智能化車軸傳輸線的研制

孟凡義

(中車齊齊哈爾車輛有限公司 黑龍江 齊齊哈爾 161002 )

為滿足鐵路貨車新制車軸生產(chǎn)線的傳輸需求，中車齊齊哈爾車輛有限公司研發(fā)了智能化車軸傳輸線(見圖1)。智能化車軸傳輸線是按照車軸粗、精加工工藝要求，應(yīng)用光、機(jī)、電、液一體化先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行車軸傳輸?shù)膭?chuàng)新設(shè)計(jì)。合理的工藝方案布局和巧妙的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，使傳輸線呈現(xiàn)出種類多樣化發(fā)展趨勢，機(jī)械手高精度、控制系統(tǒng)的高可靠性和智能信息化大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用，是其達(dá)到智能化的重要標(biāo)志。

圖1 智能化車軸傳輸線

1 車軸傳輸線的技術(shù)要求

(1)適用類型：適應(yīng)鐵路貨車RF2型、RD2型、RE2A型和RE2B型車軸傳輸?shù)囊蟆?/p>

(2)傳輸路徑：滿足在地面下、地面上和車軸機(jī)械手傳輸路徑要求。

(3)傳輸精度：滿足傳輸精度，即加工機(jī)床上、下料精度為0.2 mm的要求。

(4)智能傳輸：滿足根據(jù)各加工機(jī)床的工作狀態(tài)，進(jìn)行自動(dòng)上料和下料的要求。

2 車軸傳輸線的傳輸模式設(shè)計(jì)

應(yīng)用半光車軸上軸料架，完成車軸排序；應(yīng)用地下輸送小車，完成車軸由粗加工區(qū)到精加工區(qū)的轉(zhuǎn)運(yùn)；應(yīng)用多軸料架完成存儲(chǔ)車軸和車軸對中定位；應(yīng)用機(jī)械手完成車軸在料架與加工機(jī)床的傳輸。

2.1 半光車軸傳輸

半光車軸傳輸用于對粗加工后的一批車軸排序后，逐一進(jìn)行傳輸。如圖2所示，半光車軸上軸料裝置由料架、擺軸機(jī)構(gòu)、風(fēng)缸停位機(jī)構(gòu)、油缸送軸機(jī)構(gòu)、一次對中和二次對中組成。工作原理是擺軸機(jī)構(gòu)在一次對中后釋放單個(gè)車軸；車軸利用斜坡軌道，靠自重傳輸；車軸滾動(dòng)到油缸送軸機(jī)構(gòu)的原始位時(shí)，由風(fēng)缸停位機(jī)構(gòu)上升使車軸固定；車軸二次對中后，風(fēng)缸停位機(jī)構(gòu)下降，油缸送軸機(jī)構(gòu)前進(jìn)，將車軸送至固定位。其優(yōu)點(diǎn)是利用滾動(dòng)方式傳輸車軸，節(jié)省了傳輸線的動(dòng)能。

1—料架；2—車軸；3—一次對中；4—擺軸機(jī)構(gòu)；5—油缸送軸機(jī)構(gòu)；6—直線導(dǎo)軌；7—二次對中；8—風(fēng)缸停位機(jī)構(gòu)。圖2 半光車軸上軸料裝置

2.2 地面下車軸傳輸

傳輸線與安全道交叉時(shí)，可選擇高空傳輸或地下傳輸，高空傳輸會(huì)影響天車的工作，一般選擇地下傳輸。地下車軸輸送小車由鉸接架、油缸、運(yùn)行減速機(jī)、液壓站和小車組成(見圖3)。工作原理是車軸在鉸接架上，油缸驅(qū)動(dòng)鉸接架升降，運(yùn)行減速機(jī)驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是利用地下車軸輸送小車傳輸車軸，保障了地面上車輛行人的安全。

1—小車；2—液壓站；3—鉸接架；4—油缸；5—車軸；6—運(yùn)行減速機(jī)。圖3 地面下車軸輸送小車

2.3 地面上車軸傳輸

車軸加工工序之間，存在地上車軸傳輸，其具有存儲(chǔ)和傳輸功能。如圖4所示，地上車軸傳輸裝置由鏈輪、鏈條、支架、減速機(jī)、對中機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)組成。工作原理是機(jī)械手將車軸放在鏈條的V型尼龍塊上；減速機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪驅(qū)動(dòng)鏈條直線運(yùn)動(dòng)；升降機(jī)構(gòu)將車軸托起；對中機(jī)構(gòu)將車軸對中。其優(yōu)點(diǎn)是利用對中機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)，將傳輸線上的車軸固定在唯一位置，實(shí)現(xiàn)車軸的低精度傳輸和高精度定位功能，為機(jī)械手下一步的抓取提供準(zhǔn)確位置。

1—對中機(jī)構(gòu)；2—支架；3—鏈條；4—鏈輪；5—升降機(jī)構(gòu)； 6—車軸；7—減速機(jī)。圖4 地上車軸傳輸裝置

2.4 機(jī)械手的車軸傳輸

采用機(jī)械手進(jìn)行加工機(jī)床的車軸上下料，空間布局是機(jī)械手跨越加工機(jī)床。車軸機(jī)械手具有X向、Y向、Z向運(yùn)動(dòng)功能，轉(zhuǎn)動(dòng)角度功能和夾軸功能，運(yùn)動(dòng)過程中可以加速和減速，如圖5所示。工作原理是直線運(yùn)動(dòng)以伺服電機(jī)為動(dòng)力，以高精度齒輪與齒條為傳動(dòng)；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以伺服電機(jī)為動(dòng)力，以高精度齒輪為傳動(dòng)；應(yīng)用彈簧阻尼式重載緩沖器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓、落車軸的緩沖功能，其主要技術(shù)參數(shù)如下：機(jī)械手額定載荷，800 kg；升降速度，24 m/min；走行速度，0～60 m/min；旋轉(zhuǎn)速度，5 r/min；旋轉(zhuǎn)角度，±180°；夾緊/松開時(shí)間，3 s；升降/走行定位精度，±0.2 mm。

圖5 車軸機(jī)械手

3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 機(jī)械手

當(dāng)機(jī)械手中心與車軸中心不重合時(shí)，抓取瞬間產(chǎn)生偏力，引起機(jī)械手變形后，其精度降低。創(chuàng)新點(diǎn)是2個(gè)抓爪與軸接觸處有感應(yīng)信號，同時(shí)感應(yīng)時(shí)滿足抓取條件；用1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)抓爪的閉合，靠絲桿絲母的機(jī)械自鎖，保證抓爪能抓緊車軸。

3.2 機(jī)械臂

機(jī)械臂負(fù)責(zé)車軸的Z向運(yùn)動(dòng)，采用齒輪與齒條機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，若齒輪發(fā)生疲勞斷裂，會(huì)引起失控，發(fā)生車軸砸向機(jī)床事故。創(chuàng)新點(diǎn)是機(jī)械臂上并聯(lián)安全齒輪，安全齒輪與失電制動(dòng)器連接，檢測到速度異常或斷電故障，失電制動(dòng)器工作，阻止安全齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂停止動(dòng)作，增加了安全性。

3.3 潤滑齒輪

應(yīng)用毛氈材料制作潤滑齒輪，銅粉燒結(jié)套制作存油腔，采用無動(dòng)力伴隨嚙合齒條的方式完成潤滑。創(chuàng)新點(diǎn)是有效供應(yīng)潤滑油，潤滑泵將潤滑油通過軸的進(jìn)油口注入存油腔；在潤滑齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，潤滑油在離心力的作用下，通過銅粉燒結(jié)套的微小口滲透到毛氈齒輪；齒型毛氈將潤滑油均勻地涂到齒條表面。

3.4 控制精度

優(yōu)化傳輸變頻器的控制方式，提高速度控制精度和速度設(shè)定精度。創(chuàng)新點(diǎn)是電源與驅(qū)動(dòng)器輸入之間串聯(lián)交流電抗器，使整流阻抗增大以有效抑制高次諧波電流，提高輸入電源的功率因數(shù)，通過抑制諧波電流，使進(jìn)線電流波形穩(wěn)定，提高速度控制精度。

3.5 系統(tǒng)跟蹤

上位機(jī)軟件采用西門子監(jiān)控組態(tài)軟件WINCC，監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)操作人員的操作及監(jiān)視；PLC程序采用STEP7軟件的LAD通用語言進(jìn)行編程，可以快速診斷故障。創(chuàng)新點(diǎn)是以模擬動(dòng)畫的形式(見圖6)，在屏幕上顯示機(jī)械手，與實(shí)際機(jī)械手同步運(yùn)行，實(shí)時(shí)更新機(jī)械手運(yùn)行速度、位置，智能提示車軸數(shù)量、位置及機(jī)床加工狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息。

圖6 模擬動(dòng)畫界面

4 智能信息化大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展

智能信息化大數(shù)據(jù)系統(tǒng)具有開放式信息共享平臺，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高效傳遞。具有數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)判別功能，可以精確定位車軸，并與機(jī)床開閉門機(jī)構(gòu)形成互鎖。具有人機(jī)結(jié)合動(dòng)態(tài)調(diào)整功能，實(shí)現(xiàn)了智能組織的自動(dòng)化生產(chǎn)。

智能信息化大數(shù)據(jù)系統(tǒng)有ETHERNET接口，采用TCP/IP通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連通和數(shù)據(jù)交換。信息包括原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)的錄入、生產(chǎn)資源的調(diào)度、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理、后續(xù)生產(chǎn)調(diào)度自學(xué)習(xí)的完善及生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析。已加工完成的信息、設(shè)備狀態(tài)信息等可以提供給工廠級的信息管理系統(tǒng)，供其讀取。

智能信息化大數(shù)據(jù)系統(tǒng)具有備料提醒、人員勞效分析追蹤、設(shè)備狀態(tài)分析反饋等功能，以便用戶及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)安排。各個(gè)子系統(tǒng)既承擔(dān)與相應(yīng)區(qū)域及生產(chǎn)線的控制，又負(fù)責(zé)與服務(wù)器主系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)時(shí)顯示使用車間傳輸線使用狀態(tài)，完成生產(chǎn)信息的共享，同時(shí)接收智能信息化大系統(tǒng)的生產(chǎn)任務(wù)安排，實(shí)現(xiàn)無紙化作業(yè)。

5 使用效果

經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用驗(yàn)證，智能化車軸傳輸線滿足鐵路貨車RF2型、RD2型、RE2A型和RE2B型車軸的傳輸，傳輸過程性能穩(wěn)定，機(jī)械手抓取車軸精度高。建立的全自動(dòng)化、全工藝流程作業(yè)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集控制，不僅減少了作業(yè)等待時(shí)間，生產(chǎn)效率提高了30%，而且能夠監(jiān)控設(shè)備零部件的維修時(shí)間點(diǎn)，提前處理可能發(fā)生的故障，縮短維修時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了制造車軸自動(dòng)化技術(shù)水平的全面提升。 □