心盤螺栓自動(dòng)緊固應(yīng)用技術(shù)分析

石建剛，任 帥

（國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司包頭車輛維修分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014060）

隨著技術(shù)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，越來越多的自動(dòng)化、智能化設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用到我們生活和工作的各個(gè)方面。在大數(shù)據(jù)、視頻識(shí)別及圖像測(cè)量等新興技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，高度集成的網(wǎng)絡(luò)智能化圖像處理識(shí)別系統(tǒng)突破人類生活局限，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大量物質(zhì)信息查詢、圖像比對(duì)以及位移測(cè)量。本項(xiàng)目意在依據(jù)數(shù)據(jù)通信、視頻識(shí)別與測(cè)量、伺服控制、激光測(cè)量、伺服擰緊與動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量等技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)鐵路貨車心盤螺栓的自動(dòng)定位、自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)緊固，繼而達(dá)到心盤螺栓緊固全過程無人化操作的目的。

1 概述

依據(jù)國(guó)鐵集團(tuán)鐵路貨車〔2021〕34號(hào)《鐵路貨車段修規(guī)程》中第5.3.9.17條，下心盤組裝時(shí)，須使用FS型或BY-B、BY-A型防松螺母，并配套使用強(qiáng)度符合GB/T 3098.1規(guī)定的10.9級(jí)、精度等級(jí)符合GB/T 9145標(biāo)準(zhǔn)6 g要求的螺栓，螺栓頭部須有10.9級(jí)標(biāo)記；裝用BY型防松螺母時(shí)均須安裝符合GB/T 7244標(biāo)準(zhǔn)的加重型彈簧墊圈，裝用FS型防松螺母時(shí)，須取消彈簧墊圈并安裝符合GB/T 6172要求性能等級(jí)為04級(jí)的薄螺母螺栓規(guī)格：轉(zhuǎn)K4型為M22，DZ、轉(zhuǎn)K5型為M24。心盤螺栓緊固力矩：FS型不小于300 N·m、BY型M22螺栓為747～830 N·m、M24螺栓為941～1 046 N·m。螺栓直徑M22者安裝Φ4 mm開口銷，M24者安裝Φ5 mm開口銷。

根據(jù)以上工藝要求，想要實(shí)現(xiàn)心盤螺栓緊固全過程自動(dòng)定位、自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)緊固等無人化操作，則需要精確定位心盤螺栓三維空間位置，實(shí)現(xiàn)心盤扳機(jī)自動(dòng)對(duì)位、螺栓緊固和螺栓動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量等閉環(huán)控制。

2 轉(zhuǎn)向架心盤螺栓結(jié)構(gòu)

根據(jù)鐵路貨車〔2021〕34號(hào)《鐵路貨車段修規(guī)程》中要求，以及轉(zhuǎn)向架心盤和搖枕結(jié)構(gòu)，其心盤螺栓連接部位為通孔結(jié)構(gòu)，所用的M22、M24螺栓均為螺栓螺母結(jié)構(gòu)。一側(cè)4顆，共計(jì)8顆螺栓，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 心盤螺栓結(jié)構(gòu)圖

3 目前心盤螺栓緊固方式

目前鐵路貨車轉(zhuǎn)向架心盤螺栓的組裝普遍采用扭矩扳機(jī)組裝。扭矩扳機(jī)組裝即2個(gè)人位于搖枕兩側(cè)，2個(gè)人手持特殊雙螺母卡緊扳手卡緊一側(cè)2個(gè)螺母，其中1個(gè)人操作扳機(jī)動(dòng)作，2人同時(shí)配合扭矩扳機(jī)一次性同步緊固4條螺栓，具體現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 心盤螺栓現(xiàn)場(chǎng)拆解

4 實(shí)現(xiàn)心盤螺栓自動(dòng)緊固需要解決的問題

（1）檢修數(shù)據(jù)的通信聯(lián)網(wǎng)。

（2）心盤螺栓的三維空間定位。

（3）心盤螺栓扳機(jī)如何根據(jù)心盤螺栓三維空間位置進(jìn)行調(diào)整。

（4）心盤螺栓的緊固與扭矩控制。

5 實(shí)現(xiàn)心盤螺栓自動(dòng)緊固應(yīng)用的技術(shù)

根據(jù)以上實(shí)現(xiàn)心盤螺栓自動(dòng)緊固需要解決的問題分析，我們需要通過數(shù)據(jù)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)心盤檢修數(shù)據(jù)的讀取與傳遞，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架整體檢修設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、流水線式集成化控制。通過視頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)心盤螺栓的自動(dòng)識(shí)別，確保心盤螺栓的定位準(zhǔn)確。通過機(jī)械手伺服定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)心盤扳機(jī)自動(dòng)移動(dòng)與精確調(diào)整。通過激光測(cè)量技術(shù)在空間上實(shí)現(xiàn)心盤螺栓二次定位。通過伺服控制擰緊與動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)心盤螺栓在擰緊過程中動(dòng)態(tài)測(cè)量相關(guān)扭矩?cái)?shù)據(jù)，使得心盤螺栓的擰緊力達(dá)到工藝要求，最終實(shí)現(xiàn)心盤螺栓緊固工藝檢修區(qū)無人化、自動(dòng)化，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架檢修智能化奠定基礎(chǔ)。

5.1 數(shù)據(jù)通信技術(shù)的應(yīng)用

可以充分地實(shí)現(xiàn)檢修數(shù)據(jù)共享，從而大幅減少檢修設(shè)備因檢修工件規(guī)格型號(hào)不同而相應(yīng)增加的工件型號(hào)識(shí)別工作，降低了設(shè)備輔助檢修時(shí)間，同時(shí)可以有效地提高設(shè)備的檢修效率。有效數(shù)據(jù)通信也大幅減少設(shè)備工件識(shí)別裝置投入，降低檢修設(shè)備復(fù)雜程度，減輕設(shè)備維護(hù)成本，有利于設(shè)備檢修。本項(xiàng)目將設(shè)置一臺(tái)主控計(jì)算機(jī)并接入檢修車間現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)，主控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)讀取待緊固心盤螺栓的轉(zhuǎn)向架數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體協(xié)調(diào)，通過內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)將讀取的數(shù)據(jù)按照需求，分別發(fā)送給圖像識(shí)別控制PLC、心盤扳機(jī)機(jī)械手控制PLC及心盤扳機(jī)控制PLC。各個(gè)控制PLC將根據(jù)收到的數(shù)據(jù)控制設(shè)備各部完成心盤螺栓緊固全過程動(dòng)作，具體拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 心盤螺栓自動(dòng)扳機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

5.2 視頻識(shí)別與測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

由于轉(zhuǎn)向架本身的制造和裝配也具有一定的離散性，其各部分組裝間隙與公差較大，所以在延續(xù)既有檢修模式基礎(chǔ)上增加心盤螺栓自動(dòng)緊固裝置，定位心盤螺栓在二維平面的具體位置將變得非常困難，傳統(tǒng)的機(jī)械檢測(cè)與位移測(cè)量都將變得非常復(fù)雜，或者無法實(shí)現(xiàn)。

隨著5G與光纖通信普及，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的應(yīng)用，視頻識(shí)別與測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用為工業(yè)的檢測(cè)提供了新的思路，本項(xiàng)目將借鑒視頻識(shí)別與測(cè)量技術(shù)，通過視頻攝像頭拍攝的二維圖片，有效地識(shí)別心盤螺栓，并通過圖像定位技術(shù)計(jì)算出心盤螺栓距離圖片邊緣的距離，從而推算出心盤螺栓的二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，拍攝照片如圖4所示。成像效果如圖5所示。

圖4 相機(jī)拍攝心盤螺栓

圖5 成像效果

5.3 伺服控制技術(shù)的應(yīng)用

通過視頻識(shí)別與測(cè)量在二維平面內(nèi)檢測(cè)到心盤螺栓的坐標(biāo)位置后，如何將扭矩扳機(jī)根據(jù)心盤螺栓平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)移動(dòng)到心盤螺栓正上方，則需要采用心盤扳機(jī)機(jī)械手的伺服控制技術(shù)。根據(jù)目前心盤扳機(jī)結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目將采用龍門式結(jié)構(gòu)，心盤螺栓扳機(jī)通過機(jī)械手懸掛在龍門橫梁上，龍門橫梁垂直橫跨轉(zhuǎn)向架檢修軌道，機(jī)械手可以通過橫梁行走實(shí)現(xiàn)心盤扳機(jī)X軸方向移動(dòng)調(diào)整，同時(shí)機(jī)械手與心盤扳機(jī)連接處增加Y軸方向調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)扭矩扳機(jī)在平面上與心盤螺栓二維位置的重合，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 心盤螺栓自動(dòng)緊固機(jī)坐標(biāo)示意

5.4 激光測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

通過視頻識(shí)別與測(cè)量以及伺服控制技術(shù)可以在平面上使心盤螺栓與扳機(jī)平面坐標(biāo)位置重合，但是如何將心盤螺栓所在平面與心盤扳機(jī)所在平面重合，則需要采用激光測(cè)量技術(shù)。采用激光測(cè)量技術(shù)可以在兩個(gè)工件不接觸的情況下檢測(cè)兩者之間的距離，這樣就能通過控制心盤機(jī)械手的垂直下降伺服，使得心盤扳機(jī)與心盤螺栓在三維空間內(nèi)重合，從而完成心盤螺栓緊固工作。具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 心盤螺栓自動(dòng)緊固機(jī)上下調(diào)整示意

5.5 伺服擰緊與動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

伺服擰緊與動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量是目前螺栓緊固通用模式，通過直接測(cè)量輸出螺栓扳頭扭矩值并實(shí)時(shí)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，從而達(dá)到精確控制伺服電機(jī)功率輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被緊固螺栓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)扭矩值。該控制方式為閉環(huán)控制，可以有效反映螺栓擰緊過程中的狀態(tài)，真實(shí)反映擰緊后的螺栓扭矩值是否達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 心盤螺栓自動(dòng)緊固機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意

6 結(jié)束語

本項(xiàng)目依據(jù)數(shù)據(jù)通信、視頻識(shí)別與測(cè)量、伺服控制、激光測(cè)量、伺服擰緊與動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量等技術(shù)應(yīng)用，可以精確定位心盤螺栓的三維空間位置，實(shí)現(xiàn)心盤扳機(jī)根據(jù)心盤螺栓三維控制坐標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)對(duì)正，并自動(dòng)根據(jù)心盤螺栓檢修工藝要求緊固心盤螺栓，從而真正實(shí)現(xiàn)心盤螺栓緊固全過程無人化、自動(dòng)化完成，繼而滿足心盤螺栓檢修工藝要求，有效提高鐵路貨車段修轉(zhuǎn)向架的檢修效率與質(zhì)量。