輪對探傷機器人系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李卓

摘 要：輪對探傷機器人是利用機器人技術(shù)解決動車組一級修輪對缺陷的檢測問題。采用先進機器人技術(shù)、超聲波探傷技術(shù)，進行輪對探傷機器人系統(tǒng)的建設(shè)。完成了動車組在不落輪的條件下對輪對踏面缺陷及輪輞裂紋的一級修檢測。實現(xiàn)了輪對缺陷檢測的自動化、智能化，以機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工檢查及設(shè)備檢測，實現(xiàn)輪對缺陷傳統(tǒng)檢測方式的變革。

關(guān)鍵詞：機器人;超聲波探傷;輪對檢測

Abstract：As important parts of the EMU，the operational status of the wheelset has a significant impact on the driving safety of the EMU.With an increasing number of the running EMUs and the continuous improvement of the running speed of the EMU，the defects detection of the wheelset becomes more and more important.In this paper，research is conducted on the combination of the defects detection of the EMUs wheelset and robot technology，robot technology and ultrasonic inspection technology are used to discuss the design and application of flaw detection robots in the inspection of the first-level repair of the wheelset of the EMU，the defects detection of the tread surface and the rim of the wheelset are carried out in the case of non-falling wheelset.By adopting the method of combining robot and ultrasonic flaw detection equipment，the system combines robot technology and ultrasonic inspection technology and uses sensor technology to achieve intelligent positioning and complete the detection of the defects of the tread surface and the rim cracks in the case of non-falling wheelset.

Key words：Wheelset inspection;robot;ultrasonic inspection

輪對檢測機器人系統(tǒng)檢測內(nèi)容主要是針對動車組一級修輪對進行檢測，包括對踏面缺陷、輪輞裂紋檢測，其重點是檢查踏面表面（近表面）缺陷。

目前動車組輪對檢測的檢測存在的問題有：（1）輪對檢測設(shè)備分散在各個檢修規(guī)程中，存在分散、孤立的情況，在一級修沒有專項檢測手段;（2）二級修固定式輪輞輪輻探傷設(shè)備檢測時間較長，導(dǎo)致動車組在庫內(nèi)滯留過久;（3）現(xiàn)有動車組故障檢測機器人采用圖像識別技術(shù)進行故障判斷，無法完成部件結(jié)構(gòu)內(nèi)部故障的檢測;（4）傳統(tǒng)探傷設(shè)備探傷過程需要拆卸撒砂管、添加磁粉等部件或材料，檢修效率低。

針對以上問題，本文對輪對探傷機器人設(shè)計進行研究，提出在機器人的基礎(chǔ)上加裝超聲波探傷機等設(shè)備，完成在一級修機器人檢測項目內(nèi)對輪對缺陷的檢測。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計

探傷機器人系統(tǒng)是人工智能正在快速發(fā)展的一個分支。輪對探傷機器人主要安裝在動車段、所檢修庫軌道橋下的檢修溝內(nèi)，按照輪對檢修任務(wù)進行自動輪對定位、自動數(shù)據(jù)采集。探傷作業(yè)系統(tǒng)通過PLC控制器下發(fā)任務(wù)，控制探傷機器人作業(yè)啟停、并通過超聲波探傷設(shè)備實時獲取輪對缺陷的檢測信息，并進行分析、識別、報警，將產(chǎn)生的缺陷信息進行分類，在管理終端進行輪對缺陷信息的報警、展示。

輪對探傷機器人系統(tǒng)。總體架構(gòu)設(shè)計如圖所示：

（1）機器人子系統(tǒng)。機器人子系統(tǒng)是利用機器人自動控制技術(shù)及PLC控制技術(shù)，實現(xiàn)對機器臂、超聲波探傷機、傳感器等設(shè)備的開啟、運行、定位、復(fù)位等指定操作的載體，是完成輪對信息檢測、采集、傳輸、顯示、存儲的底層硬件設(shè)備。

（2）探傷作業(yè)分析子系統(tǒng)。探傷作業(yè)分析子系統(tǒng)是將采集回傳的輪對超聲波信息進行處理、分析、判斷、報警的超聲波缺陷分析系統(tǒng)。

（3）管理平臺。管理平臺是對機器人子系統(tǒng)、探傷作業(yè)分析子系統(tǒng)進行管理、配置、調(diào)試、狀態(tài)及故障查詢、輪對探傷的作業(yè)和報警處置的軟件管理平臺。

1.2 業(yè)務(wù)流程設(shè)計

在收到檢測任務(wù)后，啟動機器人，自動開始對動車組每個輪對進行定位，并進行逐一檢測，收集輪對檢測信息，實時將檢測結(jié)果通過無線方式上傳給上位機探傷作業(yè)系統(tǒng)進行處理、存儲，發(fā)現(xiàn)輪對缺陷自動上報至檢修作業(yè)人員監(jiān)控終端的軟件系統(tǒng)內(nèi)進行顯示，對該輪對缺陷信息由檢修作業(yè)工人進行確認、復(fù)核，如確認則將輪對缺陷信息直接上傳至故障數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行存儲，輪對探傷機器人工作結(jié)束。并由檢修作業(yè)人員對該故障進行及時的處理。主要的業(yè)務(wù)流程設(shè)計如下圖所示：

1.3 硬件設(shè)計

因機器人走行部在動車組故障檢測機器人中完成設(shè)計研究，本文就不在探討，輪對探傷機器人系統(tǒng)硬件主要包括機器臂和超聲波探傷機、上位機、中控柜、工控機、服務(wù)器等硬件設(shè)備，通過完成對所有硬件設(shè)備的集成，建立探傷檢測系統(tǒng)，其總體物理設(shè)備構(gòu)成如下圖3所示：

（1）機器臂。由工業(yè)六軸機器臂、伺服控制器、示教機組成，用于承載超聲波探傷機完成指定角度的伸縮動作;系統(tǒng)采用6軸機械臂，模擬人手臂操作將超聲波探傷機送至輪對檢測指定的位置。

（2）超聲波探傷機。超聲波探傷機是超聲波發(fā)生和采集裝置，可以探測到車輪踏面裂紋和材料缺陷;用于采集輪對的超聲波信息。

（3）工作臺。工作臺是機器人模擬操作單元，承載機器臂、輪對，包含箱體、轉(zhuǎn)臺、電機等設(shè)備，用于支撐輪對質(zhì)量，提供輪對選擇的動力，用于摸底輪對探傷機器人的工作環(huán)境。

（4）中控柜。中控柜是探傷機器人的控制單元，包括上位機、工控機或服務(wù)器、PLC控制器、監(jiān)控終端、無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、報警燈、狀態(tài)指示燈等設(shè)備或者配件。用于探傷作業(yè)分析軟件、系統(tǒng)管理平臺的部署、安裝;探傷報警的顯示、處置;狀態(tài)顯示、聲光報警展示等。

1.4 系統(tǒng)功能設(shè)計

輪對探傷機器人系統(tǒng)主要功能分為硬件功能和軟件功能兩部分，硬件功能包括系統(tǒng)設(shè)置、機器臂控制，軟件功能包括探傷報警、信息查詢，如下圖所示：

（1）系統(tǒng)設(shè)置功能。對輪對探傷機器人系統(tǒng)，進行參數(shù)設(shè)置：如自動、手動模式;轉(zhuǎn)臺參數(shù);探傷設(shè)備參數(shù)等。

（2）機器臂控制功能。輪對探傷機器人系統(tǒng)主要是指垂直多關(guān)節(jié)機器人，其結(jié)構(gòu)特點為機構(gòu)緊湊，動作靈活，工作空間大;能繞過基座周圍的一些障礙物;適合電機驅(qū)動，關(guān)節(jié)密封、防塵比較容易。其工作原理是由接收機發(fā)出訊號給舵機，經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無核心馬達開始轉(zhuǎn)動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經(jīng)到達定位。通過PLC預(yù)制編程，自動控制機器臂運動到指定位置，通過智能探測設(shè)備識別輪對指定位置，啟動超聲波探傷設(shè)備進行掃描，并在作業(yè)完成后復(fù)位機械臂回到初始位置。

（3）探傷報警功能。通過作業(yè)分析軟件，對實時采集的輪對超聲波數(shù)據(jù)進行分析、判斷、如發(fā)現(xiàn)輪對缺陷，實時進行聲光報警的自動措施，將報警信息實時顯示在控制柜監(jiān)控終端顯示屏內(nèi)。

（4）信息查詢功能。信息查詢是指對上報的相關(guān)故障進行反向查詢的功能，可隨時調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)進行查詢。主要包括：輪對檢測超聲波數(shù)據(jù)、自動報警數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

2 核心關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機器人技術(shù)

將機器人技術(shù)與輪對探傷的檢測內(nèi)容相結(jié)合，解決輪對檢測分散孤立的情況;增加了一級修檢測手段;縮短了動車組輪對檢測在檢修規(guī)程內(nèi)的間隔，更及時有效的獲得輪對檢測的數(shù)據(jù);在原有動車組故障檢測機器人基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對輪對的內(nèi)部故障檢測;提高了輪對檢測項目的檢修效率。

2.2 渦流超聲波探傷技術(shù)

傳統(tǒng)的磁粉探傷機探傷過程需要拆卸撒砂管部件、添加磁粉材料，檢修效率低。渦流探傷無線添加任何材料就能實現(xiàn)輪對的無損探傷。

3 應(yīng)用總結(jié)

本文完成了以輪對探傷機器人代替人工檢測作業(yè)，及代替?zhèn)鹘y(tǒng)輪對檢測設(shè)備作業(yè)設(shè)計有構(gòu)想，實現(xiàn)了輪對缺陷檢測的自動化、智能化和機器人化，革新了動車組輪對故障原始檢測機制和模式;完善了動車組一級修庫內(nèi)作業(yè)的檢修手段;提升了輪對檢測的工作效率;達到了智能化、準(zhǔn)確化的技術(shù)要求，將機器人引入輪對檢測領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有技術(shù)痛點，檢修作業(yè)人員可以簡單的使用用輪對探傷機器人，只需針對報警信息進行輪對缺陷的復(fù)核，不影響動車組檢修作業(yè)，提高生產(chǎn)效率同時降低檢修工人勞動強度。

輪對探傷機器人突破既往的傳統(tǒng)思維模式，結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新與模式創(chuàng)新，探索新的技術(shù)手段、工作方法以及業(yè)務(wù)流程的變革方案，在諸多方面帶來了新的活力?？蓽p少行車事故的發(fā)生，保證運輸安全，具有良好的社會效益;自動檢測、自動報警的實現(xiàn)可降低人工作業(yè)的勞動強度，提高工作效率和工作質(zhì)量;使系統(tǒng)集檢測、監(jiān)控、管理、決策為一體，使管理向自動化、科學(xué)化、信息化邁進;使動車組故障檢測的機器人應(yīng)用成為可能，充分發(fā)揮動車組檢修的整體水平，帶動機器人相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入，實現(xiàn)檢修能力質(zhì)的飛躍。

目前輪對探傷機器人受環(huán)境及條件影響，還存在檢測范圍小、檢測項目較少的缺點，本人將繼續(xù)深入輪對探傷機器人的研究，逐步擴展探傷機器人的檢測范圍及項目，并將探傷機器人與圖像故障檢測機器人結(jié)合作為新的研究方向，實現(xiàn)動車組一級修車底故障的全方位檢測。

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