三維天軌側(cè)龍門(mén)結(jié)構(gòu)鐵路貨車自動(dòng)檢修系統(tǒng)機(jī)器人火焰切割工作站，發(fā)明了一種自動(dòng)檢修作業(yè)快速分區(qū)識(shí)別的方法，解決了廢舊車體定位基準(zhǔn)缺失、隨機(jī)變形和破損位置不均等問(wèn)題，解決了貨車檢修領(lǐng)域中廢舊車體切割工序長(zhǎng)期依賴人工，難以利用自動(dòng)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(shí)別相機(jī)； 柔性控制

中圖分類號(hào)： 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(xiàng)目： 黑龍江省頭雁團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)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(yùn)作為各國(guó)運(yùn)輸?shù)摹按髣?dòng)脈”，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要途徑，具有不定點(diǎn)、不定線、全天候、全溫域運(yùn)行于各鐵路線的特點(diǎn)［1］。隨著萬(wàn)噸重載運(yùn)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(zhǎng)期經(jīng)受雨水腐蝕、貨物摩擦和裝載機(jī)構(gòu)撞擊等外力作用，車體逐漸減薄直至穿孔失效，這時(shí)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(yùn)能力的穩(wěn)定和安全［3-4］。由于貨車修補(bǔ)作業(yè)存在車體隨機(jī)變形、定位基準(zhǔn)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(diǎn)問(wèn)題。因此，目前國(guó)內(nèi)貨車修補(bǔ)行業(yè)中廢舊板材區(qū)域的識(shí)別和劃分均是工人手工作業(yè)，工人在磨損區(qū)域畫(huà)個(gè)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(lái)，并測(cè)量切割下來(lái)的尺寸進(jìn)行修補(bǔ)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(jì)切割一輛C64型車一般是4人同時(shí)作業(yè)，根據(jù)車體的破損程度作業(yè)時(shí)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(dá)到460 m）。在該工位所需作業(yè)人員多、工作時(shí)間長(zhǎng)、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(shí)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(gè)流程下來(lái)，即浪費(fèi)了板材，還降低了生產(chǎn)效率，增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且無(wú)法滿足修補(bǔ)檢修過(guò)程數(shù)字化、信息采集自動(dòng)化、數(shù)據(jù)共享化、應(yīng)用綜合化的實(shí)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(dòng)檢修作業(yè)這種定位基準(zhǔn)缺失的典型工件，開(kāi)發(fā)配套的自動(dòng)化火焰切割設(shè)備對(duì)于貨運(yùn)列車檢修行業(yè)的自動(dòng)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(dòng)檢修系統(tǒng)火焰切割工作站基于六軸工業(yè)機(jī)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(cè)距傳感器、IV2識(shí)別相機(jī)、筆筒攝像頭等關(guān)鍵傳感元件和三維天軌側(cè)龍門(mén)結(jié)構(gòu)建立自動(dòng)切割單元用以解決鐵路貨修領(lǐng)域所面臨的定位基準(zhǔn)缺乏、隨機(jī)變形和破損位置不均等問(wèn)題，突破傳統(tǒng)手工作業(yè)方式，首次在國(guó)內(nèi)鐵路貨修領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“以機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)中機(jī)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(tái)側(cè)龍門(mén)及其運(yùn)動(dòng)天軌，在同一軌道上安裝有2臺(tái)切割機(jī)器人，共計(jì)配有4套獨(dú)立切割機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人安裝在可三維運(yùn)動(dòng)的天軌門(mén)架上，能夠有效的放大機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行程，三維移動(dòng)均采用交流伺服驅(qū)動(dòng)，并可以在0.5～10 m/min之間無(wú)級(jí)調(diào)速，同時(shí)每臺(tái)機(jī)器人都能在X，Y，Z 3個(gè)方向進(jìn)行擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)，與機(jī)器人本體形成9軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)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(tái)設(shè)備均可獨(dú)立進(jìn)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(tái)機(jī)器人分別倒掛在2套懸臂和升降臂上。機(jī)器人懸臂及升降臂可以沿縱向軌道（X向）移動(dòng)，升降臂可以沿懸臂進(jìn)行橫向（Y向）運(yùn)動(dòng)，升降臂可在懸臂滑座上下（Z向）移動(dòng)，機(jī)器人控制柜及與之相配套的電氣元件均安裝在行走滑臺(tái)或天軌平臺(tái)上，其機(jī)械接頭如圖3所示。鐵路貨車自動(dòng)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?xì)夂颓懈钛鯕狻?/p>

1.2 電氣設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)

1.2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

電氣設(shè)計(jì)部分主要控制機(jī)器人內(nèi)置PLC和伺服電機(jī)、外設(shè)PLC和外置各傳感器、AC24V點(diǎn)火裝置、預(yù)熱氧氣電磁閥、切割氧氣電磁閥、預(yù)熱燃?xì)怆姶砰y、操作臺(tái)、變壓器等。通過(guò)外置PLC循環(huán)掃描的方式進(jìn)行控制系統(tǒng)的整體控制，1個(gè)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(hào)狀態(tài)并存入與輸入端子數(shù)目對(duì)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(jì)數(shù)器順序?qū)ぶ罚来沃赶蛎總€(gè)存儲(chǔ)單元，控制器順序執(zhí)行這些指令［7］，對(duì)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(shí)器、計(jì)數(shù)器、狀態(tài)器的狀態(tài)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)輸出指令存入對(duì)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(dòng)輸出繼電器的線圈，形成PLC的實(shí)際輸出。在1個(gè)周期執(zhí)行完畢后，地址計(jì)數(shù)器恢復(fù)到初始地址，重復(fù)執(zhí)行上述3個(gè)階段的工作，最終實(shí)現(xiàn)鐵路貨車檢修系統(tǒng)火焰切割工作站的自動(dòng)控制，控制界面如圖4所示。

1.2.2 分區(qū)識(shí)別相機(jī)控制系統(tǒng)

為解決鐵路貨車檢修作業(yè)時(shí)車體隨機(jī)變形、車體破損程度差別較大等核心技術(shù)問(wèn)題展開(kāi)技術(shù)攻關(guān)，發(fā)明了一種用于鐵路貨車車體自動(dòng)切割作業(yè)快速分區(qū)識(shí)別的方法，將視覺(jué)檢測(cè)相機(jī)安裝在切割機(jī)器人六軸端部，機(jī)器人帶動(dòng)相機(jī)以分區(qū)形式快速拍照，機(jī)器人根據(jù)相機(jī)所采集的待割區(qū)信息，控制系統(tǒng)規(guī)劃調(diào)取機(jī)器人自動(dòng)切割程序，并開(kāi)展車體的自動(dòng)切割作業(yè)。該方法以工業(yè)機(jī)器人為核心，配合拍照識(shí)別傳感器（圖5），利用OCR數(shù)字通訊技術(shù)進(jìn)行數(shù)字識(shí)別，通過(guò)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(dòng)調(diào)節(jié)控制器的時(shí)間。切割軌跡在機(jī)器人中提前預(yù)制，通過(guò)PLC和現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)與OCR系統(tǒng)進(jìn)行連接，進(jìn)行數(shù)字、字母或者符號(hào)獲取和判斷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制切換程序編號(hào)（改變順序）的功能。可以輕松檢測(cè)出用光電開(kāi)關(guān)難以識(shí)別的配件形狀等；設(shè)定運(yùn)行條件時(shí)，需要使用觸控面板或?qū)Ｓ密浖?，通過(guò)以太網(wǎng)連接傳感器與觸控面板、傳感器與計(jì)算機(jī)，所以除了1對(duì)1的直接連接以外，還可以連接多臺(tái)傳感器。

利用機(jī)器人柔性、高精度運(yùn)行的特點(diǎn)，運(yùn)行到提前預(yù)置好的切割軌跡和位置，進(jìn)行分區(qū)掃描拍照，將符號(hào)代表的意義及切割的軌跡提前預(yù)制，機(jī)器人按照既定路線進(jìn)行分區(qū)拍照，利用OCR技術(shù)將符號(hào)記錄并處理，上傳至中央處理器，通過(guò)中央處理器進(jìn)行程序的調(diào)用，并將該程序號(hào)的軌跡路線傳輸至下料工位，從而實(shí)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(guò)點(diǎn)裝好的車體，傳輸?shù)皆摴の?，?jīng)由工裝夾具定位后，人為將整個(gè)側(cè)墻進(jìn)行分區(qū)，確定將要拆解的區(qū)域后，由人工進(jìn)行號(hào)碼噴涂，隨后交由拍照識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別之后自動(dòng)調(diào)取切割程序，由該系統(tǒng)4臺(tái)切割機(jī)器人依據(jù)提前規(guī)劃好的軌跡對(duì)端/側(cè)墻修補(bǔ)位置進(jìn)行自動(dòng)切割。結(jié)合切割工況進(jìn)行kuka robot柔性切割技術(shù)的二次開(kāi)發(fā)，切割過(guò)程中機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)人工實(shí)時(shí)干預(yù)的方式對(duì)切割軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。利用筆筒攝像頭在割炬的前方檢測(cè)監(jiān)測(cè)過(guò)程，操作人員在切割過(guò)程中在顯示屏上監(jiān)測(cè)圖像，為人工實(shí)時(shí)干預(yù)提供了便利和檢測(cè)手段，以確保割炬適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。

機(jī)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(jìn)行車門(mén)拆解和車體整修工作，工人手動(dòng)在整修車體需要切割的位置進(jìn)行數(shù)字標(biāo)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(guò)后的鐵路貨車車體由假車和動(dòng)力機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下進(jìn)入待切區(qū)域后，人工按動(dòng)操作臺(tái)上的“啟動(dòng)按鈕”進(jìn)行切割作業(yè)，進(jìn)行自動(dòng)程序調(diào)用，由拍照識(shí)別系統(tǒng)對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行拍照，將拍到的數(shù)據(jù)通過(guò)PLC傳遞到機(jī)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(guò)激光高度傳感器進(jìn)行車體的定位識(shí)別從而確定車體的位置是否出現(xiàn)偏差，并識(shí)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(guò)程穩(wěn)定可靠，并通過(guò)流量傳感器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)燃?xì)夂脱鯕獾谋壤?，控制切割風(fēng)線的長(zhǎng)度及時(shí)應(yīng)對(duì)錯(cuò)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(dòng)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(guò)鐵路貨車自動(dòng)檢修系統(tǒng)機(jī)器人火焰切割工作站的研制，進(jìn)一步解決了貨修領(lǐng)域自動(dòng)化程度不高、人工切割精度低及工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，擴(kuò)寬了自動(dòng)化焊割設(shè)備的應(yīng)用范圍，為類似這種隨機(jī)變形、定位基準(zhǔn)缺失的典型工件的自動(dòng)化設(shè)備研制提供新型解決方案。

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收稿日期： 2023-02-24

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