趙 斌， 劉康寧， 方陽(yáng)陽(yáng)， 呂崇偉， 李殿偉

（1.國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司滄州機(jī)車車輛維修分公司，河北 滄州 061113；2.北京北九方軌道交通科技有限公司，北京 100036）

0 引言

我國(guó)自主設(shè)計(jì)開發(fā)的韶山系列直流電力機(jī)車依然在我國(guó)大宗商品運(yùn)輸中承擔(dān)重要牽引任務(wù)，根據(jù)電力機(jī)車檢修規(guī)程，機(jī)車使用單位鐵路機(jī)務(wù)段需要定期對(duì)電力機(jī)車進(jìn)行大修，其中二位置開關(guān)需要同時(shí)進(jìn)行檢修并對(duì)磨損的觸指進(jìn)行維修或更換，為降低檢修成本，減少環(huán)境污染和資源消耗，需要對(duì)部分磨損不嚴(yán)重的觸指進(jìn)行翻新再利用。 隨著機(jī)器人、激光視覺檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，利用機(jī)器人抓取工件并執(zhí)行仿形軌跡， 利用3D 激光傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測(cè)， 再配合雙工位打磨及拋光設(shè)備，將觸指檢修由傳統(tǒng)的手工作業(yè)升級(jí)為自動(dòng)打磨、 拋光、非接觸式激光檢測(cè)、數(shù)據(jù)智能判斷、自動(dòng)記錄，工藝過程自動(dòng)執(zhí)行。

1 概述

1.1 二位置觸指的用途

韶山系列直流電力機(jī)車高壓柜內(nèi)二位置轉(zhuǎn)換開關(guān)用來轉(zhuǎn)換接通機(jī)車主電路，控制機(jī)車牽引電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的牽引、制動(dòng)及向前、向后換向。 轉(zhuǎn)換開關(guān)主要由前后換向轉(zhuǎn)鼓和牽引制動(dòng)轉(zhuǎn)鼓兩大部分組成。 示意圖如圖1 所示。

圖1 二位置轉(zhuǎn)換開關(guān)示意圖

牽引、 制動(dòng)工況切換和向前， 向后方向切換， 通過轉(zhuǎn)鼓和觸指的不同組合控制牽引電機(jī)勵(lì)磁繞組的接線方式和電流方向來實(shí)現(xiàn)。 機(jī)車運(yùn)行過程中， 轉(zhuǎn)鼓和觸指之間有電流流過，轉(zhuǎn)鼓和觸指需要保持良好接觸。 觸指通過彈簧按壓和轉(zhuǎn)鼓保持接觸，示意圖如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)鼓和觸指示意圖

機(jī)車運(yùn)行過程中， 工況頻繁切換， 轉(zhuǎn)鼓和觸指之間摩擦頻繁，觸指磨損嚴(yán)重，磨損后的觸指如圖3 所示。

圖3 磨損后的觸指示意圖

新觸指的主要參數(shù)為寬度18mm、 厚度7.1mm， 接觸部分弧度R20 ，粗糙度6.3，示意圖如圖4 所示。

圖4 觸指尺寸示意圖

1.2 二位置觸指的檢修現(xiàn)狀

1 臺(tái) 機(jī) 車 有160 個(gè)觸指， 機(jī)車大修時(shí)需要對(duì)磨損嚴(yán)重的觸指重新電鍍或者更換。 新觸指或者電鍍后的觸指，為了保證和轉(zhuǎn)鼓之間的緊密接觸，安裝之前，需要對(duì)觸指與轉(zhuǎn)鼓的接觸部分進(jìn)行表面處理， 需要確保觸指接觸部分的表面粗糙度和柱度精度，確保轉(zhuǎn)鼓與觸指線接觸不小于14mm。

現(xiàn)有的二位置觸指在拆卸后， 均由人工采用砂紙和平挫進(jìn)行打磨，人工打磨后的工件，隨意性很強(qiáng)，工件一致性差，誤差數(shù)據(jù)分散。 表面粗糙度大于12.5，圓柱度大于0.25mm； 并且工件打磨后檢測(cè)是否合格的工藝復(fù)雜，需要相關(guān)工件配合后檢測(cè)接觸部分的長(zhǎng)度是否大于14mm， 如果小于14mm， 需要反復(fù)打磨直到達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，打磨的具體次數(shù)無法確定，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。 人工打磨觸指示意圖如圖5 所示。

圖5 人工打磨觸值現(xiàn)狀

2 觸指自動(dòng)打磨設(shè)備組成

為了提升觸指的打磨效率，檢修質(zhì)量，設(shè)計(jì)并開發(fā)了二位置自動(dòng)觸指打磨設(shè)備，該設(shè)備主要由6 軸工業(yè)機(jī)器人、浮動(dòng)恒力雙工位打磨砂帶機(jī)（以下簡(jiǎn)稱 “砂帶機(jī)”）、3D 激光檢測(cè)系統(tǒng)、 上料盤和下料筐等組成。 機(jī)器手抓取觸指，進(jìn)行測(cè)量和打磨。 砂帶機(jī)用于觸指打磨，配置兩條砂帶，粗砂帶用于磨削，細(xì)砂帶用于表面拋光。3D 激光檢測(cè)系統(tǒng)用于觸指的表面粗糙度、圓柱度、厚度測(cè)量，輸出觸指的外形尺寸點(diǎn)云數(shù)據(jù)，自動(dòng)判斷觸指圓柱度及粗糙度合格狀況。

2.1 六軸機(jī)器手

六自由度機(jī)器手的主要配置為負(fù)載20kg， 工作半徑為1.7m，重復(fù)定位精度不低于±0.06mm。 機(jī)器人配有氣動(dòng)夾爪，用于執(zhí)行工件抓取、測(cè)量、打磨等工序，代替人工。氣動(dòng)夾爪由氣缸驅(qū)動(dòng)、設(shè)計(jì)夾持力50kg。

2.2 砂帶機(jī)

砂帶機(jī)配置75mm 寬粗細(xì)兩條砂帶， 同時(shí)配置軸向力位柔順補(bǔ)償器， 可根據(jù)工作需要對(duì)末端工具進(jìn)行重力補(bǔ)償并精確輸出平行于機(jī)械臂軸向的接觸力， 該裝置還能根據(jù)接觸表面的輪廓特征進(jìn)行自適應(yīng)伸縮， 解決了接觸面敏感特征工藝與快速接觸移動(dòng)之間的難題。

砂帶機(jī)浮動(dòng)范圍20mm、位置精度0.05mm、浮動(dòng)壓力10-300N、雙側(cè)砂帶浮動(dòng)打磨，分別用于工件打磨及拋光工序。

砂帶機(jī)配置變頻器， 可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)砂帶的運(yùn)行速度，轉(zhuǎn)速范圍為0～3000rpm。

2.3 3D 激光檢測(cè)系統(tǒng)

3D 激光檢測(cè)系統(tǒng)主要由3D 激光線掃描傳感器、移動(dòng)模組、工控機(jī)及檢測(cè)軟件組成。 3D 激光傳感器用于觸指尺寸的非接觸測(cè)量， 安裝于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)模組上。 如圖6 所示，機(jī)械手抓取工件，移動(dòng)模組帶動(dòng)3D 激光傳感器對(duì)工件進(jìn)行勻速掃描， 傳感器輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)至工控機(jī)， 通過相關(guān)算法，計(jì)算觸指的粗糙度及圓柱度數(shù)據(jù)，從而判斷觸指是否滿足要求。表1 詳細(xì)列明了3D 激光線掃描的主要參數(shù)。

表1 3D 激光線掃描主要參數(shù)

圖6 3D 激光線掃描示意圖

2.4 上料盤

上料盤用于人工擺放待打磨的觸指、 上料盤可以容納12個(gè)觸指。上料盤帶有工件定位和上料定位裝置，由氣缸驅(qū)動(dòng)送至觸指抓取位置。 觸指采用V 形布置，提高操作臺(tái)利用率，并且方便機(jī)器人抓取，如圖7 所示。

圖7 觸指上料盤示意圖

2.5 下料筐

下料筐放置于機(jī)械手附近，使用滑道下料，料筐采用輪子滑動(dòng)，方便人工取放。

下料框設(shè)有定位裝置和工件有無檢測(cè)， 控制信號(hào)接至觸指打磨設(shè)備控制系統(tǒng)，如圖8 所示。

圖8 物料框示意圖

2.6 觸指定位及抓取裝置

觸指基本外形尺寸如圖9 所示， 觸指在加工過程中工件存在加工誤差， 根據(jù)工件本身的外形和φ7 的孔位作為工件的定位點(diǎn)， 工件的定位公差控制在±0.5mm 以內(nèi)。

圖9 觸指的外形尺寸圖

定位工裝采用傾斜式設(shè)計(jì)， 既可以方便快捷的安裝工件，又可以為機(jī)械手抓取工件提供姿態(tài)上的補(bǔ)償，工件定位準(zhǔn)確。 定位工裝示意圖如圖10 所示。

圖10 工件定位工裝

定位工裝根據(jù)觸指外形尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)加工加工節(jié)拍設(shè)計(jì)，工裝設(shè)計(jì)容納觸指12 個(gè)，由人工放置。定位工裝整體安裝于直線導(dǎo)軌上，由伸縮氣缸驅(qū)動(dòng)到達(dá)上料位和抓取位。

夾爪手指安裝固定在機(jī)械手上、設(shè)計(jì)采用“V”形自定心機(jī)構(gòu)，兼容新件和翻新件，工件外形尺寸在±0.3mm 范圍內(nèi)的工件，均可兼容，同時(shí)解決了工件外形尺寸一致性差的難題。

本設(shè)備選用20kg 機(jī)械手作為移動(dòng)設(shè)備，夾爪手指匹配該機(jī)械手，同時(shí)對(duì)工件二位置觸指有自定心定位作用，保證每次機(jī)器人抓取工件后的位置都是準(zhǔn)確的， 根據(jù)工件的尺寸，該手指的定位精度高達(dá)±0.1mm。 手指通過氣爪驅(qū)動(dòng)，氣爪抓取力設(shè)計(jì)50kg 以上，保證工件在打磨時(shí)，工件位置的穩(wěn)定可靠。 夾爪夾取工件如圖11 所示。

圖11 夾爪夾取工件示意圖

3 觸指加工過程

人工將工件放入上料盤，上料結(jié)束后，上料盤自動(dòng)進(jìn)入待抓取位置，機(jī)械手抓取工件到3D 激光線掃描工位進(jìn)行觸指厚度和圓柱度測(cè)量，3D 傳感器輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，軟件算法根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)判斷觸指厚度和觸指的圓柱度數(shù)據(jù)，通過自動(dòng)計(jì)算給出該觸指的打磨量。

機(jī)械手夾持工件到打磨位置并執(zhí)行設(shè)定的仿形軌跡，利用磨砂帶機(jī)先進(jìn)行打磨工序，結(jié)束后，進(jìn)行3D 激光檢測(cè)、根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)指揮機(jī)械手執(zhí)行拋光工序，拋光結(jié)束后， 根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷再次磨削、 廢棄處理或者合格下料。 觸指打磨工藝流程圖如圖12 所示。

圖12 觸指打磨工藝流程圖

3.1 打磨和拋光

觸指的表面處理包含打磨、 拋光和激光檢測(cè)3 個(gè)主要工序。機(jī)械手通過夾爪自動(dòng)夾持觸指，經(jīng)過激光傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)后，機(jī)械手將自動(dòng)移動(dòng)至打磨工位，機(jī)械手根據(jù)設(shè)定的數(shù)控仿形軌跡，自動(dòng)執(zhí)行仿形軌跡。砂帶機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的命令，自動(dòng)執(zhí)行設(shè)定的速度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并保持觸指與砂帶之間的接觸力， 確保觸指和砂帶之間的接觸力保持恒定。

根據(jù)工件的材質(zhì)，打磨工序選定砂帶目數(shù)為200 目，75mm 寬的金剛砂砂帶。砂帶機(jī)和機(jī)械手根據(jù)設(shè)定的打磨時(shí)間執(zhí)行打磨過程，時(shí)間到達(dá)后，機(jī)械手自動(dòng)離開打磨工位，砂帶機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)并處于待命狀態(tài)。

打磨結(jié)束后、 機(jī)械手夾持工件再次進(jìn)行觸指圓柱度檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，機(jī)械手夾持觸指到拋光工位執(zhí)行拋光動(dòng)作，砂帶機(jī)自動(dòng)調(diào)整合適的砂帶轉(zhuǎn)速用于拋光，并自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)整拋光砂帶與觸指之間的接觸力。 根據(jù)工件的材質(zhì)和試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)， 拋光工序選用800 目金剛砂砂紙。砂帶機(jī)和機(jī)械手將自動(dòng)執(zhí)行設(shè)定時(shí)間的拋光，時(shí)間到達(dá)后，將結(jié)束拋光過程，再次進(jìn)行圓柱度檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，決定是否再次拋光、合格工件放置或者廢棄工件。打磨和拋光過程如圖13 所示。

圖13 觸指打磨和拋光過程示意圖

3.2 觸指參數(shù)檢測(cè)

觸指參數(shù)檢測(cè)包含觸指厚度檢測(cè)和觸指粗糙度及柱度檢測(cè)， 觸指厚度檢測(cè)用于區(qū)分觸指是新件或者翻新件（觸指接觸部分磨損寬度小于5mm，電鍍后、表面處理后可以重新利用的工件）、從而采用不同打磨和拋光作業(yè)參數(shù)。觸指粗糙度檢測(cè)用于確定觸指表面的粗糙程度，柱度檢測(cè)用于確定觸指部分1 條直線內(nèi)各個(gè)點(diǎn)相對(duì)于測(cè)量參考點(diǎn)的高度誤差，如果高度誤差大于0.2mm，將導(dǎo)致觸指與轉(zhuǎn)鼓的線接觸長(zhǎng)度小于14mm，接觸不充分，接觸電阻大，觸指和轉(zhuǎn)鼓之間容易產(chǎn)生過熱，燒蝕。

3.2.1 觸指厚度檢測(cè)

二位置觸指厚度測(cè)量，3D 相機(jī)垂直圖中觸指的表面，并與工件表面平行移動(dòng)，通過相機(jī)的X 軸檢測(cè)觸指的厚度，用于判斷工件種類（翻新件/新件）。 新觸指厚度為7.1mm，翻新觸指接觸部分厚度小于7.1mm，如圖14 所示。

圖14 觸指厚度測(cè)量示意圖

3.2.2 觸指柱度檢測(cè)

二位置觸指柱度，相機(jī)垂直掃描，并沿下圖中移動(dòng)方向掃描，測(cè)量出觸指部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件算法，計(jì)算出觸指的柱度，如圖15 所示。

圖15 觸指圓柱度測(cè)量示意圖

圖16 觸指柱度檢測(cè)掃描示意圖

圖17 點(diǎn)云數(shù)據(jù)行列截圖

3D 激光傳感器由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的模組進(jìn)行水平方向勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)工件的掃描。

3.2.3 觸指點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3D 激光傳感器輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 每個(gè)點(diǎn)含有X、Y、Z 3 個(gè)方向的數(shù)據(jù)，需要檢測(cè)觸指區(qū)域的尺寸為18*26mm。 選取23行 （R0-R22） 和24 列（C0-C23）總計(jì)552 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)用于觸指的圓柱度、粗糙度計(jì)算。 實(shí)際測(cè)試過程中的截取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)示意圖（c0-c12，r0-r8）如下：

采用最大，最小值的方法計(jì)算觸指的柱度參數(shù)：

選取C0 列C0R0——C0R23 中的高度 （Z 方向的數(shù)值）的最大值減去最小值，例如C0Z=C0R10-C0R18；

選取C1 列C1R0——C1R23 中的最大值減去最小值，例如，C1Z=C1R3-C1R19；

選取C23 列，C23R0---C23R23 中的最大值， 最小值，例如C23Z=C23R12-C23R23

觸指的柱度計(jì)算方法為：

打磨量=MAX（C0Z，C1Z，C2Z---C23Z），選擇其中最大的，也就是整個(gè)工件的柱度數(shù)值。

機(jī)械手根據(jù)測(cè)量的工件柱度數(shù)值，自動(dòng)執(zhí)行打磨、拋光過程，打磨、拋光的量由該測(cè)量值決定。

4 設(shè)備性能

經(jīng)過打磨和拋光處理后， 觸指的表面粗糙度可以達(dá)到3.6，相對(duì)于手工作業(yè)粗糙度12.5，有大幅提升。 觸指的柱度參數(shù)小于0.1mm， 對(duì)比手工打磨也有大幅度的提升。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，對(duì)于新觸指，只需要將觸指與轉(zhuǎn)鼓接觸部分表面鍍層除掉，1 個(gè)觸指的作業(yè)時(shí)間小于30s。 對(duì)于電鍍后的翻新觸指，因需要對(duì)觸指表面磨平部分進(jìn)行處理，與磨平部分相銜接的部分需要進(jìn)行修形，單個(gè)觸指的作業(yè)時(shí)間在90s 內(nèi)。相對(duì)于手工作業(yè)，節(jié)省了約1/2 時(shí)間，而且處理后的工件一致性好，誤差數(shù)據(jù)集中。手工與自動(dòng)打磨觸指的比較如圖18 所示。

圖18 手動(dòng)與自動(dòng)打磨工件對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)觸頭打磨設(shè)備經(jīng)過測(cè)試、 實(shí)際使用，表明用機(jī)械手抓取工件、3D激光測(cè)量、雙工位砂帶機(jī)分別打磨和拋光，可以取代傳統(tǒng)的手工作業(yè)。處理后的工件粗糙度、 柱度數(shù)據(jù)及工件一致性比手工作業(yè)都有大幅提升。 在鐵路機(jī)務(wù)段、大修基地推廣使用后，將大幅提升國(guó)內(nèi)SS4B/4G 直流機(jī)車二位置轉(zhuǎn)換開關(guān)的檢修效率、質(zhì)量水平，有利于延長(zhǎng)二位置轉(zhuǎn)換開關(guān)的使用壽命，降低檢修成本。