高錳鋼轍叉機器人自動化修形磨削系統的探索與研究

夏武強

摘 要：高錳鋼轍叉的人工修磨環境差，人工強度高，生產率低下，由于高錳鋼轍叉本身變形和偏差，一致性很差，如何實現高錳鋼轍叉的自動化修磨是一件值得去探索和研究的課題。本文首先分析各種問題和難點，然后結合生產實踐中的一些新技術手段，利用工業六軸機器人作為執行機構，通過專用修磨工具與機器人柔性設備的結合從而實現轍叉自動化修磨。

關鍵詞：高錳鋼轍叉;機器人;自動化;修行磨削

前言：

高錳鋼轍叉是鐵路車輛車輪變軌系統中的一個重要工件，轍叉經鑄造形成毛坯件，再進行機床加工，轍叉鑄件機加工過程中需要多次人工定位和裝夾，在機加工過程中會出現較大的加工變形，這樣就造成轍叉機加產品在形位上的一致性不好，成品校驗前還需要修磨和試裝的方法達到成品要求。目前國內外大部分廠家都是采用人工打磨的方式進行修形磨削（簡稱：修磨），轍叉校驗前的修磨屬于技術性很強的作業，修磨工人一般需要2-3年的專業培養和練習才能熟練掌握修磨的方法。

一、高錳鋼轍叉機器人自動化修形磨削應用的現狀：

對于工件的修形磨削國內外主要是用5軸數控磨床對工件的形狀進行磨削成形，例如齒輪齒面輪廓的修形，國內外都有許多公司和科研結構做了大量的應用和實踐，取得了很好的效果，但是數控機床加工工件，需要工件的裝夾定位的一致性必須非常好。目前利用六軸關節式機器人對大型零件做修形磨削的應用卻很少，北京航空航天大學等研究機構曾經做過機器人對航空零件做修形磨削的研究，也取得一些成果。現對于高錳鋼轍叉這種大型工件的機器人修形磨削目前還沒有成熟的應用。

二、高錳鋼轍叉機器人自動化修形磨削存在的問題和難點：

1，高錳鋼轍叉工件的尺寸大，品種多，產品的外形一致性差，每個工件變形量不一致。

1）轍叉外形尺寸范圍（長X寬X高）：3251～4737×625～738×168～218mm

2）成品公差：長度公差+/-5mm，高度公差：-0.8—+0.6mm.寬度公差+/-1.6mm.

3）工件修磨部位相對于檢測基準存在偏差，每一個工件變形量都不一樣，相對于檢測基準的翹曲和偏擺量都不一樣，如果尺寸偏差超過2mm，工件即使修磨也無法達到要求，需要人工補焊后再修磨。

2.轍叉裝配部位的修形磨削精度要求高

轍叉修磨精度和檢測要求：允許試裝軌軌頂與轍叉軌頂錯牙≤0.5mm/m，試裝軌工作邊錯口≤0.5mm/m（16mm線處），試裝軌軌底橫向不平度<2mm。因為修磨部位是1：4斜面，如果側面要求精度小于0.5mm.頂面的精度要小于0.125mm（1：4的關系換算）.對長度4米多的工件，其實加工精度要求是很高的。

3.機器人的剛性差，修形難度大。

六軸關節機器人其空件姿態非常靈活，可以代替人工進行打磨作業，但是由于關節式機器人本身是懸臂結構，機器人末端受力后整體會有一定程度的變形，如何讓機器人克服或者補償受力對變形的影響也是一個需要解決的問題。

三、機器人自動化修磨系統實施的對策和方法：

針對以上幾個難點和問題，結合自己的技術知識，提出了針對性的解決辦法：

1.對于工件大，尺寸長的問題，可以給機器人加裝移動軌道來擴大其加工范圍，同時給工件加裝變為轉臺。

機器人移動軌道由伺服電機驅動齒輪、齒條，使得機器人和滑臺底座通過滑塊、導軌實現往復直線運動。

2.配置機器人視覺測量系統提高工件定位的精度

機器人視覺測量系統包含一套是激光打點式定位系統，通過非接觸方式采集工件基準部位的特征點，在工件定位基準三個平面上各采集4各點的數據，就能確定工件的基準部位的數據，再通過視覺應用軟件的開發和工控機的計算，確定工件的位置和偏差，然后引導機器人修正程序，進行自動化磨削。

3.采用帶機械定位機構的砂帶機解決機器人剛性不足的問題和視覺系統精度不高的問題。

六軸關節機器人本身的剛性不足，就不能直接利用機器人的剛性來修磨工件，需要設計一套專用的打磨工具。針對鐵路轍叉工件結構和特點，在砂帶機上設計一套專用工裝，自動夾緊和貼合定位和打磨基準部位，保證每一次打磨的基準一致，可靠貼合。專用砂帶機結構如下圖4所示

工作原理類似成型銑削，主要采用上、下兩個母線方向與1：4斜面平行的硬性接觸輪進行磨削，砂帶機定位機構夾緊轍叉后，砂帶電機啟動，絲杠電機啟動，驅動安裝在滑動架上下兩套砂帶機同步移動，完成修形磨削。

四、研究和試驗后的結論：

根據以上解決方案的實施，通過工業機器人抓取專用打磨工具對轍叉工件進行自動修磨測試，機器人自動修磨后的轍叉工件精度高，而且一致性好，產品表面平整度、光潔度比人工修磨后表面狀況好很多，機器人修磨效率是人工效率的4倍。這個研究和試驗非常成功。機器人能自動適應工件的變形和偏差，保證修磨部位和基準面保持一致，精度高，效率高，在整個轍叉修磨行業里會起到一定示范作用。見下圖4：