基于工業(yè)機器人的高鐵腕臂預(yù)配系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

李承連

（中鐵十一局集團電務(wù)工程有限公司 湖北武漢 430074）

1 引言

高速鐵路接觸網(wǎng)腕臂作為電氣化鐵路的重要組成部分，其工藝質(zhì)量影響著工程質(zhì)量和施工效率，在整個施工過程中發(fā)揮著重要作用。腕臂預(yù)配作為接觸網(wǎng)施工最關(guān)鍵的工序，存在測量強度大、精度要求高、安裝后需要多次調(diào)整等諸多難點［1］，需進一步提高工效?，F(xiàn)階段的腕臂預(yù)配仍根據(jù)計算結(jié)果，在車間內(nèi)采用人工方式進行預(yù)配，標(biāo)記、切割、組裝、搬運，效率不高，精度難以控制，故需要投入大量的成本來保證高質(zhì)量的接觸網(wǎng)工程建設(shè)。為了建設(shè)精品高速鐵路工程，提高施工工藝標(biāo)準(zhǔn)，降低生產(chǎn)投入成本，加強技術(shù)管理效率，急需有針對性地研發(fā)新型機械化、自動化設(shè)備，實現(xiàn)腕臂流水線預(yù)制，從而實現(xiàn)接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配的質(zhì)量管控。

2 基于工業(yè)機器人的全自動化腕臂預(yù)配裝置

腕臂生產(chǎn)線采用全自動噴碼機技術(shù)、工業(yè)機器人運動技術(shù)、伺服電機技術(shù)，具備自動噴碼、切割、管件轉(zhuǎn)運、零部件定位、力矩緊固等功能，提出零部件自動定位、螺栓按力矩緊固、管件自動流轉(zhuǎn)等方法［2］，替代傳統(tǒng)人工參與環(huán)節(jié)，實現(xiàn)預(yù)配工序全機械作業(yè)，為高速鐵路接觸網(wǎng)工程提供有效質(zhì)量保障技術(shù)手段。

2.1 全自動噴碼切割系統(tǒng)

系統(tǒng)整體采用一體化設(shè)計，主要由高精度噴頭、噴頭控制系統(tǒng)、伺服運動控制系統(tǒng)等組成，利用plc進行數(shù)據(jù)讀寫［3］、參數(shù)設(shè)置。采用非接觸式小字符、高解析噴頭，可連續(xù)進行弧面管件上文字、條形碼或二維碼噴涂。

腕臂管件長度切割精度為預(yù)配要點之一，以固定一端為基準(zhǔn)，利用編碼器反饋實際轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)，完成閉環(huán)反饋控制，實現(xiàn)腕臂高精度預(yù)配。工作系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 切割系統(tǒng)

2.2 機器人運動系統(tǒng)

工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成［4］。主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，包括臂部、腕部和手部；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu)，用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；控制系統(tǒng)按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號并進行控制，實現(xiàn)抓取、轉(zhuǎn)運等功能。

（1）機器人選型

工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型［5］。腕臂預(yù)配過程中要實現(xiàn)腕臂的抓取、轉(zhuǎn)運、放置、螺栓緊固，需要機器人具備可移動、升降等功能，因此選用關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人。所選機器人如圖2所示。

圖2 所選六軸關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人

（2）抓取部件設(shè)計

腕臂管件由于其重量較大且為圓形，單個抓手無法將其固定。腕臂管抓取涉及兩個關(guān)鍵點：一是具備張開、收緊功能。此處采用了響應(yīng)、動作更可靠的氣缸，利用氣缸收縮推動卡件握緊、放開動作。二是牢靠抓緊腕臂管件。根據(jù)腕臂圓弧尺寸設(shè)計出一種可分離式的卡件，同時為保持平衡，機械手臂采用雙固定模式，如圖3所示。

圖3 抓取部件設(shè)計

（3）力矩緊固槍設(shè)計

腕臂管上的零部件有4～6個種類，零部件上螺栓有2種以上不同規(guī)格，預(yù)配要求為每個零部件螺栓按不同力矩對角線進行緊固。設(shè)計一種定轉(zhuǎn)矩電動扳手，通過電子監(jiān)控技術(shù)實時采集扳手阻力矩的反饋數(shù)據(jù)并與設(shè)定值比對，如表1所示［6］。

表1 力矩數(shù)據(jù)分析比對

（4）機器人行走系統(tǒng)設(shè)計

行走系統(tǒng)主要由座、直線軌道、直線型齒條和防塵罩組成。結(jié)合電氣控制系統(tǒng)，在不同工位之間往復(fù)運動，達到高精度、重復(fù)運動、速度快等設(shè)計目標(biāo)要求［7］。同時為了滿足不同轉(zhuǎn)配環(huán)境下的預(yù)配車間組裝，可以改變行走系統(tǒng)軌道長度，拓展預(yù)配車間的適應(yīng)性。行走系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示。

圖4 行走系統(tǒng)設(shè)計

2.3 零部件自動上件系統(tǒng)

腕臂管件分為平、斜腕臂管兩種類型，需要分別單獨進行零部件安裝。每根管件上零部件種類有3～5個，部件分布位置每套腕臂均不相同，差異性較大，種類繁瑣。上件系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 零部件自動上件系統(tǒng)

（1）可翻轉(zhuǎn)式工作臺

為解決平、斜腕臂管不同工序裝配的問題，研發(fā)團隊創(chuàng)新提出一種可翻轉(zhuǎn)式工作臺，一側(cè)裝配平腕臂，一側(cè)裝配斜腕臂，通過plc控制工作臺的翻轉(zhuǎn)伺服機，在下一步工序前進行翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)同一機位上差異化裝配，提升裝配效率。

（2）零部件上件工位設(shè)計

為解決零部件在每套腕臂管件上精確定位，實現(xiàn)所有零部件的差異化自動裝配，團隊通過對不同零部件的外觀尺寸進行三維數(shù)據(jù)掃描采集，制作了可拆卸設(shè)計的固定零部件夾具，以確保零部件安裝姿態(tài)。工人放置零部件到對應(yīng)夾具上，按下工序啟動鍵，系統(tǒng)調(diào)用腕臂預(yù)配數(shù)據(jù)，通過電氣控制系統(tǒng)控制變位機的移動［8］，將卡件滑動到裝配位置。

3 數(shù)據(jù)追溯系統(tǒng)

腕臂預(yù)配生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)、裝配數(shù)據(jù)、現(xiàn)場安裝數(shù)據(jù)作為腕臂裝配施工質(zhì)量追溯的源頭，每個過程均至關(guān)重要。利用自動噴碼技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息標(biāo)記，設(shè)置預(yù)配數(shù)據(jù)反饋真實記錄車間組裝數(shù)據(jù)［9］，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)配到裝配全過程可追溯、有記錄，作為竣工數(shù)據(jù)移交接管單位。

（1）腕臂生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心

為確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)的唯一性，建立有效的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)機制，在設(shè)計之初便考慮到設(shè)備的信息交互，建立腕臂生產(chǎn)數(shù)據(jù)綜合控制中心?？偛吭O(shè)置服務(wù)器，將腕臂預(yù)配數(shù)據(jù)、生產(chǎn)信息整合至云端，供遠(yuǎn)端進行控制，時刻掌握腕臂生產(chǎn)狀況及設(shè)備信息。

（2）二維碼數(shù)據(jù)標(biāo)記

采用時下最常用的二維碼技術(shù)，配置全自動噴碼系統(tǒng)，為每根腕臂賦予身份信息，支持二維碼掃描身份識別，保證每一根腕臂都能夠從數(shù)據(jù)計算、腕臂預(yù)配、出廠時間進行追溯［10］。同時在數(shù)據(jù)中加入了疊加消除算法，同一個編號腕臂，二次生產(chǎn)自動更新為最近數(shù)據(jù)存儲，避免數(shù)據(jù)重疊，保證現(xiàn)場安裝與預(yù)配數(shù)據(jù)庫同步。

4 人機交互界面設(shè)計

人機交互作為操作者控制整個預(yù)配系統(tǒng)的接入口，其設(shè)計邏輯、簡潔程度直接關(guān)系預(yù)配系統(tǒng)的整體運轉(zhuǎn)，為滿足多數(shù)人員經(jīng)培訓(xùn)后，均可以使用腕臂預(yù)配系統(tǒng)，采用基于PLC的電氣控制系統(tǒng)，整個界面簡潔易懂。主界面如圖6所示。

圖6 人機交互主界面

（1）系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

預(yù)配狀態(tài)監(jiān)控界面由通訊總線、伺服手動畫面、報警、維護畫面、打孔操作畫面、噴碼和切割數(shù)據(jù)設(shè)定畫面、扭力值監(jiān)控畫面等界面組成?？晒┎僮髡吲袛囝A(yù)配系統(tǒng)伺服電機、機器人、工作平臺的通訊狀態(tài)、操作狀態(tài)以及系統(tǒng)各工位異常狀態(tài)情況［11］，在故障或緊急狀態(tài)可快速判斷故障點。

（2）生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

在腕臂智能化預(yù)配過程中，獲取原始接觸網(wǎng)腕臂相關(guān)數(shù)據(jù)，通過RS232串口與PLC通信［12］，傳輸數(shù)據(jù)生產(chǎn)。監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)導(dǎo)入、任務(wù)修改、歷史數(shù)據(jù)查詢、用戶管理等界面組成［13］，可實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、修改、查詢管理，如圖7所示。

圖7 生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控界面

5 應(yīng)用效果評價

在新建武漢至十堰高鐵工程隨縣至襄陽段，接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配施工均采用本系統(tǒng)進行裝配。線路開通以來，運行狀態(tài)良好，實現(xiàn)了腕臂預(yù)配重要工序無人工化的目的，保證了腕臂預(yù)配的質(zhì)量，提升了預(yù)配效率。

（1）重要工序無人工參與

腕臂的數(shù)據(jù)調(diào)用、切割，螺栓按力矩緊固、零部件定位均無人工參與，從源頭上避免了人工誤差，統(tǒng)一了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

（2）質(zhì)量可控

嚴(yán)格控制管件的長度、零部件位置、螺栓緊固力矩的大小，同時引入噴碼標(biāo)記，可用人工進行質(zhì)量復(fù)核，進一步控制成品質(zhì)量。

（3）腕臂裝配效率提升

采用本系統(tǒng)后，以自動化機械為主、人工監(jiān)控方式，將一套成品腕臂預(yù)配時間縮短一半以上，人工投入減少2/3以上。

6 結(jié)論

（1）采用工業(yè)機器人進行高速鐵路腕臂預(yù)配提高了工作效率、減輕了作業(yè)人員的勞動強度、節(jié)約了生產(chǎn)成本。

（2）與傳統(tǒng)人工預(yù)配方式相比，杜絕了人為誤差，提升了裝配精度，有效避免了腕臂在安裝之后的二次調(diào)整，保證了接觸網(wǎng)腕臂安裝進度。

（3）腕臂預(yù)配從數(shù)據(jù)計算到裝配信息全過程的可追溯，可供運維單位作為管理依據(jù)，提升了腕臂數(shù)據(jù)的利用效率。

（4）采用可拆卸設(shè)計，除滿足鋁合金腕臂預(yù)配，還適用于鋼腕臂預(yù)配，更換方式簡單，適用范圍廣。

（5）簡潔的人機交互操作系統(tǒng)、清晰的語言邏輯、智能管件物料提示推送功能，實現(xiàn)技術(shù)人員快速上手控制，確保腕臂預(yù)配生產(chǎn)有效運轉(zhuǎn)。