趙 斌， 劉康寧， 方陽陽， 呂崇偉， 李殿偉

（1.國能鐵路裝備有限責(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

我國自主設(shè)計開發(fā)的韶山系列直流電力機(jī)車依然在我國大宗商品運輸中承擔(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)段需要定期對電力機(jī)車進(jìn)行大修，其中二位置開關(guān)需要同時進(jìn)行檢修并對磨損的觸指進(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 激光傳感器實現(xiàn)非接觸式檢測， 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)升級為自動打磨、 拋光、非接觸式激光檢測、數(shù)據(jù)智能判斷、自動記錄，工藝過程自動執(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)，實現(xiàn)機(jī)車的牽引、制動及向前、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)勵磁繞組的接線方式和電流方向來實現(xiàn)。 機(jī)車運行過程中， 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 機(jī) 車 有160 個觸指， 機(jī)車大修時需要對磨損嚴(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，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是否合格的工藝復(fù)雜，需要相關(guān)工件配合后檢測接觸部分的長度是否大于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，費時費力。 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)計并開發(fā)了二位置自動觸指打磨設(shè)備，該設(shè)備主要由6 軸工業(yè)機(jī)器人、浮動恒力雙工位打磨砂帶機(jī)（以下簡稱 “砂帶機(jī)”）、3D 激光檢測系統(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 激光檢測系統(tǒng)用于觸指的表面粗糙度、圓柱度、厚度測量，輸出觸指的外形尺寸點云數(shù)據(jù)，自動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)器人配有氣動夾爪，用于執(zhí)行工件抓取、測量、打磨等工序，代替人工。氣動夾爪由氣缸驅(qū)動、設(shè)計夾持力50kg。

2.2 砂帶機(jī)

砂帶機(jī)配置75mm 寬粗細(xì)兩條砂帶， 同時配置軸向力位柔順補償器， 可根據(jù)工作需要對末端工具進(jìn)行重力補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之間的難題。

砂帶機(jī)浮動范圍20mm、位置精度0.05mm、浮動壓力10-300N、雙側(cè)砂帶浮動打磨，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)砂帶的運行速度，轉(zhuǎn)速范圍為0～3000rpm。

2.3 3D 激光檢測系統(tǒng)

3D 激光檢測系統(tǒng)主要由3D 激光線掃描傳感器、移動模組、工控機(jī)及檢測軟件組成。 3D 激光傳感器用于觸指尺寸的非接觸測量， 安裝于伺服電機(jī)驅(qū)動的移動模組上。 如圖6 所示，機(jī)械手抓取工件，移動模組帶動3D 激光傳感器對工件進(jìn)行勻速掃描， 傳感器輸出點云數(shù)據(jù)至工控機(jī)， 通過相關(guān)算法，計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個觸指。上料盤帶有工件定位和上料定位裝置，由氣缸驅(qū)動送至觸指抓取位置。 觸指采用V 形布置，提高操作臺利用率，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，方便人工取放。

下料框設(shè)有定位裝置和工件有無檢測， 控制信號接至觸指打磨設(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， 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， 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，根據(jù)加工加工節(jié)拍設(shè)計，工裝設(shè)計容納觸指12 個，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)械手作為移動設(shè)備，夾爪手指匹配該機(jī)械手，同時對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，氣爪抓取力設(shè)計50kg 以上，保證工件在打磨時，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量，3D 傳感器輸出點云數(shù)據(jù)，軟件算法根據(jù)點云數(shù)據(jù)自動判斷觸指厚度和觸指的圓柱度數(shù)據(jù)，通過自動計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、根據(jù)檢測數(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3 個主要工序。機(jī)械手通過夾爪自動夾持觸指，經(jīng)過激光傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測后，機(jī)械手將自動移動至打磨工位，機(jī)械手根據(jù)設(shè)定的數(shù)控仿形軌跡，自動執(zhí)行仿形軌跡。砂帶機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的命令，自動執(zhí)行設(shè)定的速度，實時監(jiān)測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)定的打磨時間執(zhí)行打磨過程，時間到達(dá)后，機(jī)械手自動離開打磨工位，砂帶機(jī)停止轉(zhuǎn)動并處于待命狀態(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，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，機(jī)械手夾持觸指到拋光工位執(zhí)行拋光動作，砂帶機(jī)自動調(diào)整合適的砂帶轉(zhuǎn)速用于拋光，并自動監(jiān)測和調(diào)整拋光砂帶與觸指之間的接觸力。 根據(jù)工件的材質(zhì)和試驗測試數(shù)據(jù)， 拋光工序選用800 目金剛砂砂紙。砂帶機(jī)和機(jī)械手將自動執(zhí)行設(shè)定時間的拋光，時間到達(dá)后，將結(jié)束拋光過程，再次進(jìn)行圓柱度檢測，根據(jù)檢測結(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

觸指參數(shù)檢測包含觸指厚度檢測和觸指粗糙度及柱度檢測， 觸指厚度檢測用于區(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)。觸指粗糙度檢測用于確定觸指表面的粗糙程度，柱度檢測用于確定觸指部分1 條直線內(nèi)各個點相對于測量參考點的高度誤差，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

二位置觸指厚度測量，3D 相機(jī)垂直圖中觸指的表面，并與工件表面平行移動，通過相機(jī)的X 軸檢測觸指的厚度，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 觸指厚度測量示意圖

3.2.2 觸指柱度檢測

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

圖15 觸指圓柱度測量示意圖

圖16 觸指柱度檢測掃描示意圖

圖17 點云數(shù)據(jù)行列截圖

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

3.2.3 觸指點云數(shù)據(jù)

3D 激光傳感器輸出點云數(shù)據(jù)， 每個點含有X、Y、Z 3 個方向的數(shù)據(jù)，需要檢測觸指區(qū)域的尺寸為18*26mm。 選取23行 （R0-R22） 和24 列（C0-C23）總計552 個點的數(shù)據(jù)用于觸指的圓柱度、粗糙度計算。 實際測試過程中的截取的點云數(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

觸指的柱度計算方法為：

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

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

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， 對比手工打磨也有大幅度的提升。經(jīng)過實際測試，對于新觸指，只需要將觸指與轉(zhuǎn)鼓接觸部分表面鍍層除掉，1 個觸指的作業(yè)時間小于30s。 對于電鍍后的翻新觸指，因需要對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，單個觸指的作業(yè)時間在90s 內(nèi)。相對于手工作業(yè)，節(jié)省了約1/2 時間，而且處理后的工件一致性好，誤差數(shù)據(jù)集中。手工與自動打磨觸指的比較如圖18 所示。

圖18 手動與自動打磨工件對比

5 結(jié)束語

自動觸頭打磨設(shè)備經(jīng)過測試、 實際使用，表明用機(jī)械手抓取工件、3D激光測量、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，有利于延長二位置轉(zhuǎn)換開關(guān)的使用壽命，降低檢修成本。