軌道車輛門系統絲桿無人化生產技術研究

王友斌 ，王慧 ，位云成，史旭東

（南京工程學院，江蘇 南京 211167）

隨著國內外城市軌道交通的迅猛發展，軌道車輛門的產量逐年增加。絲桿作為軌道車輛門系統的重要傳動零件，因其加工工序多、工藝復雜、精度要求高，一直是機械加工領域中的難點。目前，國內企業對于軌道車輛門系統中絲桿的加工大多采用人工運料、裝卸料，數控機床加工的生產方式。工人勞動強度大、生產效率低。因此提高軌道車輛門系統絲桿加工生產的自動化程度和精度，盡可能用“機器換人”，最終實現絲桿加工車間的無人化生產，是企業綠色安全生產、降耗増效的主要途徑。本文所述的絲桿無人化自動生產線正是基于這樣的背景提出的。

1 生產線概述

1.1 生產線技術要求

（1）產品參數。軌道交通某客室門單個絲桿（成品）的主要參數如表1所示。

表1 絲桿參數

（2）生產節拍。無人化生產線原則上不改變原有絲桿生產組織模式和加工工藝，工藝循環時間控制為9min。若為2班，最大產能為100根/天；若為3班，最大產能為140根/天。

1.2 生產線組成

絲桿自動無人化生產線主要包括機械系統（本體）、控制系統（信息處理、檢測設備、傳感器等）、物流系統三大板塊，整體框架如圖1所示。

圖1 絲桿無人化生產線框架

2 機械系統

機械系統主要由3部分構成：即自動上下料裝置、數控機床和物料輸送線（工業機器人）。根據絲桿加工的工藝流程，機械系統總體設計方案如圖2所示。

圖2 機械系統總體方案

2.1 自動上下料裝置

自動上下料裝置是自動化生產線機械系統的核心部分，主要實現物料的上料、裝夾和下料的自動化。因加工對象絲桿本身比較長，一般機械手難以完成自動上下料動作，同時考慮到與物料輸送機器人的銜接，最終確定自動上下料裝置方案如圖3所示。夾持送料機構夾持頭安裝在芯軸上，外面有帶錐度的外套筒，氣缸帶動外套筒實現絲桿的夾緊和松開，通過伺服電機驅動齒輪齒條，精準控制送料尺寸；上下料架是為防止機床等待，同時設置毛胚上料架和成品下料架，且料架均設計成斜坡式，通過上下分料盤實現上料和卸料自動周轉；夾持機械手，由伸縮氣缸帶動氣動V型夾爪實現絲桿定位夾緊。

圖3 自動上下料裝置示意圖

2.2 機床自動化加工改造

為配合自動上下料裝置的設計方案，實現絲桿加工的完全自動化，還需對車間設備的部分細節進行相關改造。

（1）螺桿銑床改造。為滿足自動化生產線的需求，對螺桿銑床進行如下改造：①跟刀架重新設計制作。在滿足原有跟刀架精度和功能要求的基礎上，將上部手工壓緊裝置改為自動液壓壓緊。自動壓緊裝置壓緊力需適當，不得造成絲桿本身變形，影響加工精度。此外，定位銷需插入鎖閉端內，并需與鎖閉端根部可靠卡住。②將原卡盤改為氣動卡盤。中心位置與跟刀架、頂針中心保持一致，滿足絲桿的精度要求。

（2）TH5640加工中心改造。為滿足自動化生產線的需求，對現有TH5640數控加工中心進行如下改造：①小卡盤改為氣動卡盤，實現送料后自動夾緊；②第4軸增加一套氣動卡盤用于自動夾緊。第4軸氣動卡盤中心位置和小卡盤中心位置需保持一致，滿足絲桿的尺寸精度和幾何公差要求；③中段支撐增加自動頂升支撐裝置。絲桿毛坯被小卡盤和第4軸卡盤自動夾緊后，支撐自動升起，起到支撐作用，保證絲桿加工時的直線度。頂起行程不宜過大，以免造成絲桿過定位和變形。④為彌補絲桿毛坯長短不一的問題，自動送料裝置送料至端頭即可，增加通電檢測裝置，控制送料進給長度可靠。

（3）拋光機床改造。由于絲杠在粗、精銑后螺桿槽外邊緣存有毛刺，需設計制作自動拋光機構，如圖4所示。拋光機構由百潔布拋光和砂紙拋光兩個組件構成。

圖4 拋光機構設計

3 控制系統

生產線的控制系統采用電-氣混合控制方案。邏輯控制回路采用電氣控制系統，在其輸出部分通過先導電磁閥將電信號轉換成氣動信號，從而推動主控氣動換向閥換向，控制執行元件。又因電信號可以遠距離傳輸，可將邏輯控制回路部分遠離工作現場，將全氣控的執行元件和主控閥放在環境惡劣的工作現場。它既保留了全氣控系統抗干擾能力強的特點，又具有電控系統控制方便、程序靈活可變的優點，完全能夠適應復雜的工作環境和控制要求。

電氣控制系統采用觸摸屏與PLC聯合進行控制。PLC作為控制器，完成信號的采集和處理、伺服定位控制、自動上下料控制等功能；觸摸屏作為人機交互裝置，負責系統的參數設置、運行狀態顯示以及控制調試等；伺服電機及氣缸、液壓缸作為動作執行元件，磁性開關、接近開關及位置傳感器作為檢測設備，完成整個控制系統設計。

4 生產物流系統

生產物流系統是一個集計算機、機械、電氣等技術為一體，實現產品的傳輸、識別、分揀、倉儲、檢索等環節的全程自動化作業系統。

4.1 生產車間布局分析與設計

生產物流基本的流動模式有直線形、L形、U形、環形和S形五種。根據企業車間的布局結構及自動化生產線的特點，本文采用系統設施規劃布置SLP，確定使用直線形流動模式，見圖2。

4.2 生產物流系統的建模與仿真

生產物流建模技術主要包括動循環圖法、流程圖法、面向對象法。為了能在仿真過程中獲得更接近真實系統的數據，本文采用Petri網法和面向對象建模法結合的混合建模技術。

4.3 自動識別技術

生產管理過程中，不可避免地面臨大量的、反復的數據輸入或數據采集。自動識別技術可有效解決物流信息系統中信息采集速度慢、出錯率高等問題。本文綜合考慮絲桿加工車間的空間、成本、信息容量等因素，決定采用RFID（射頻識別）技術。RFID的基本流程是：讀寫器將無線電載波信號經發射天線向外發射，標簽進入天線工作區域時被激活，天線將信號傳輸給讀寫器，讀寫器對信號進行解調解碼，隨后將其送往計算機控制系統中進行有關數據處理。

在物流信息系統中引入自動識別技術，其最直接的優勢就在于可以監控每件產品在企業內的整個生命周期情況，實現產品質量追溯等功能。

5 結語

本文所述的無人化生產線主要用于軌道車輛門系統絲桿加工，自動化程度高。通過集成自動上下料裝置和桁架機器人運送裝置，對生產設備進行自動化改造，構建了生產線的機械系統，采用觸摸屏與PLC聯合策略實現生產線控制系統，實現生產無人化；利用Petri網法和面向對象建模法結合的混合建模技術對生產物流系統進行建模與仿真，將自動識別技術運用于物流系統，實現生產管理無人化。該生產線有效提高了絲桿的加工精度和生產效率，為企業帶來良好的經濟效益和社會效益。