雙塊式軌枕智能化生產的有效途徑分析

鄭愛國，康祥梅

（成鐵德陽軌道有限責任公司，四川 德陽 618007）

從理念來看，在傳統(tǒng)軌枕生產廠家，其軌枕生產線只是基于機械制造的傳統(tǒng)觀念和認識，對于智能化、信息化、物聯(lián)網(wǎng)的意識淡薄，甚至僅僅停留在概念上，并沒有真正落地實施。同時，傳統(tǒng)軌枕生產工藝設備的改進更新僅僅是在各別工位或者機械動作方面的改進，沒有集中控制、大數(shù)據(jù)的整合和提升，造成各環(huán)節(jié)的割裂，不能形成整體布局和集中聯(lián)動，這些將對后期的生產線設備迭代更新留下設計的缺陷和不足，不利于今后整體設備的提升。針對傳統(tǒng)的軌枕生產線，加強混凝土軌枕的質量控制成為了軌枕生產的首要任務。人員密集，勞動力低下的短板，急需利用四新技術，著力打造數(shù)字化、信息化、智能化的智能生產線，以此助理企業(yè)的減員增效、助推產品的質量穩(wěn)定可靠。

1 軌枕生產實現(xiàn)智能化的必要性

1.1 傳統(tǒng)生產線存在的問題

普通的軌枕生產線，就其工藝布局、生產設備、信息化管理等僅符合當軌枕生產的最低技術條件要求，但距“智能化”及“四新技術”的要求差距甚遠，主要存在以下問題：

（1）生產工藝方面。無砟雙塊式軌枕工序主要包括混凝土攪拌、混凝土澆灌、振動成型、養(yǎng)護脫模、堆碼等?；炷淋壵砩a工藝看似簡單，但工藝過程基本上與產品的質量、工作的效率相關聯(lián)。目前混凝土澆灌工藝過程中，基本無法實現(xiàn)定量均勻澆灌，不能很好的保證混凝土斷面尺寸，為了確保斷面尺寸的質量需要人為平料，多次添減。在軌枕的脫模工藝，傳統(tǒng)的脫模方式為沖擊式脫模，軌枕在自重的情況下容易造成軌枕擋肩裂紋，其不合格率高達5%。在套管螺旋筋組裝工序中，完全使用人工作業(yè)，無法有效保證套管鋼模底部的緊密貼合，容易造成套管下沉的質量缺陷?？傊?，在整個的工序環(huán)節(jié)中出現(xiàn)質量缺陷的可能性較高。

（2）設備設施方面?，F(xiàn)有的設備設施簡陋，精度保證率低，如養(yǎng)護系統(tǒng)的降溫階段，溫度梯度無法滿足慢速緩降的要求，出現(xiàn)溫度曲線波動較大；同時設備的信息化程度低，在所有的生產過程中僅有拌和數(shù)據(jù)、養(yǎng)護數(shù)據(jù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動保存。對成品檢測均采用人工作業(yè)，極易導致人為的檢測誤差，出現(xiàn)漏檢、錯檢的現(xiàn)象較為頻發(fā)。無法采用大數(shù)據(jù)進行精準分析成品質量，無法進行精準質量預警。

（3）勞動效率勞動安全方面?，F(xiàn)有車間每班標準人員一般配置45人（僅為直接參與生產的作業(yè)人員），單班10h產量800根，每人每班產量僅僅為18根，可見勞動效率低下。同時在作業(yè)現(xiàn)場，大量的工人密集，機械設備、超重設備交疊運行，存在較大的安全風險。

（4）標準化、信息化管理方面。由于一般生產廠家生產規(guī)模較小、實力較弱，投入資金不足，生產設施設備簡陋，工藝技術落后，作業(yè)人員的綜合素質低，無法滿足標準化差的要求。同時，生產設備簡單，使用的軟件大多以單機版應用軟件為主，僅僅利用計算機計算存儲數(shù)據(jù)的基本功能，沒有形成網(wǎng)絡，沒有實現(xiàn)信息共享和自動傳遞，沒有充分利用信息技術所提供的集成優(yōu)勢進行交流，無法形成信息技術互動性帶來的管理效應，導致信息化水平較低。

1.2 智能生產線設備的相對優(yōu)勢

（1）優(yōu)化了生產工藝。將傳統(tǒng)軌枕生產的長模流水生產線，優(yōu)化成了短模流水生產線。對混凝土澆灌、振動成型整合，實現(xiàn)精準布料。脫模工藝利用錘擊式與沖擊式相結合的模式。配件安裝完全應用多種智能機器人，讓工藝過程在可視化、程序化、自動化的條件下，發(fā)揮出機械化、信息化、智能化的優(yōu)勢。

（2）提升產品質量。產品精度高，機器設備上采用了各種高精度的導向，定位、進給、調整、檢測、視覺系統(tǒng)或部件，可以保證產品裝配生產的高精度。產品質量具有高度重復性，一致性，能夠大幅降低不臺格率。

（3）大幅降低制造成本。在整個的軌枕生產線上應用了較多的智能機器人、主要設備的控制程序實現(xiàn)了可視化，將勞動者從常規(guī)的手工勞動中解脫出來，轉而從事更加有創(chuàng)造性的工作。機器自動化設備生產的節(jié)拍很短，可以達到較高的生產率，同時機器可以連續(xù)運行，因而在大批量生產的條件下能大幅降低制造成本。

（4）實現(xiàn)智能通訊，后期維護簡單。智能化預制生產系統(tǒng)主要是利用智控中心來對整個生產車間設備進行實時動態(tài)的監(jiān)控，通過這樣的方式來實現(xiàn)對設備運行狀況和生產過程的監(jiān)控和控制。各工站的生產設備更加集成成都高、基本實現(xiàn)智能化，運行速度和穩(wěn)定性也大大提高，形成標準的流程和成熟的工藝，后續(xù)設備的維修維護也比較容易。

2 主要工序的智能化實現(xiàn)途徑

通過數(shù)據(jù)集約管理，實現(xiàn)前后臺統(tǒng)一聯(lián)控；通過信息化、智能化系統(tǒng)的集成和深度融合，實現(xiàn)了軌枕預制“人、機、料、法、環(huán)”的數(shù)字化、智能化管控，使智能車間設備運行高效、工序銜接轉化流暢、信息處理及時，確保設備運行穩(wěn)定，提高軌枕生產效率，達到車間智能控制。在雙塊式軌枕的生產過程中充分應用物聯(lián)網(wǎng)、協(xié)作機器人、預測性維護、機器視覺等新興技術，使軌枕生產進入智能建造時代。

2.1 智能打磨自動除塵系統(tǒng)

智能打磨自動除塵系統(tǒng)，自動打磨模腔，吸塵裝置徹底清除磨具內殘渣。不需要人工，機械手能保證打磨頭始終與模腔內的曲面良好接觸，保證打磨效果。

（1）智能化實現(xiàn)的主要原理。采用3D視覺系統(tǒng)對模具進行精準定位。采用浮動設計的打磨頭，確保打磨頭始終與模腔內的曲面良好接觸，保證打磨效果。打磨完成后，移動式吸塵裝置徹底清除模具內殘渣。

（2）智能化實現(xiàn)的主控參數(shù)。工位能實現(xiàn)完全無人化作業(yè)，主要控制完成的節(jié)拍時間，一般控制在2.5min。同時控制打磨潔凈度，確保模具打磨干凈，模具無損傷。

（3）智能化實現(xiàn)的主要設施。智能打磨自動除塵系統(tǒng)，包括自動打磨組件和移動式吸塵組件。主要采用2臺清掃工業(yè)機器人（配置清掃刷子和換刷系統(tǒng)）、3D視覺系統(tǒng)、回收系統(tǒng)（含清掃房）、電控系統(tǒng)。

2.2 多功能智能噴涂系統(tǒng)

智能噴涂系統(tǒng)可以自動識別磨腔，雙噴頭旋轉噴涂脫模劑，噴涂過程中采用雙回收裝置，避免二次污染。不需要人工，噴槍移動保證噴涂均勻，定時自動清潔管路，避免噴嘴堵塞。

（1）智能化實現(xiàn)的主要原理。脫模劑噴涂情況決定了雙塊式軌枕后期脫模情況和外觀質量。該設備采用采用模具不動，噴槍移動的方式 ，噴槍采用雙噴頭及120度旋轉方式，保證噴涂均勻，噴涂過程中采用雙回收裝置，噴槍處及噴涂房回收，控制系統(tǒng)可實現(xiàn)定時自動清潔管路，避免噴嘴堵塞，配置脫模劑加溫攪拌裝置，確保脫模劑均勻和最好配比效果，完全確保模具內脫模劑噴涂均勻、無滴液、淌液。噴涂。利用PLC系統(tǒng)、霧化噴頭、往復機、抽排系統(tǒng)實現(xiàn)脫模劑自動噴涂作業(yè)，即采用高壓噴槍將脫模劑霧化噴涂，架設支架在模具上方，將高壓噴槍安裝在支架上,在模具上行走對模具內進行脫模劑噴涂。

（2）智能化實現(xiàn)的主控參數(shù)。脫模劑噴涂均勻性。

（3）智能化實現(xiàn)的主要設施。工業(yè)機器人、高霧化性能噴頭、自動定量計量泵漿系統(tǒng)、可調速攪拌機等。

2.3 智能配件安裝

現(xiàn)場制作螺旋筋，機器人組裝螺旋筋、套管，桁架機械手抓取套管組件，并安裝至模具內。不需要人工，抓手末端可自動調節(jié)定位偏差、及扭矩。

現(xiàn)場對箍筋、桁架、掛鉤進行組裝，機械手將桁架組件安裝到模具內。不需要人工，采用柔性連接，可保證桁架安裝的準確性。

（1）智能化實現(xiàn)的主要原理。套管安裝系統(tǒng)：現(xiàn)場制作螺旋筋并與套管自動組裝，保證螺旋筋的標準化一致性，同時基于視覺定位、力學傳感、智能機器人技術實現(xiàn)套管安裝無人化。同時配有自動復檢工位，確保安裝套管符合技術要求。智能箍筋焊接系統(tǒng)：該設備與彎箍機配合，自動抓取箍筋、自動焊接成型同時自動視覺檢測和剔除不合格品，確保高效、高質、無人化操作。桁架安裝系統(tǒng)：鋼筋桁架組裝安裝設備自動拆分批量化的桁架鋼筋、自動彎曲箍筋掛鉤、自動掛取箍筋和鋼筋桁架并自動準確放置模具內，一次組裝放置1根軌枕用桁架，并具備自動旋轉桁架固定壓片功能，同時配有自動復檢功能，確保安裝到位，達到無人化安裝桁架箍筋。該工位目前做到功效為2.5min節(jié)拍，大大提高效率。

（2）智能化實現(xiàn)的主控參數(shù)。套管安裝系統(tǒng)：機械臂運動精度在±3mm，確保精準對套管的安放。

智能箍筋焊接系統(tǒng)：精準定位安放位置偏差±3mm。箍筋焊接的質量：焊縫長度單面焊縫長度不小于80mm。桁架安裝系統(tǒng)：精準定位安放位置偏差±3mm。

（3）智能化實現(xiàn)的主控設施。套管安裝系統(tǒng)：用套管緩存?zhèn)}、皮帶輸送機、振動整理給料盤、旋轉卡具等與機器人配套、置自檢及報警系統(tǒng)。螺旋筋機、皮帶輸送機、旋轉卡具等與2臺機器人。智能箍筋焊接系統(tǒng)：焊機、承料臺、機器人1臺。桁架安裝系統(tǒng)：桁架箍筋組裝系統(tǒng)、自動掛鉤系統(tǒng)、鏈條輸送系統(tǒng)、桁架箍筋安裝系統(tǒng)、旋轉壓片系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、機器人2臺。

2.4 智能精準布料機

布料機自動叫料、全自動布料、無需人工干預、布料精準到位。

（1）智能化實現(xiàn)的主要原理。該設備以大數(shù)據(jù)、信息化為依托進行數(shù)據(jù)采集、整理和快速分析運算，對混凝土材料性能狀態(tài)進行大量數(shù)據(jù)整理后鎖定數(shù)據(jù)，通過容積、重量、傳感器測試等方面確定混凝土用量，以此達到精準布料的功能，同時配以自動叫料系統(tǒng)與攪拌站信息化貫通，無需人工操作、補料。通過多個項目、大量數(shù)據(jù)收集整理、以及多種運算測試方式解決了混凝土預制領域多年在探討而沒能解決的精準布料的問題。該工位實現(xiàn)無人干預精準布料。

（2）智能化實現(xiàn)的主控參數(shù)。稱量誤差±5kg，下料時間控制在2min，振動工藝參數(shù)（低頻振動時間120s，高頻振動時間60s）。

（3）智能化實現(xiàn)的主控設施。精準布料機、供料運輸平臺小車、輸送軌道、振動臺、振動系統(tǒng)、電控系統(tǒng)。

2.5 軌枕智能檢測系統(tǒng)

雙塊式軌枕智能檢測系統(tǒng)適用于雙塊式軌枕外形幾何尺寸、外觀質量及溝槽裂紋的快速檢測和自動識別及檢測數(shù)據(jù)管理，主要由外形尺寸檢測模塊、裂紋自動 檢測識別模塊、軌枕編號自動識別模塊、自動噴碼模塊及檢測數(shù)據(jù)信息管理平臺組成。

（1）智能化實現(xiàn)的主要原理。雙塊式軌枕智能檢測系統(tǒng)是采用先進的激光圖像掃描檢測技術獲取軌枕表面點云坐標，利用3D結構光原理通過點云構建技術實現(xiàn)軌枕三維尺寸的快速建模，通過與標準尺寸的比對分析實現(xiàn)外形尺寸、棱角掉塊等的自動檢測及評判；通過獲取溝槽局部高清圖像、模具號三維立體圖像，結合人工智能識別及機器深度學習技術實現(xiàn)溝槽裂紋的自動識別、模具號自動識別，并將相應信息傳輸給噴碼設備，自動在軌枕表面噴涂唯一性編號及二維碼或條形碼，并將相應的信息傳遞給生產管理系統(tǒng)等工序。檢測數(shù)據(jù)可通過后端服務器進行分析、評判、復核及管理，自動生成檢測報告，并上傳生產管理平臺，可通過對檢測數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，及時掌握生產質量的變化及模具的變形情況。

該檢測系統(tǒng)是安裝于生產流水線末端脫模工序后，與既有的生產線無縫銜接，并與既有生產控制系統(tǒng)形成信息交互，實現(xiàn)全自動、智能化、無人化操作。

（2）智能化實現(xiàn)的主控參數(shù)。軌枕編號識別率：≥99%；表觀缺陷識別率：≥95%；尺寸檢測精度：優(yōu)于0.1mm；檢測數(shù)據(jù)重復性：0.1mm；圖像分辨率：≤0.2mm×0.2mm；系統(tǒng)響應時間：≤1s；檢測效率：單根軌枕檢測時間≤30s；4 根軌枕檢測時間≤1分30秒。

（3）智能化實現(xiàn)的主控設施。3D高端圖像傳感器、高清相機組件、酒精自動噴涂系統(tǒng)、編碼設備。

3 應用成效

3.1 人工成本顯著降低

在生產現(xiàn)場，作業(yè)人員一般配置如表1。

表1 雙塊式軌枕作業(yè)現(xiàn)場人員配置表

由表1可以看出，基礎生產線的人員配置多，全線達到45人。對于智能生產線，直接作業(yè)人員少，直接操作人員：4人，設備管理、維護人員：3人，巡檢：2人。

智能生產線由于采用了自動化，實現(xiàn)了各工序的無縫連接，作業(yè)效率大大提高。生產期單工序生產節(jié)拍：2min，日產能(20h)：2600根，月產能(26個工作日)：67600根。生產期間設備故障維修時間不超過3%，平均無故障時間：12h。

以原生產線按原45人計算，智能生產線僅需要9名設備維護人員，節(jié)省41名人工，按照人均工資7000元/月計算，每年節(jié)省人工工資約345萬元。

3.2 質量效益明顯

近年來在雙塊式軌枕預制過程中，由于錯誤的操作、不充分的養(yǎng)護、不規(guī)范的機械作業(yè)、把控不嚴等因素影響，部分軌枕出現(xiàn)擋肩裂縫、表面蜂窩麻面、表面裂紋、擋肩掉角掉塊等生產質量問題，嚴重時甚至出現(xiàn)報廢產品。此外，由于無法做到產品全檢，導致個別次品被鋪設到道床板中，在運營過程中出現(xiàn)開裂、破損等病害，由于回查條件有限，病害實因難以明確。應用工業(yè)機器人、圖像識別、信息化系統(tǒng)等新技術，在利用智能生產設備，杜絕人為影響因數(shù)，工藝規(guī)程標準化、各項參數(shù)信息化、生產線各工序間高效銜接配合，建立了無砟軌道施工信息化管理協(xié)作平臺，實現(xiàn)了施工數(shù)據(jù)可追溯，避免了傳統(tǒng)作業(yè)方式弊端，有效降低產品不合格率。

3.3 社會效益好

在《中國制造2025》中提出了5個基本方針，其中“創(chuàng)新驅動、質量為先”發(fā)揮著舉足輕重的作用。一方面詮釋了“把創(chuàng)新擺在制造業(yè)發(fā)展全局的核心位置，促進制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，走創(chuàng)新驅動的發(fā)展道路”的重要涵義；另一方面，闡述了強化企業(yè)質量主體責任，加強質量技術攻關、自主品牌培育，走以質取勝的發(fā)展道路的必要性。同時也提出了“推進信息化與工業(yè)化深度融合”的戰(zhàn)略任務，要求加快推動新一代信息技術與制造技術融合發(fā)展，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向。智能枕場的建設完全符合與國家的中遠期規(guī)劃，起到良好的社會效益。

4 結語

綜上，本文旨在針對目前雙塊式軌枕生產線的新工藝、新設備的探索，針對軌枕生產的主要工序進行自動化設計，有效節(jié)約勞動成本。同時針對大數(shù)據(jù)的應用，進行數(shù)據(jù)的精準分析，為產品的質量提升奠定了堅實的基礎。為在可視化、信息化、自動化、標準化、數(shù)字化的基礎上實現(xiàn)軌枕生產的智能化向智慧化升級創(chuàng)造了有利條件。