高速鐵路雙塊式軌枕智能制造技術(shù)

王明慧，王劍，孟慶斌，張橋，李開(kāi)蘭，蔣樹(shù)平

（1.渝萬(wàn)鐵路有限責(zé)任公司，重慶 400014；2.中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司，上海 200436）

0 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等高新科技在工程建設(shè)質(zhì)量管理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用為傳統(tǒng)質(zhì)監(jiān)模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了較為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［1］。機(jī)器人是制造業(yè)皇冠頂端的明珠，其研發(fā)、制造、應(yīng)用占比是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志?！笆濉毕冗M(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃中明確提出要推進(jìn)我國(guó)機(jī)器人面向制造業(yè)典型行業(yè)的研發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)我國(guó)機(jī)器人技術(shù)與產(chǎn)品的典型領(lǐng)域拓展應(yīng)用。軌枕制造一般具有勞動(dòng)力密集和重復(fù)作業(yè)的特點(diǎn)，具有人工成本過(guò)高、產(chǎn)能過(guò)剩和資源環(huán)境約束加大等問(wèn)題。研究開(kāi)發(fā)面向惡劣高危和非結(jié)構(gòu)化重復(fù)作業(yè)環(huán)境的智能機(jī)器人并在軌枕制造業(yè)中進(jìn)行示范應(yīng)用，符合國(guó)家推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效轉(zhuǎn)型升級(jí)的產(chǎn)業(yè)政策。

智能制造作為“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略的重要組成部分，已成為制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)［2］。美、歐、日等發(fā)達(dá)國(guó)家將智能制造列為支撐未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的重要智能技術(shù)，我國(guó)也將智能制造作為當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期的主攻方向和搶占新一輪產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的重要手段［3］。

智能制造是指“人機(jī)一體化智能系統(tǒng)”，基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行和自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式［4］。智能制造包含智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)，其中智能制造系統(tǒng)不僅能夠在實(shí)踐中不斷地充實(shí)知識(shí)庫(kù)，具有自學(xué)習(xí)功能，還有搜集與理解環(huán)境信息和自身信息，并進(jìn)行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。通過(guò)人與智能機(jī)器的合作共事，擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類(lèi)專(zhuān)家在制造過(guò)程中的腦力勞動(dòng)，智能制造把制造自動(dòng)化的概念更新，擴(kuò)展到柔性化、智能化和高度集成化［5］。

高速鐵路混凝土軌枕作為鐵路線的重要組成部分，起著支撐和穩(wěn)定鋼軌的作用。在軌枕生產(chǎn)過(guò)程中研發(fā)智能制造技術(shù)，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，有利于企業(yè)降低人力資源成本、降低生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)成本、提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性。

以典型的軌枕制造為切入點(diǎn)，針對(duì)其作業(yè)環(huán)境和工藝要求，研究開(kāi)發(fā)智能制造技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程整體智能化，實(shí)現(xiàn)模具智能清理，智能?chē)娒撃摻?、套管的智能組裝、安裝，成品智能檢測(cè)的機(jī)器人作業(yè)，對(duì)于提高流水線工業(yè)的智能制造水平、拓展工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域和促進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈健康發(fā)展，具有十分重要的意義。

1 工程概況

鄭萬(wàn)高鐵重慶段正線線路起始自鄂、渝省界DK635+420，終于萬(wàn)州北站DK819+278，正線全長(zhǎng)183.865 km，橋隧占比98.34%。本段線路位于重慶市境內(nèi)，沿線自湖北巴東段引入，經(jīng)巫山、奉節(jié)、云陽(yáng)，最后至萬(wàn)州，設(shè)計(jì)行車(chē)速度350 km/h。鄭萬(wàn)高鐵重慶段軌枕廠占地約44 000 m2，采用永臨結(jié)合的方式。鄭萬(wàn)高鐵重慶段軌枕廠負(fù)責(zé)58萬(wàn)多根軌枕預(yù)制工作，軌枕型號(hào)為CRTSⅠ型無(wú)砟軌道SK-2型雙塊式軌枕，技術(shù)條件滿(mǎn)足TB/T 3397—2015《CRTS雙塊式無(wú)砟軌道混凝土枕》規(guī)范要求［6］，軌枕生產(chǎn)線采用機(jī)械化生產(chǎn)線。為提高生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)、精度、效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗［7-8］，結(jié)合該生產(chǎn)線開(kāi)展智能化整體技術(shù)提升研究與應(yīng)用實(shí)踐。

2 軌枕制造智能化整體提升技術(shù)

目前，中國(guó)高鐵技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，但高速鐵路軌枕制造以人工為主，智能化、自動(dòng)化、機(jī)械化水平不高，有的只實(shí)現(xiàn)了部分自動(dòng)化，而如桁架焊接、箍筋加工、混凝土布料、蒸汽養(yǎng)護(hù)、軌枕脫模、軌枕碼垛等6項(xiàng)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)整體智能化，且技術(shù)創(chuàng)新不足，缺少核心技術(shù)支持，與新時(shí)代高速鐵路發(fā)展仍存在差距。鄭萬(wàn)高鐵重慶段軌枕廠的軌枕生產(chǎn)共12道工序，設(shè)置了12道配套工位，形成流水線作業(yè)，通過(guò)對(duì)模具自動(dòng)清理、脫模劑自動(dòng)噴涂、套管自動(dòng)組裝安裝、桁架鋼筋和箍筋自動(dòng)組裝安裝、模具自動(dòng)出入窯、智能檢測(cè)噴碼6個(gè)工位實(shí)施智能化提升技術(shù)，大幅減少人工操作，并通過(guò)生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)進(jìn)行整合，使上述功能有機(jī)結(jié)合、協(xié)同作業(yè)。軌枕生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖1，雙塊式軌枕12個(gè)智能化生產(chǎn)工序見(jiàn)表1。

圖1 軌枕生產(chǎn)工藝流程圖

2.1 自動(dòng)模具清理系統(tǒng)

傳統(tǒng)模具清理是4名工人用抹布和刮刀對(duì)模具上的混凝土和模腔內(nèi)的殘?jiān)M(jìn)行清理，在操作過(guò)程中有揚(yáng)塵情況。

項(xiàng)目采用智能傳感和噴砂技術(shù)自動(dòng)清理模具。自動(dòng)機(jī)械智能除塵設(shè)施，對(duì)模具進(jìn)行噴砂清理，通過(guò)智能傳感系統(tǒng)，利用翻轉(zhuǎn)線體對(duì)模具進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，在清理房中對(duì)模腔內(nèi)表面進(jìn)行清潔，浮塵殘?jiān)鼤?huì)自動(dòng)收集到收納裝置中，保證場(chǎng)地內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生。無(wú)須人工作業(yè)，提高了自動(dòng)化水平，既避免揚(yáng)塵對(duì)人員造成職業(yè)危害的同時(shí)，又減少環(huán)境污染（見(jiàn)圖2）。

2.2 全自動(dòng)噴涂脫模劑系統(tǒng)

傳統(tǒng)噴脫模劑方式是1人拿著噴槍對(duì)模型殼體進(jìn)行噴灑，另外1人用抹布將噴涂后多余積液擦拭均勻。

項(xiàng)目采用傳感定位移動(dòng)噴涂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)噴涂工序智能化。通過(guò)傳感器感應(yīng)模腔位置，采用PLC系統(tǒng)協(xié)調(diào)處理信號(hào)，從而控制噴涂系統(tǒng)對(duì)模腔噴涂。配置的霧氣吸收裝置回收飄散的霧化脫模劑，既無(wú)須人員操作，又避免了車(chē)間空氣污染；全自動(dòng)噴涂工藝，既提升噴涂穩(wěn)定性，確保噴涂均勻一致，又杜絕職業(yè)健康傷害，凈化環(huán)境（見(jiàn)圖3）。

表1 雙塊式軌枕智能化生產(chǎn)工序

圖2 模具清理對(duì)比

圖3 噴涂脫模劑對(duì)比

2.3 智能套管組裝、安裝系統(tǒng)

以前螺旋筋和套管用人工組裝，套管安裝工序是由4名工人完成，人工將組裝好的螺旋筋和套管用螺桿固定在磨具上。

項(xiàng)目采用智能傳感技術(shù)和機(jī)器人協(xié)同技術(shù)，實(shí)現(xiàn)套管安裝工序智能化。通過(guò)機(jī)械抓手抓取彈簧，然后移動(dòng)到組裝機(jī)上和套管進(jìn)行初步的旋壓；在組裝機(jī)初步組裝完成后，坐標(biāo)移載機(jī)抓取組裝好的組件，再放置到模腔內(nèi)進(jìn)行最后的旋壓，無(wú)須人工作業(yè)。同時(shí)，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)、位置傳感器和扭矩感應(yīng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，保證套管位置安裝精準(zhǔn)，安裝牢固。

2.4 全自動(dòng)鋼筋自動(dòng)組裝、安裝系統(tǒng)

傳統(tǒng)桁架鋼筋、箍筋安裝采用人工安裝，4名工人分別將桁架放入模型卡槽中固定，然后將箍筋放入模腔，再用小掛件將桁架和箍筋連接。

項(xiàng)目采用精準(zhǔn)定位和機(jī)器人協(xié)同技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)數(shù)控流水組裝線。通過(guò)機(jī)械抓手抓取桁架鋼筋和箍筋，送絲機(jī)將小掛件送至桁架、箍筋安裝部位，協(xié)作裝配機(jī)構(gòu)將三者自動(dòng)組裝完成。當(dāng)模具精確定位后，桁架運(yùn)輸機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)定位技術(shù)，控制機(jī)械手把桁架鋼筋組件放入模具上的卡槽中，然后旋轉(zhuǎn)壓片，將桁架鋼筋組件緊緊地固定到模具中。工序自動(dòng)完成，提高了生產(chǎn)效率，降低了人工成本，提高了自動(dòng)化水平（見(jiàn)圖4）。

圖4 鋼筋安裝對(duì)比

2.5 智能模具自動(dòng)出、入窯系統(tǒng)

傳統(tǒng)方式采用人工操作桁車(chē)來(lái)控制吊架來(lái)對(duì)模型進(jìn)行吊裝作業(yè)。

項(xiàng)目采用精準(zhǔn)定位和智能傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模型的自動(dòng)抓取和松開(kāi)。通過(guò)自動(dòng)感應(yīng)模型位置，入窯時(shí)，起吊裝置在清邊工位自動(dòng)鎖住鋼模，吊起到達(dá)設(shè)定位置，將鋼模緩緩落入養(yǎng)護(hù)窯。出窯時(shí)，起吊裝置在窯內(nèi)自動(dòng)將鋼模鎖住，到達(dá)脫模臺(tái)位，自動(dòng)松開(kāi)。與目前的人工操作與桁車(chē)進(jìn)行吊裝相比，具有自動(dòng)化程度高、速度快、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)（見(jiàn)圖5）。

圖5 模具出入窯對(duì)比

2.6 軌枕智能檢測(cè)系統(tǒng)

以前軌枕在脫模后需要由人工在擋肩兩側(cè)溝槽部位涂刷酒精，利用酒精的易揮發(fā)性，在揮發(fā)過(guò)程中用眼睛觀測(cè)軌枕是否有裂紋，然后在相應(yīng)位置蓋“檢”字章。再由人工對(duì)軌枕外形、外觀尺寸進(jìn)行檢測(cè)，整個(gè)過(guò)程共計(jì)需5人完成。

項(xiàng)目采用精準(zhǔn)定位、圖像掃描、機(jī)器人協(xié)同等技術(shù)將以上3個(gè)步驟，集合到1臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行完成。（1）運(yùn)用先進(jìn)的激光圖像掃描檢測(cè)技術(shù)獲取軌枕表面點(diǎn)云坐標(biāo)，通過(guò)點(diǎn)云構(gòu)建技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌枕三維尺寸的3D快速建模，與標(biāo)準(zhǔn)尺寸的比對(duì)分析實(shí)現(xiàn)外形尺寸、棱角掉塊等的自動(dòng)檢測(cè)及評(píng)判，并與既有生產(chǎn)控制系統(tǒng)形成信息交互，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、智能化檢測(cè)。（2）運(yùn)用自動(dòng)噴碼設(shè)備代替人工蓋章：通過(guò)與檢測(cè)系統(tǒng)互聯(lián)，外形尺寸紅外檢測(cè)系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)的軌枕唯一性編號(hào)傳輸給噴碼主機(jī)，并由噴碼設(shè)備根據(jù)指令在軌枕檢測(cè)完畢后自動(dòng)噴涂到軌枕表面，同時(shí)將每根軌枕檢測(cè)數(shù)據(jù)與二維碼形成互聯(lián)。（3）運(yùn)用軌枕溝槽裂紋自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)代替人工觀察：通過(guò)獲取特殊場(chǎng)景下，結(jié)合人工智能技術(shù)和機(jī)器深度學(xué)習(xí)技術(shù)自動(dòng)提取裂紋特征，并實(shí)現(xiàn)裂紋的自動(dòng)識(shí)別（見(jiàn)圖6）。

圖6 軌枕檢測(cè)對(duì)比

3 實(shí)踐效果

（1）精確的自動(dòng)安裝和檢測(cè)技術(shù)，降低了人為不確定因素，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)設(shè)備的自動(dòng)化整體提升技術(shù)，保證了各生產(chǎn)工位的質(zhì)量管控，降低了人為不確定性因素，提升了企業(yè)的質(zhì)量管理水平，使軌枕制造能力達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，增強(qiáng)了雙塊式軌枕的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（2）通過(guò)科技研發(fā)的設(shè)備系統(tǒng)，節(jié)約了工序時(shí)間，提高了軌枕生產(chǎn)效率。模型出入窯工位每天節(jié)約時(shí)間240 min，其余工位節(jié)約時(shí)間120 min。目前自動(dòng)化設(shè)備仍未調(diào)試到最優(yōu)狀態(tài)，在流水線作業(yè)時(shí)，鋼筋安裝工位會(huì)有模型積壓情況發(fā)生，但后期自動(dòng)化改造升級(jí)成功后單工位的生產(chǎn)效率會(huì)顯著提升，單個(gè)工位時(shí)間將由原來(lái)的4～6 min減少到2～5 min，每班按生產(chǎn)120模計(jì)算，可節(jié)約120 min，原每班需12 h完成的工作減少到10 h，可提高生產(chǎn)效率16.7%。

軌枕檢測(cè)工位也節(jié)省了大量的時(shí)間，改造升級(jí)前由人工在檢測(cè)臺(tái)位進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率不構(gòu)成直接影響，自動(dòng)化改造后在生產(chǎn)線上進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，可以減少3名檢測(cè)人員的工作內(nèi)容，同時(shí)提升了管理效率，提高了管理質(zhì)量。

（3）研發(fā)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，提高了管理效率，降低了管理成本。軌枕廠軌枕生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，以中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理平臺(tái)為依托，圍繞軌枕廠各項(xiàng)業(yè)務(wù)展開(kāi)，從計(jì)劃管理、生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)管理等方面對(duì)軌枕廠進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)所有工藝模板做到高度還原，實(shí)現(xiàn)信息處理數(shù)字化，生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成化。減少大量的人工數(shù)據(jù)記錄，避免頻繁錄入產(chǎn)生的人為錯(cuò)誤，降低企業(yè)的人力資源管理成本。

（4）通過(guò)科技研發(fā)的工裝設(shè)備，改善工人的工作環(huán)境，使車(chē)間更加環(huán)保。對(duì)產(chǎn)生氣霧和粉塵的工位都采取了吸收和降塵的措施。模具自動(dòng)清理設(shè)備具有粉塵吸附系統(tǒng)，可以將噴砂清理后的粉塵回收，避免飄散到空氣當(dāng)中；噴涂脫模劑設(shè)備具有霧氣吸收裝置，會(huì)將飄散的霧化脫模劑自動(dòng)回收，避免造成車(chē)間空氣污染；整個(gè)自動(dòng)化作業(yè)過(guò)程全封閉，幾乎零粉塵。粉塵和氣霧收集裝置改善了以往車(chē)間粉塵大、空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的情況。

（5）通過(guò)科技研發(fā)的工裝設(shè)備，降低勞動(dòng)力成本，加快施工進(jìn)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)設(shè)備的折舊年限，共計(jì)可服務(wù)3個(gè)項(xiàng)目，其中每個(gè)項(xiàng)目可節(jié)約人工費(fèi)326.4萬(wàn)元，3個(gè)項(xiàng)目共節(jié)約人工費(fèi)979.2萬(wàn)元。自動(dòng)化改造升級(jí)后在節(jié)約大量人工的同時(shí)還減少了作業(yè)時(shí)間，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，每天可節(jié)約2 h的有效工作時(shí)間，1個(gè)項(xiàng)目共節(jié)約1 440 h，3個(gè)項(xiàng)目共可節(jié)約工費(fèi)264萬(wàn)元；自動(dòng)化改造升級(jí)后能節(jié)約18人，可減少臨時(shí)設(shè)施設(shè)備費(fèi)用的投入，3個(gè)項(xiàng)目共計(jì)減少投入60萬(wàn)元。采用智能化升級(jí)后總成本共計(jì)可減少1 303.2萬(wàn)元，高于自動(dòng)化設(shè)備總費(fèi)用158.2萬(wàn)元，因此智能化設(shè)備升級(jí)改造可提高經(jīng)濟(jì)效益。

（6）針對(duì)機(jī)械化和信息化進(jìn)行科技創(chuàng)新，可有效應(yīng)對(duì)建筑行業(yè)工人短缺的趨勢(shì)。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，建筑工人的需求日益增加，部分城市更是出現(xiàn)“用工荒”。由于建筑業(yè)長(zhǎng)期給人們留下工作環(huán)境艱苦的不良形象，隨著全國(guó)各地人民生活水平的提高，建筑業(yè)對(duì)新生代從業(yè)人員吸引力嚴(yán)重不足，隨著現(xiàn)役施工人員的年齡老化問(wèn)題日益嚴(yán)重，未來(lái)建筑業(yè)需求人數(shù)與用工人數(shù)的缺口將會(huì)越來(lái)越大，必將嚴(yán)重抑制建筑業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

軌枕生產(chǎn)屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，鄭萬(wàn)高鐵重慶段軌枕廠積極采用新技術(shù)、新材料、新設(shè)備，運(yùn)用機(jī)械化、信息化、自動(dòng)化、智能化方式對(duì)生產(chǎn)流水線的6個(gè)工位進(jìn)行了智能化整體技術(shù)提升，用智能化、機(jī)械化代替人工，改變了傳統(tǒng)的作業(yè)方式；用信息化減少了管理人員，減輕了大量工作內(nèi)容。提高管理效率的同時(shí)大大降低對(duì)人工的依賴(lài)。

當(dāng)今時(shí)代，智能化技術(shù)發(fā)展迅猛，工廠化生產(chǎn)正在逐步實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作。鄭萬(wàn)高鐵重慶段軌枕廠對(duì)軌枕生產(chǎn)線的智能化技術(shù)提升研究與實(shí)踐表明，依靠單機(jī)智能、裝備互聯(lián)基本實(shí)現(xiàn)了整體的軌枕智能化生產(chǎn)。在建筑業(yè)工人日益短缺的趨勢(shì)下，降低企業(yè)的人力資源成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，提升整體效益，使軌枕生產(chǎn)更加綠色環(huán)保，為該行業(yè)提供了引領(lǐng)示范作用。隨著國(guó)家工業(yè)化水平的持續(xù)提高和產(chǎn)業(yè)調(diào)整升級(jí)以及發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，高速鐵路軌枕智能化制造是發(fā)展方向，將來(lái)一定會(huì)有越來(lái)越多的企業(yè)參與到軌枕智能制造的隊(duì)伍中來(lái)。