輪裝制動盤組裝用機器人系統(tǒng)研發(fā)

李 濤，鄧景山，陸 超，肖 強

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學院 機車車輛學院，廣東 廣州 510430，2.廣州地鐵集團有限公司 運營事業(yè)總部，廣東 廣州 510000）

0 引言

地鐵車輛的運維檢修分為日常維修、一般定期檢修、架修和大修。根據(jù)維修手冊，一般地鐵車輛在運行5年或者運營里程達到60萬公里左右時對車輛進行架修；在運行12年或者運行里程達到120萬公里左右需進行大修[1-2]。地鐵車輛架修或大修時，需安裝轉(zhuǎn)向架各部件，包括輪裝制動盤各零部件。由于車輪和制動盤質(zhì)量和體積大，且裝配精度要求高，組裝工人工作強度大，危險性高[3-4]。

目前，車輪和制動盤組裝大部分均采用人工的方式擰緊螺栓，費時費力，效率低；還有部分采用螺栓擰緊機實現(xiàn)自動擰緊螺栓[5]，但是該設備對制動盤進行擰緊操作后，對輪裝制動盤不能進行信息跟蹤，是否有故障需要操作人員手動記錄，手動進行標記，容易出現(xiàn)漏標、錯標，后期信息跟蹤困難。

新設計的輪裝制動盤組裝用機器人系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)對制動盤螺栓的擰緊操作和扭矩校核，還可以實現(xiàn)貼碼、讀碼的操作，實現(xiàn)對制動盤的信息跟蹤。

1 技術(shù)特點

輪裝制動盤組裝用機器人系統(tǒng)技術(shù)特點如下：

（1）作業(yè)自動化：采用工業(yè)機器人，結(jié)合視覺掃碼、運動控制等技術(shù)，實現(xiàn)制動盤螺栓自動擰緊與校驗，機器人作業(yè)高速移動、快速定位的特性可有效縮短作業(yè)時間。

（2）扭矩輸出精準化：擰緊軸配備伺服控制系統(tǒng)，精準輸出扭矩，具有扭矩、角度監(jiān)控雙重功能，同時還具備數(shù)據(jù)反饋、異常報警功能，有效避免傳統(tǒng)人工擰緊帶來的質(zhì)量問題。

（3）數(shù)據(jù)信息化：配備信息化管理系統(tǒng)，螺栓扭矩信息可自動存儲、追溯管理，有效解決紙質(zhì)表單記錄效率低、不易保存、查詢和篩選繁瑣等問題。

2 技術(shù)參數(shù)

動車組制動盤螺栓扭矩校驗用機器人主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 性能參數(shù)表

3 結(jié)構(gòu)設計

輪裝制動盤螺栓組裝用機器人系統(tǒng)（圖1）主要包括：工業(yè)機器人裝置、扭矩校驗裝置、安全防護裝置、上位裝置、組裝作業(yè)裝置、物料放置裝置、總控裝置、讀碼裝置、擰緊裝置[6-7]、賦碼裝置和設備附件等。

圖1 輪裝制動盤組裝用機器人系統(tǒng)

3.1 工業(yè)機器人裝置

工業(yè)機器人裝置主要包含：工業(yè)機器人、機器人底座、機器人管線包和機器人法蘭等[8]。工業(yè)機器人控制軸數(shù)為6軸，額定負載為35 kg，重復定位精度為±0.03 mm，工作范圍為1 831 mm。機器人末端設有工具端接口，可在工具端集成多種類型的部件，如扭矩校驗裝置、賦碼裝置、讀碼裝置等，如圖2所示，使機器人作業(yè)時更加快速便捷。

圖2 機器人工具端

3.2 扭矩校驗裝置

扭矩校驗裝置主要由扭矩檢驗儀、扭矩檢驗臺等組成。扭矩值在要求范圍內(nèi)可調(diào)，扭矩校驗范圍為5～120 N·m，扭矩精度為±3.5%，角度精度為±1°。扭矩檢驗儀包括扭矩傳感器、模擬螺栓和TTT扭矩測試儀等。

如圖3所示，在扭矩校驗時，擰緊工具將扭矩輸入到模擬螺栓，通過模擬螺栓將扭矩傳遞到扭矩傳感器上[9]，扭矩傳感器中心的彈性軸在受扭之后會輸出相應的電信號，通過TTT扭矩測試儀采集到這些電信號進行分析，可以知道擰緊工具輸出扭矩的大小。每天在組裝制動盤之前都需進行扭矩校驗，以保證擰緊工具輸出扭矩的大小在要求范圍之內(nèi)，扭矩的精度滿足要求。

圖3 扭矩校驗裝置

3.3 上位裝置

上位裝置主要由工控機和工控機柜等組成[10-11]。工控機支持232串行端口、USB端口，支持中文交互界面。工控機柜體積較小，占用空間小，安裝在工控機的下方。

本系統(tǒng)采用以Windows系統(tǒng)PC端作為操作系統(tǒng)的工控機為控制核心，負責與PLC和賦碼裝置、讀碼裝置交互通信，通過人工將車輪上的字符串輸入到工控機來生成二維碼。通過數(shù)據(jù)輸入、采集及存儲軟件，實現(xiàn)高度智能化，軟件界面友好，易于安裝、配置和管理。

3.4 組裝作業(yè)裝置

組裝作業(yè)裝置主要由作業(yè)臺底座、旋轉(zhuǎn)基座、升降基座、調(diào)整平臺、頂升平臺和定位機構(gòu)等組成，如圖4所示。其主要功能是輔助人工的預組裝作業(yè)。工人通過天車先將下制動盤搬運至組裝作業(yè)臺的頂端，隨后通過桁架將車輪搬運至定位機構(gòu)上，此時氣缸處在伸出的狀態(tài)，通過頂升平臺、旋轉(zhuǎn)基座、定位機構(gòu)頂住車輪上升，保證車輪與下制動盤之間有10 mm的空隙，旋轉(zhuǎn)基座可以繞軸承旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)基座帶動車輪轉(zhuǎn)動，此時，轉(zhuǎn)動車輪，使車輪上的插銷孔與下制動盤上的插銷孔對齊，然后氣缸縮回，車輪與制動盤貼合。最后將上制動盤搬運至組裝作業(yè)裝置的頂部，使上制動盤上的插銷孔與車輪上的插銷孔對齊，完成預組裝作業(yè)，提高了對孔、安裝螺栓等工作的生產(chǎn)效率。

圖4 甘蔗質(zhì)心位移變化曲線

圖4 組裝作業(yè)裝置

3.5 總控裝置

總控裝置主要由觸摸屏和總控機柜等組成?？偪貦C柜負責機器人的控制，是機器人控制的中心，機器人控制器對機器人整個工作流程進行控制與管理，完成擰緊、校驗、貼碼等作業(yè)內(nèi)容。觸摸屏由人機界面完成系統(tǒng)的設定、調(diào)整、監(jiān)視等功能。觸摸屏嵌入式安裝在外圍護欄上，方便工人操作。

3.6 擰緊裝置

擰緊裝置主要由擰緊軸、浮動適配器、螺栓套筒和安裝支架等組成。擰緊裝置安裝在機器人末端，根據(jù)系統(tǒng)里預設好的扭力值對螺栓進行擰緊作業(yè)。擰緊軸上安裝螺栓套筒，用于擰緊螺栓作業(yè)，配備浮動適配器消除“跳槍”等故障情況。擰緊軸的工作動力來源于伺服電機，通過減速機連接，工作時增大輸出力矩，再連接傳感器，測量力矩。扭矩傳感器和伺服電機構(gòu)成一個閉環(huán)控制，能夠準確無誤的控制輸出力矩、角度、圈數(shù)等參數(shù)。

擰緊裝置具備扭矩檢測和角度檢測功能，扭矩精度±3.5%，角度精度±1°。將伺服控制系統(tǒng)集成到擰緊軸上，大幅度減小了控制器體積及主電纜數(shù)量，采用適合螺栓緊固特性的伺服馬達，實現(xiàn)高精度控制，能夠調(diào)整輸出扭矩、角度、旋轉(zhuǎn)方向等條件[12]，可以根據(jù)螺栓材質(zhì)、位置等切換各緊固點的條件進行多組個別設定。智能監(jiān)視擰緊過程結(jié)果，實時執(zhí)行診斷，可通過編程實現(xiàn)多級緊固方式對既有螺栓的松動進行測試。

3.7 賦碼裝置

賦碼裝置主要由打碼機和打碼臺等組成。

對輪裝制動盤螺栓扭矩信息處理與跟蹤之前，給每一個輪盤設置一個“身份”，也就是賦予一個獨有的二維碼[13]。賦碼工序由打碼機和賦碼部件完成，打碼機打印出二維碼的標簽貼紙后，由安裝在機器人工具端的賦碼部件取走并粘貼在輪盤表面。

二維碼上的信息包含制動盤和車輪的編號、操作人、操作時間以及操作地點等。制動盤螺栓的扭矩信息在擰緊的過程中自動保存在上位裝置的數(shù)據(jù)庫中，以二維碼作為索引字段與數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)追溯性。通過與上位裝置相連的讀取設備再次掃描二維碼，得到螺栓擰緊的扭矩信息。

3.8 讀碼裝置

讀碼裝置由讀碼器和安裝支架等組成，安裝于機器人的工具端。讀碼裝置的作用為：對輪盤螺栓對應位置的識別和對二維碼進行識。讀碼裝置采用工業(yè)級視覺讀碼器，安裝于機器人的多功能集成機械手上，通過視覺拍照的方式來讀取二維碼[14]。輪盤上的字符串信息記錄二維碼上，螺栓擰緊扭矩等信息儲存在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，通過二維碼能夠把數(shù)據(jù)庫內(nèi)與之對應的信息調(diào)用出來。新生成一個二維碼就相當于在數(shù)據(jù)庫內(nèi)新建一個“檔案”，所有與該輪盤相關(guān)的信息都會儲存在這個“檔案”內(nèi)。通過專業(yè)的算法，在模糊、角度偏差等差異條件下也能進行讀碼。對于困難和降級等難以讀取的代碼可以實現(xiàn)并保持100%的高讀取率。二維碼讀取基本流程包括：照亮二維碼、定位二維碼和提取數(shù)據(jù)。

3.9 安全防護裝置

安全防護裝置主要由安全防護光柵、安全防護圍欄等組成。

系統(tǒng)在運行過程中，機器人的動作速度高、范圍大，經(jīng)常有突然啟動的動作，對非法進入機器人動作范圍的人來說相當危險，因此系統(tǒng)的安全防護非常重要。

為防止人接近機器人活動的范圍，在機器人工作區(qū)安裝安全防護圍欄，包括維修通道以及進料、出料通道，所有開門均安裝電氣光柵或者安全插銷互鎖。機器人自動作業(yè)期間，所有設備門保證關(guān)閉。

作業(yè)時，開啟系統(tǒng)電源開關(guān)，此時系統(tǒng)處于預備狀態(tài)，系統(tǒng)在工作現(xiàn)場配備緊急按鈕，以便在緊急情況下停止機器人的工作，當系統(tǒng)按下緊急停止按鈕或機器防護裝置打開時，系統(tǒng)立即報警并切斷動作部分的控制電源；根據(jù)安全標準的要求，執(zhí)行機構(gòu)具有防止二次傷害的功能，也就是在系統(tǒng)停止的時候，所有動作保持原狀，需要激活緊急復位命令或者解決告警信息后系統(tǒng)才會恢復工作過程或?qū)C器人設備恢復到原位。

人工操作系統(tǒng)時，釋放所有急停按鈕，關(guān)閉所有設備門，確保不會對操作人員造成安全影響，在以下情況系統(tǒng)無法啟動：機器人不在原位；機器人未協(xié)調(diào)好；設備門未完全關(guān)閉。

啟動系統(tǒng)，機器人自動運行檢測，由于機器人具有防碰撞功能，當遇到額外增加的過大負載時，機器人會自動停止作業(yè)。

系統(tǒng)開啟時，警示燈會自動開啟；系統(tǒng)運行時，閃光燈警告附近人員；系統(tǒng)關(guān)閉且所有機器人設備處于原位時，警示燈熄滅。如果電源出現(xiàn)異常故障，可通過手動控制方式恢復系統(tǒng)部件到原位。

4 信息化系統(tǒng)

通過視覺識別讀碼技術(shù)的支持，快速識別二維碼上的數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)了輪盤在組裝作業(yè)中相關(guān)信息的可追溯性控制，包括生產(chǎn)跟蹤和檢查記錄。在每個輪盤上粘貼一個二維碼，無論輪盤流通到哪里都可以查詢相關(guān)記錄。查詢時，掃描二維碼就可以在數(shù)據(jù)庫內(nèi)調(diào)出所有與該輪盤相關(guān)的信息。信息化系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 撥桿端點位移變化曲線

圖5 信息化系統(tǒng)架構(gòu)

5 作業(yè)流程及效果

輪裝制動盤組裝流程如下：

（1）工人將緊固件拆包、浸油處理。

（2）工人通過桁架吊具將第一塊制動盤吊裝到組裝作業(yè)臺，制動盤摩擦面朝下。

（3）工人通過桁架吊具將車輪吊裝到組裝作業(yè)臺，車輪輪緣側(cè)朝上。

（4）工人轉(zhuǎn)動車輪與制動盤，使其孔位對齊，將滑塊裝入車輪隔片的孔內(nèi)，并用扳手轉(zhuǎn)動以進行徑向校準。

（5）工人通過桁架吊具將第二塊制動盤吊裝到組裝作業(yè)臺，制動盤摩擦面朝上，確保所有滑塊均卡入定心槽內(nèi)。

（6）工人裝入緊固連接件，固定輪盤。

（7）工人預擰緊螺栓。

（8）工人核對制動盤和車輪上的編號并從上位裝置上將之輸入至系統(tǒng)。

（9）賦碼裝置根據(jù)系統(tǒng)里的字符串信息生成二維碼標簽，機器人自動取走標簽并將之貼在輪盤表面。

（10）機器人讀取二維碼信息，后續(xù)螺栓擰緊信息將更新記錄在該二維碼中。

（11）按螺栓擰緊順序，機器人用小扭矩擰緊螺栓。

（12）按螺栓擰緊順序，機器人用校驗扭矩擰緊螺栓。

（13）工人用校驗扭矩進行扭矩測試。

（14）工人用塞尺檢查輪盤間隙。

（15）工人通過桁架吊具將組裝好的輪盤下料碼垛。

人工作業(yè)模式下完成一個輪盤組裝的時間為27.5 min，人工+螺栓擰緊機作業(yè)模式下完成一個輪盤組裝的時間為23 min，機器人作業(yè)模式下完成一個輪盤組裝的時間為21.5 min。完成一個輪盤組裝，機器人作業(yè)比人工作業(yè)效率高28%，比人工+螺栓擰緊機作業(yè)效率高7%。

6 結(jié)束語

新設計的輪裝制動盤組裝用機器人系統(tǒng)減輕了工人作業(yè)強度，降低了重復勞動量，提高作業(yè)質(zhì)量，實現(xiàn)對制動盤螺栓擰緊作業(yè)以及扭力校驗時的自動化與信息化。機器人作業(yè)比人工作業(yè)和人工+螺栓擰緊機作業(yè)完成一個輪盤組裝的時間少，效率高，具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益。