轮装制动盘组装用机器人系统研发

2022-06-10邓景山

装备制造技术 2022年1期

李涛，邓景山，陆超，肖强

（1.广州铁路职业技术学院机车车辆学院，广东广州 510430，2.广州地铁集团有限公司运营事业总部，广东广州 510000）

0 引言

地铁车辆的运维检修分为日常维修、一般定期检修、架修和大修。根据维修手册，一般地铁车辆在运行5年或者运营里程达到60万公里左右时对车辆进行架修；在运行12年或者运行里程达到120万公里左右需进行大修[1-2]。地铁车辆架修或大修时，需安装转向架各部件，包括轮装制动盘各零部件。由于车轮和制动盘质量和体积大，且装配精度要求高，组装工人工作强度大，危险性高[3-4]。

目前，车轮和制动盘组装大部分均采用人工的方式拧紧螺栓，费时费力，效率低；还有部分采用螺栓拧紧机实现自动拧紧螺栓[5]，但是该设备对制动盘进行拧紧操作后，对轮装制动盘不能进行信息跟踪，是否有故障需要操作人员手动记录，手动进行标记，容易出现漏标、错标，后期信息跟踪困难。

新设计的轮装制动盘组装用机器人系统不仅可以实现对制动盘螺栓的拧紧操作和扭矩校核，还可以实现贴码、读码的操作，实现对制动盘的信息跟踪。

1 技术特点

轮装制动盘组装用机器人系统技术特点如下：

（1）作业自动化：采用工业机器人，结合视觉扫码、运动控制等技术，实现制动盘螺栓自动拧紧与校验，机器人作业高速移动、快速定位的特性可有效缩短作业时间。

（2）扭矩输出精准化：拧紧轴配备伺服控制系统，精准输出扭矩，具有扭矩、角度监控双重功能，同时还具备数据反馈、异常报警功能，有效避免传统人工拧紧带来的质量问题。

（3）数据信息化：配备信息化管理系统，螺栓扭矩信息可自动存储、追溯管理，有效解决纸质表单记录效率低、不易保存、查询和筛选繁琐等问题。

2 技术参数

动车组制动盘螺栓扭矩校验用机器人主要技术参数见表1。

表1 性能参数表

3 结构设计

轮装制动盘螺栓组装用机器人系统（图1）主要包括：工业机器人装置、扭矩校验装置、安全防护装置、上位装置、组装作业装置、物料放置装置、总控装置、读码装置、拧紧装置[6-7]、赋码装置和设备附件等。

图1 轮装制动盘组装用机器人系统

3.1 工业机器人装置

工业机器人装置主要包含：工业机器人、机器人底座、机器人管线包和机器人法兰等[8]。工业机器人控制轴数为6轴，额定负载为35 kg，重复定位精度为±0.03 mm，工作范围为1 831 mm。机器人末端设有工具端接口，可在工具端集成多种类型的部件，如扭矩校验装置、赋码装置、读码装置等，如图2所示，使机器人作业时更加快速便捷。

图2 机器人工具端

3.2 扭矩校验装置

扭矩校验装置主要由扭矩检验仪、扭矩检验台等组成。扭矩值在要求范围内可调，扭矩校验范围为5～120 N·m，扭矩精度为±3.5%，角度精度为±1°。扭矩检验仪包括扭矩传感器、模拟螺栓和TTT扭矩测试仪等。

如图3所示，在扭矩校验时，拧紧工具将扭矩输入到模拟螺栓，通过模拟螺栓将扭矩传递到扭矩传感器上[9]，扭矩传感器中心的弹性轴在受扭之后会输出相应的电信号，通过TTT扭矩测试仪采集到这些电信号进行分析，可以知道拧紧工具输出扭矩的大小。每天在组装制动盘之前都需进行扭矩校验，以保证拧紧工具输出扭矩的大小在要求范围之内，扭矩的精度满足要求。

图3 扭矩校验装置

3.3 上位装置

上位装置主要由工控机和工控机柜等组成[10-11]。工控机支持232串行端口、USB端口，支持中文交互界面。工控机柜体积较小，占用空间小，安装在工控机的下方。

本系统采用以Windows系统PC端作为操作系统的工控机为控制核心，负责与PLC和赋码装置、读码装置交互通信，通过人工将车轮上的字符串输入到工控机来生成二维码。通过数据输入、采集及存储软件，实现高度智能化，软件界面友好，易于安装、配置和管理。

3.4 组装作业装置

组装作业装置主要由作业台底座、旋转基座、升降基座、调整平台、顶升平台和定位机构等组成，如图4所示。其主要功能是辅助人工的预组装作业。工人通过天车先将下制动盘搬运至组装作业台的顶端，随后通过桁架将车轮搬运至定位机构上，此时气缸处在伸出的状态，通过顶升平台、旋转基座、定位机构顶住车轮上升，保证车轮与下制动盘之间有10 mm的空隙，旋转基座可以绕轴承旋转，旋转基座带动车轮转动，此时，转动车轮，使车轮上的插销孔与下制动盘上的插销孔对齐，然后气缸缩回，车轮与制动盘贴合。最后将上制动盘搬运至组装作业装置的顶部，使上制动盘上的插销孔与车轮上的插销孔对齐，完成预组装作业，提高了对孔、安装螺栓等工作的生产效率。

图4 甘蔗质心位移变化曲线

图4 组装作业装置

3.5 总控装置

总控装置主要由触摸屏和总控机柜等组成。总控机柜负责机器人的控制，是机器人控制的中心，机器人控制器对机器人整个工作流程进行控制与管理，完成拧紧、校验、贴码等作业内容。触摸屏由人机界面完成系统的设定、调整、监视等功能。触摸屏嵌入式安装在外围护栏上，方便工人操作。

3.6 拧紧装置

拧紧装置主要由拧紧轴、浮动适配器、螺栓套筒和安装支架等组成。拧紧装置安装在机器人末端，根据系统里预设好的扭力值对螺栓进行拧紧作业。拧紧轴上安装螺栓套筒，用于拧紧螺栓作业，配备浮动适配器消除“跳枪”等故障情况。拧紧轴的工作动力来源于伺服电机，通过减速机连接，工作时增大输出力矩，再连接传感器，测量力矩。扭矩传感器和伺服电机构成一个闭环控制，能够准确无误的控制输出力矩、角度、圈数等参数。

拧紧装置具备扭矩检测和角度检测功能，扭矩精度±3.5%，角度精度±1°。将伺服控制系统集成到拧紧轴上，大幅度减小了控制器体积及主电缆数量，采用适合螺栓紧固特性的伺服马达，实现高精度控制，能够调整输出扭矩、角度、旋转方向等条件[12]，可以根据螺栓材质、位置等切换各紧固点的条件进行多组个别设定。智能监视拧紧过程结果，实时执行诊断，可通过编程实现多级紧固方式对既有螺栓的松动进行测试。

3.7 赋码装置

赋码装置主要由打码机和打码台等组成。

对轮装制动盘螺栓扭矩信息处理与跟踪之前，给每一个轮盘设置一个“身份”，也就是赋予一个独有的二维码[13]。赋码工序由打码机和赋码部件完成，打码机打印出二维码的标签贴纸后，由安装在机器人工具端的赋码部件取走并粘贴在轮盘表面。

二维码上的信息包含制动盘和车轮的编号、操作人、操作时间以及操作地点等。制动盘螺栓的扭矩信息在拧紧的过程中自动保存在上位装置的数据库中，以二维码作为索引字段与数据库关联，从而实现追溯性。通过与上位装置相连的读取设备再次扫描二维码，得到螺栓拧紧的扭矩信息。

3.8 读码装置

读码装置由读码器和安装支架等组成，安装于机器人的工具端。读码装置的作用为：对轮盘螺栓对应位置的识别和对二维码进行识。读码装置采用工业级视觉读码器，安装于机器人的多功能集成机械手上，通过视觉拍照的方式来读取二维码[14]。轮盘上的字符串信息记录二维码上，螺栓拧紧扭矩等信息储存在系统的数据库内，通过二维码能够把数据库内与之对应的信息调用出来。新生成一个二维码就相当于在数据库内新建一个“档案”，所有与该轮盘相关的信息都会储存在这个“档案”内。通过专业的算法，在模糊、角度偏差等差异条件下也能进行读码。对于困难和降级等难以读取的代码可以实现并保持100%的高读取率。二维码读取基本流程包括：照亮二维码、定位二维码和提取数据。

3.9 安全防护装置

安全防护装置主要由安全防护光栅、安全防护围栏等组成。

系统在运行过程中，机器人的动作速度高、范围大，经常有突然启动的动作，对非法进入机器人动作范围的人来说相当危险，因此系统的安全防护非常重要。

为防止人接近机器人活动的范围，在机器人工作区安装安全防护围栏，包括维修通道以及进料、出料通道，所有开门均安装电气光栅或者安全插销互锁。机器人自动作业期间，所有设备门保证关闭。

作业时，开启系统电源开关，此时系统处于预备状态，系统在工作现场配备紧急按钮，以便在紧急情况下停止机器人的工作，当系统按下紧急停止按钮或机器防护装置打开时，系统立即报警并切断动作部分的控制电源；根据安全标准的要求，执行机构具有防止二次伤害的功能，也就是在系统停止的时候，所有动作保持原状，需要激活紧急复位命令或者解决告警信息后系统才会恢复工作过程或将机器人设备恢复到原位。

人工操作系统时，释放所有急停按钮，关闭所有设备门，确保不会对操作人员造成安全影响，在以下情况系统无法启动：机器人不在原位；机器人未协调好；设备门未完全关闭。

启动系统，机器人自动运行检测，由于机器人具有防碰撞功能，当遇到额外增加的过大负载时，机器人会自动停止作业。

系统开启时，警示灯会自动开启；系统运行时，闪光灯警告附近人员；系统关闭且所有机器人设备处于原位时，警示灯熄灭。如果电源出现异常故障，可通过手动控制方式恢复系统部件到原位。