高速動車組輪對智能制造新模式應(yīng)用

張桂欣

(中鐵華鐵工程設(shè)計集團有限公司 北京 100071)

1 高速動車組的輪對制造

輪對是高速列車的關(guān)鍵零部件，其制造技術(shù)水平也代表著高速列車的技術(shù)水平。針對高速動車組輪對的生產(chǎn)，采用輪對智能制造的新模式：輪對智能化生產(chǎn)線采用成熟的計算機、物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感、通訊等技術(shù)，將以數(shù)控機床為主的智能設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控，將自動化物流和智能傳感技術(shù)應(yīng)用于輪對的數(shù)字化制造，將車軸自動化加工、車輪自動加工、車輪車軸自動噴涂、立體倉庫、齒輪箱自動組裝、輪對自動壓裝檢測、軸承軸箱自動組裝全過程進行系統(tǒng)集成。建設(shè)全過程的自動化、數(shù)字化、集約化、高效率、智能化的制造流水線。

2 高速動車組輪對產(chǎn)品特點

高速動車組由動車和拖車編組而成，一般為8輛編組，4動4拖或6動2拖[1]。其中動車輪對由空心軸、車輪、齒輪箱、制動盤、軸承和軸箱等組成(見圖1)；拖車輪對由空心軸、車輪、制動盤、軸承和軸箱等組成，如圖2所示。二者的主要區(qū)別在于有無齒輪箱及制動盤的安裝方式，動車輪對有齒輪箱，制動盤為輪裝方式；拖車輪對無齒輪箱，制動盤為軸裝方式[2-4]。

動車輪對通過聯(lián)軸節(jié)組成連接牽引電機和齒輪箱驅(qū)動裝置，作為整列動車組的驅(qū)動動力源；同時動車和拖車裝用的輪裝制動盤及拖車裝用的軸裝制動盤用于列車減速制動和?？恐苿印?/p>

圖1 高速動車組動車輪對

圖2 高速動車組拖車輪對

高速動車組輪對主要技術(shù)指標：運行速度為350 km/h；輪徑為?860 mm；軸徑直徑為?130 mm；軸身直徑為?170 mm；輪座直徑為?200 mm；輪對內(nèi)側(cè)距為1 353 mm。

3 輪對產(chǎn)品的智能制造模式及其特點

輪對產(chǎn)品的智能制造模式圍繞零部件加工組裝的自動化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)男畔⒒归_。通過對自動加工檢測技術(shù)、零部件自動識別技術(shù)、自動選配技術(shù)、智能定位等技術(shù)的應(yīng)用，有效提高生產(chǎn)效率，減少作業(yè)人員，推動高速動車組裝備智能制造水平的提升。

3.1 通過加工組裝自動化實現(xiàn)智能物流

利用桁架式機械手、自動化物流等智能柔性輸送設(shè)備，實現(xiàn)車軸、車輪從毛坯到成品及輪對軸箱組裝自動化流轉(zhuǎn)，在加工、檢測、噴涂、存放、安裝、組裝等物流環(huán)節(jié)全部實現(xiàn)自動化。其中：空心車軸加工采用3軸桁架式機械手自動上下料，車輪加工檢測采用5軸桁架式機械手上下料，車軸加工檢測采用4軸桁架式機械手上下料。車軸車輪噴涂線采用鏈條等自動輸送，齒輪箱組裝線采用自動運輸帶和桁架機械手結(jié)合的方式，實現(xiàn)齒輪箱的自動流轉(zhuǎn)。車軸、車輪的預(yù)組、壓裝工序，采用自動運輸車和機械手配合，實現(xiàn)自動預(yù)組、自動壓裝、檢測。軸承壓裝采用桁架式機械手和自動運輸機構(gòu)配合，實現(xiàn)軸承自動壓裝。軸箱組裝流水線采用桁架式機械手、自動運輸機構(gòu)、計算機輔助裝配CAA，通過節(jié)拍化物流輸送，按工位安裝軸箱體等零部件，實現(xiàn)輪對組裝的自動化。

軸承、軸箱體等配套物料通過空中軸箱物料自動配送線及時輸送至安裝工位。車軸、車輪加工后，通過輥道式輸送進入噴涂線。噴涂線和智能料庫、輪對壓裝間采用運輸車自動輸送。壓裝后的輪對，通過自動運輸機構(gòu)自動輸送至軸箱組裝線。

3.2 通過生產(chǎn)線控制系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)男畔⒒?/h3>

通過生產(chǎn)線控制系統(tǒng)建立輪對智能化生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線具有智能化、自動化、信息化等特點，該生產(chǎn)線控制系統(tǒng)可對所有設(shè)備進行集中管控，進行作業(yè)排產(chǎn)和調(diào)度，各個設(shè)備獲得控制系統(tǒng)調(diào)度指令后，全自動運行，對各種零部件的狀態(tài)進行識別，并作相應(yīng)處置。同時該生產(chǎn)線可實時監(jiān)控所有設(shè)備的狀態(tài)，采用大屏模式顯示各個設(shè)備的運行、停止、異常等信息，對于自動化物流設(shè)備，可實時顯示各個設(shè)備位置和移動動畫。

輪對智能化生產(chǎn)線可以實時記錄車軸、車輪、輪對等零部件的序列號和加工、檢測、組裝實際工序信息，自動保存檢測數(shù)據(jù)結(jié)果，并集中管理，自動輸出質(zhì)量報表?？梢詫崿F(xiàn)輪對所有零部件的全過程質(zhì)量追溯。

4 輪對制造工藝及智能制造生產(chǎn)線構(gòu)成

4.1 輪對制造工藝

4.1.1輪對制造總體工藝流程

輪對制造總體工藝流程如圖3所示。

圖3 輪對制造總體工藝流程

4.1.2輪對制造主要工藝流程

車輪:車輪加工→車輪檢測→車輪涂裝→輪盤組裝。

車軸:車軸加工→車軸檢測→車軸涂裝→齒輪箱組裝。

輪對組裝：輪對壓裝→輪對動平衡檢測→輪對超聲波探傷→輪對檢測→軸承壓裝→軸箱組裝→輪對交驗。

4.2 輪對智能制造生產(chǎn)線構(gòu)成

輪對智能制造生產(chǎn)線由生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，車軸自動加工檢測線、車輪自動加工檢測線、車軸車輪自動噴涂線、車軸車輪智能料庫、齒輪箱自動組裝生產(chǎn)線、輪對自動壓裝生產(chǎn)線等組成。

4.2.1生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

生產(chǎn)線控制系統(tǒng)包含系統(tǒng)服務(wù)器、展示大屏、系統(tǒng)軟件及MES接口等。系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

生產(chǎn)線控制系統(tǒng)實時顯示車軸加工設(shè)備、車輪加工檢測設(shè)備、輪對壓裝設(shè)備、軸承壓裝設(shè)備、智能料庫、噴涂生產(chǎn)線、自動輸送設(shè)備的狀態(tài)，對于所有設(shè)備顯示待機、運行、停機、異常狀態(tài)，對于桁架式機械手和自動運輸車實時顯示移動畫面。

作業(yè)智能調(diào)度，實時獲取設(shè)備各種信息，根據(jù)所分配設(shè)備的閑忙狀態(tài)來調(diào)度零部件。在調(diào)度規(guī)則支持下，決定工件進入系統(tǒng)的隊列和進入系統(tǒng)后的加工隊列，并對機床故障、緊急訂單等進行實時調(diào)度。同時包括作業(yè)順序、路線選擇、作業(yè)時間和提前期的預(yù)估，作業(yè)調(diào)度指令的發(fā)放與管理。

根據(jù)車軸、車輪加工、檢測、噴涂、組裝和齒輪箱組裝、軸承軸箱組裝的工藝流程，創(chuàng)建流程模板，在系統(tǒng)中設(shè)置安裝、拆卸、運輸、加工、檢測等工藝流程?？蓜?chuàng)建輪對的生產(chǎn)計劃，根據(jù)流程模板，自動創(chuàng)建輪對生產(chǎn)計劃，各個設(shè)備按系統(tǒng)流程模板開始執(zhí)行。

圖4 輪對制造智能化生產(chǎn)線系統(tǒng)架構(gòu)圖

實時顯示車軸自動加工線、車輪自動加工檢測線、車軸車輪噴涂線、齒輪箱自動組裝線、軸承軸箱組裝線的異常，進行故障診斷。對車軸、車輪、輪對、齒輪箱的裝夾狀態(tài)進行監(jiān)測。

系統(tǒng)和刀具管理系統(tǒng)集成，可顯示設(shè)備刀具加工情況，可累積計算刀具的切削時間，進行刀具磨損監(jiān)測與預(yù)警、刀具壽命的預(yù)測。

集成條碼系統(tǒng)，可實時跟蹤車軸車輪的流轉(zhuǎn)狀態(tài)，并自動進行記錄，便于后續(xù)質(zhì)量追溯。毛坯進入生產(chǎn)線，自動掃描條碼。

4.2.2車軸自動加工檢測線

車軸自動加工檢測線由1臺基準加工車削中心、1臺精加工車削中心、1臺數(shù)控外圓磨床、1套車軸柔性輸送系統(tǒng)、1臺機器人打磨設(shè)備、1臺數(shù)控拋光滾壓復合設(shè)備、1臺超聲波探傷機、1臺磁粉探傷機、1臺車軸自動檢測設(shè)備、1臺自動打標機和1臺自動運輸車組成。

實心軸加工檢測流程為：車軸上料→基準加工→精加工→外圓磨→自動輸送→拋光→磁粉探傷MT→尺寸檢測→外觀檢查。

空心軸加工檢測流程為：車軸上料→基準加工→深孔鉆→絎磨→精加工→外圓磨→拋光→磁粉探傷MT→超聲波探傷UT→尺寸檢測→外觀檢查。

整線配置人員進行設(shè)備監(jiān)控、上下料、刀片更換以及異常處置，完成車軸的加工、檢測。

4.2.3車輪自動加工檢測線

該加工生產(chǎn)線配置2臺車削中心，進行車輪輪廓的車削，3臺鉆銑中心進行車輪輻板孔、中心孔、注油孔的加工。為保障生產(chǎn)線自動化運行，該生產(chǎn)線同時配置刀具集中管理和上下料后的條碼掃描、下料后的條碼打印、粘貼系統(tǒng)、集中排屑系統(tǒng)、集中冷卻系統(tǒng)。檢測線主要進行車輪的清洗、磁粉探傷、超聲波探傷、靜平衡、打標、貼條碼。車輪加工、超聲波探傷、靜平衡、打標、貼條碼均利用智能設(shè)備和桁架式機械手自動完成，磁粉探傷由人工進行判定。

車輪加工、檢測采用1套車輪柔性輸送系統(tǒng)，檢測完成后車輪采用天車以5件為1組吊運至噴涂工序，同時檢測數(shù)據(jù)自動存儲并上傳至集中管理系統(tǒng)。

流程為車輪上料→條碼掃描→車削I→車削II→鉆銑→清洗→超聲波探傷→磁粉探傷→靜平衡→打標→貼條碼→車輪下料。

整線配置人員進行設(shè)備監(jiān)控、上下料、刀片更換以及異常處置。

4.2.4車軸車輪自動噴涂線

車軸的噴涂配置1套車軸柔性輸送系統(tǒng)、1臺清洗設(shè)備、2套上下料機器人、2套噴涂機械手、1套烘干設(shè)備、1臺抗擊打涂層設(shè)備，車輪的噴涂配置1套車輪柔性輸送系統(tǒng)、1臺清洗設(shè)備、2套噴涂機械手和1套烘干設(shè)備。

車軸噴涂流程為：車軸自動輸送→清洗→防護→底漆→烘干→面漆→烘干→抗擊打涂層噴涂→整備→車軸下料。

車輪的噴涂流程為：車輪自動輸送→清洗→烘干→防護→底漆→烘干→面漆→烘干→整備→車輪下料。

4.2.5車軸車輪智能料庫

設(shè)置車軸、車輪存放智能料庫，車軸采用1套堆垛機，該堆垛機具有自動存取功能。車軸、車輪存放采用固定式料架，不設(shè)托盤。車軸智能料庫可以根據(jù)輪對智能化生產(chǎn)線的總體控制系統(tǒng)自動將車軸輸送至輪對壓裝生產(chǎn)線。智能料庫的存取操作均靠系統(tǒng)自動調(diào)度實現(xiàn)，無需人工參與。車軸智能料庫由噴涂線引入，設(shè)置2個出口，動車軸進入齒輪箱組裝間，拖車軸進入輪對壓裝線。車輪存放采用桁架式機械手，配合輪盤組裝線，成品車輪以5個為1組疊放，由自動輸送車運輸至輪對壓裝線。

4.2.6齒輪箱自動組裝生產(chǎn)線

該生產(chǎn)線由1臺大齒輪組裝設(shè)備、1臺軸承壓裝設(shè)備、4臺齒輪箱跑合試驗臺、1套齒輪箱組裝柔性輸送系統(tǒng)和1套齒輪箱組裝CAA系統(tǒng)組成。

流程為大齒輪清洗→大齒輪組裝→軸承組裝→齒輪箱組裝→游隙測量→游隙調(diào)整→齒輪箱跑合。

4.2.7輪對自動壓裝生產(chǎn)線

該生產(chǎn)線由1套輪對柔性輸送系統(tǒng)、1臺制動盤預(yù)組設(shè)備、5臺輪對壓裝設(shè)備、2臺輪對預(yù)組設(shè)備、2臺輪對超聲波探傷設(shè)備、2臺輪對動平衡設(shè)備、2臺輪對檢測設(shè)備、2套動車車軸運輸設(shè)備和2套車輪運輸設(shè)備組成。

流程為制動盤預(yù)組→制動盤壓裝→輪對預(yù)組→輪對壓裝→動平衡→超聲波探傷→自動檢測→檢壓→交檢。

柔性輸送系統(tǒng)設(shè)有4種運輸機械手，能夠?qū)囕S、制動盤、車輪、輪對進行自動裝夾、預(yù)組。

5 結(jié)束語

輪對智能制造生產(chǎn)線采用全自動物流系統(tǒng)，車軸、車輪加工、檢測、噴涂等工序均全自動完成，輪對壓裝、軸承軸箱組裝等采用局部自動化，利用智能擰緊工具，實現(xiàn)按節(jié)拍流水作業(yè)；減少輔助時間，可提高生產(chǎn)效率35%左右。 輪對是動車組重要、關(guān)鍵的零部件，其采用智能制造新模式，將起到示范作用，未來在高速動車組其他零部件的制造過程中，也必將逐步采用智能制造的新模式。