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(duì)作為動(dòng)車九大關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)動(dòng)車組的安全起著決定性作用[1-2]。中國(guó)鐵路高速（China Railway High-speed，CRH）動(dòng)車組最高時(shí)速高達(dá)350 km，運(yùn)行過(guò)程中必須保證輪對(duì)上的制動(dòng)盤螺栓不能有絲毫松動(dòng)，否則會(huì)危及動(dòng)車組的運(yùn)行安全。CRH動(dòng)車組檢修分為一級(jí)檢修、二級(jí)檢修、三級(jí)檢修、四級(jí)檢修和五級(jí)檢修[3-4]。在三級(jí)檢修以上時(shí)，轉(zhuǎn)向架需進(jìn)行分解，才能對(duì)安裝在轉(zhuǎn)向架輪對(duì)上的制動(dòng)盤螺栓扭矩校驗(yàn)。檢查時(shí)，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(dòng)車組制動(dòng)盤螺栓扭矩校驗(yàn)多采用人工校驗(yàn)。動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架輪對(duì)分為動(dòng)輪和拖輪，分別如圖1和圖2所示。動(dòng)輪制動(dòng)盤安裝在車輪兩側(cè)，制動(dòng)盤螺栓扭矩校驗(yàn)時(shí)，需在車輪一側(cè)擰螺栓校驗(yàn)扭矩。拖輪制動(dòng)盤安裝在車軸上，制動(dòng)盤螺栓扭矩校驗(yàn)時(shí)，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(yàn)螺栓扭矩時(shí)，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(shí)，若只通過(guò)感覺(jué)判斷，對(duì)作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)要求高，可能會(huì)出現(xiàn)誤判的情況，而且扭矩檢測(cè)結(jié)果需要由人工抄寫存檔，存檔時(shí)間長(zhǎng)且查閱困難，存檔數(shù)據(jù)量大，不方便管理，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果追溯困難。為解決人工校驗(yàn)螺栓扭矩困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了動(dòng)車組制動(dòng)盤螺栓扭矩校驗(yàn)用機(jī)器人生產(chǎn)線。

1 技術(shù)特點(diǎn)

動(dòng)車組制動(dòng)盤螺栓扭矩校驗(yàn)用機(jī)器人生產(chǎn)線的技術(shù)特點(diǎn)如下。

（1）采用工業(yè)機(jī)器人，運(yùn)用視覺(jué)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組制動(dòng)盤螺栓扭矩的自動(dòng)校驗(yàn)，自動(dòng)化程度和檢測(cè)精度高[5]。扭矩校驗(yàn)時(shí)，具有顯示或者提示功能，以提醒螺栓扭矩校驗(yàn)精準(zhǔn)完成。該校驗(yàn)用機(jī)器人運(yùn)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(hào)動(dòng)車組3種不同車型的制動(dòng)盤螺栓扭矩校驗(yàn)。

（3）可以實(shí)時(shí)監(jiān)控工位內(nèi)制動(dòng)盤螺栓校核進(jìn)度，并統(tǒng)計(jì)制動(dòng)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(gè)設(shè)備的狀態(tài)，根據(jù)設(shè)備使用時(shí)長(zhǎng)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(duì)輸送機(jī)構(gòu)采用輪對(duì)兩端同步驅(qū)動(dòng)的形式控制輪對(duì)在工位間自動(dòng)移動(dòng)，且輪對(duì)限位的撥輪機(jī)構(gòu)可上下移動(dòng)，以適應(yīng)不同輪對(duì)軸心高度，推動(dòng)輪對(duì)前進(jìn)。

（6）頂升分度機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)輪對(duì)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(dòng)作性能優(yōu)越、高速移動(dòng)以及快速定位的特性，同時(shí)機(jī)器人背部及下方具有廣闊的動(dòng)作領(lǐng)域，縮短了機(jī)器人的作業(yè)時(shí)間。

（8）扭矩校驗(yàn)裝置的力矩?cái)Q緊伺服扳手采用電驅(qū)動(dòng)，具有角度、扭矩監(jiān)控雙重功能，能夠利用傳感器檢測(cè)螺栓是否松動(dòng)，同時(shí)具備數(shù)據(jù)反饋、異常報(bào)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(yùn)行過(guò)程中，若有人員進(jìn)入工作區(qū)域，設(shè)備會(huì)停止運(yùn)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(jiǎn)單，維修方便。

2 技術(shù)參數(shù)

動(dòng)車組制動(dòng)盤螺栓扭矩校驗(yàn)用機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

制動(dòng)盤螺栓扭矩校驗(yàn)用機(jī)器人生產(chǎn)線（如圖3所示）由輪對(duì)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(yàn)裝置、視覺(jué)識(shí)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(duì)輸送機(jī)構(gòu)

輪對(duì)采用輪對(duì)兩端同步驅(qū)動(dòng)的形式，能夠控制輪對(duì)在工位間自動(dòng)移動(dòng)，采用方式為輪軸撥動(dòng)輸送。輪對(duì)輸送機(jī)構(gòu)（如圖4所示）由輸送機(jī)滑臺(tái)、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(tái)由滑臺(tái)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(tái)上，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和限位機(jī)構(gòu)組成，如圖6所示，主要用于撥動(dòng)輪對(duì)輸送的限位輪，可以上下運(yùn)動(dòng)，且能適應(yīng)不同輪對(duì)的軸心高度；止輪裝置由驅(qū)動(dòng)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(duì)的限位。輪對(duì)采用輪對(duì)兩端同步驅(qū)動(dòng)的形式控制輪對(duì)在工位間自動(dòng)移動(dòng)。

輪對(duì)輸送機(jī)構(gòu)的工作流程：首先，操作人員將輪對(duì)輸送至預(yù)定工位，止輪裝置伸出，以限制輪對(duì)前后移動(dòng)，然后驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)限位機(jī)構(gòu)下移至輪對(duì)車軸中心處，以限位輪對(duì)；其次，預(yù)定工位止輪裝置縮回，輸送機(jī)滑臺(tái)將輪對(duì)輸送至檢測(cè)工位后，撥輪機(jī)構(gòu)退出檢測(cè)工位；最后，扭矩校驗(yàn)完成后，輸送機(jī)滑臺(tái)將輪對(duì)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(tái)、升降基座、傳動(dòng)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(duì)提升后需要轉(zhuǎn)動(dòng)車輪角度，以適應(yīng)機(jī)器人測(cè)試螺栓。為解決驅(qū)動(dòng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)主動(dòng)分度輪與輪對(duì)之間可能存在的打滑情況，在從動(dòng)分度輪上安裝了編碼器，以便根據(jù)從動(dòng)分度輪的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)判定輪對(duì)旋轉(zhuǎn)角度。傳動(dòng)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(duì)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(duì)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(tái)將撥輪機(jī)構(gòu)輸送至檢測(cè)工位，由頂升分度機(jī)構(gòu)將輪對(duì)舉升；其次，視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別螺栓中心位置后，分度裝置將輪對(duì)旋轉(zhuǎn)到合適的工作位置進(jìn)行扭矩校驗(yàn)；最后，校驗(yàn)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(cè)位置，直至該制動(dòng)盤螺栓校驗(yàn)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(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)的主要作用是防止在進(jìn)行扭力校驗(yàn)時(shí)輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器人主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 機(jī)器人主要參數(shù)

3.4 扭矩校驗(yàn)裝置

扭矩校驗(yàn)裝置安裝在機(jī)器人末端，主要檢測(cè)工具為力矩?cái)Q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(dòng)車組制動(dòng)盤螺栓扭矩校驗(yàn)的要求，動(dòng)車輪對(duì)只需要單側(cè)擰緊，拖車輪對(duì)需要雙側(cè)擰緊。

3.4.1 動(dòng)輪單側(cè)擰緊

動(dòng)輪進(jìn)行扭力校驗(yàn)時(shí)采用單側(cè)擰緊方式，如圖12所示，并采用彈簧浮動(dòng)機(jī)構(gòu)與力矩?cái)Q緊伺服扳手組合的形式安裝在機(jī)械手上。工作時(shí)，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，力矩?cái)Q緊伺服扳手貼緊螺栓，使彈簧浮動(dòng)機(jī)構(gòu)保持在預(yù)壓狀態(tài)。此時(shí)，在套筒旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，套筒會(huì)自動(dòng)旋入螺栓頭，以完成認(rèn)帽過(guò)程。在認(rèn)帽過(guò)程中，需要通過(guò)視覺(jué)識(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)適應(yīng)套筒的正確裝入。套筒套入螺栓時(shí)，利用彈簧浮動(dòng)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(dòng)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(yàn)時(shí)采用雙側(cè)擰緊方式。雙側(cè)擰緊機(jī)構(gòu)由力矩?cái)Q緊伺服扳手、彈簧浮動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)2以及對(duì)敲機(jī)構(gòu)等組成[8]，如圖13所示。

力矩?cái)Q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?cái)Q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(shí)能夠調(diào)整輸出扭矩、角度、旋轉(zhuǎn)方向等參數(shù)。力矩?cái)Q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(shí)際擰緊狀態(tài)呈負(fù)相關(guān)，即若螺栓松動(dòng)則角度發(fā)生變化，若螺栓沒(méi)有松動(dòng)則角度不發(fā)生變化。校核過(guò)程中，通過(guò)擰緊扳手的角度傳感器監(jiān)測(cè)螺栓角度是否發(fā)生變化來(lái)判定螺栓是否有松動(dòng)。

直線模組包括直線導(dǎo)軌、伺服電機(jī)、滾珠絲桿直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械自動(dòng)化直線驅(qū)動(dòng)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(gè)裝置便于操作，提高裝置的工作效率，可采用快換接頭。對(duì)敲機(jī)構(gòu)由氣缸、齒輪、齒條、發(fā)條、傳感器、氣動(dòng)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(dòng)套筒旋轉(zhuǎn)。認(rèn)帽完成后，由氣動(dòng)離合器止轉(zhuǎn)。

雙側(cè)擰緊的流程：首先，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，使力矩?cái)Q緊伺服扳手貼緊螺栓，并使彈簧浮動(dòng)機(jī)構(gòu)1保持在預(yù)壓狀態(tài)；其次，直線模組運(yùn)動(dòng)，使對(duì)敲機(jī)構(gòu)的套筒貼緊螺栓，并使彈簧浮動(dòng)機(jī)構(gòu)2保持在預(yù)壓狀態(tài)；最后，對(duì)敲機(jī)構(gòu)氣缸運(yùn)動(dòng)，通過(guò)發(fā)條帶動(dòng)軸柔性旋轉(zhuǎn)，在套筒旋進(jìn)螺栓后，氣動(dòng)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(hào)，認(rèn)帽完成，然后由力矩?cái)Q緊伺服扳手施加扭力。

3.5 裝置視覺(jué)識(shí)別裝置

裝置視覺(jué)識(shí)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(shí)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(duì)軸向位置。工業(yè)相機(jī)的像素為500萬(wàn)像素。在扭矩測(cè)試過(guò)程中，為了消除誤差對(duì)自動(dòng)校驗(yàn)的影響，可采用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)利用視覺(jué)檢測(cè)反饋信息，補(bǔ)償機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制與管理，主要完成對(duì)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(dòng)、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(kāi)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(dòng)作業(yè)期間，需保證所有設(shè)備門關(guān)閉。若設(shè)備門沒(méi)有完全關(guān)閉或處于打開(kāi)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(shí)，開(kāi)啟系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)后，系統(tǒng)處于預(yù)備狀態(tài)。系統(tǒng)在工作現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(shí)，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(jì)和編程能確保該系統(tǒng)不會(huì)在任何對(duì)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(yùn)行，尤其是在啟動(dòng)系統(tǒng)機(jī)器人不在原位、系統(tǒng)啟動(dòng)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(wú)法啟動(dòng)。當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)機(jī)器人在自動(dòng)運(yùn)行檢測(cè)時(shí)，機(jī)器人本身具有防碰撞功能。當(dāng)遇到額外增加的過(guò)大負(fù)載時(shí)，機(jī)器人會(huì)停止作業(yè)。另外，設(shè)備中還安裝有閃光燈，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能夠起到警告附近人員的功能。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，警示燈會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟。當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉且所有機(jī)器人設(shè)備處于原位時(shí)，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(dòng)控制的方式使其恢復(fù)到安全位置。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)動(dòng)車組檢修需求設(shè)計(jì)了動(dòng)車組制動(dòng)盤螺栓扭矩校驗(yàn)用機(jī)器人。該機(jī)器人采用視覺(jué)識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)減員增效、降低作業(yè)強(qiáng)度的功能。同時(shí)，采用自動(dòng)化及智能化的扭矩校驗(yàn)?zāi)Ｊ教娲鷤鹘y(tǒng)人工扭矩校驗(yàn)工作模式，滿足動(dòng)車組輪對(duì)制動(dòng)盤螺栓扭矩高效自動(dòng)檢測(cè)及信息化建設(shè)要求。