心盤螺栓自動緊固應用技術分析

石建剛，任 帥

（國能鐵路裝備有限責任公司包頭車輛維修分公司，內蒙古 包頭 014060）

隨著技術的發展，科技的進步，越來越多的自動化、智能化設備已經應用到我們生活和工作的各個方面。在大數據、視頻識別及圖像測量等新興技術不斷發展的背景下，高度集成的網絡智能化圖像處理識別系統突破人類生活局限，已經廣泛應用于大量物質信息查詢、圖像比對以及位移測量。本項目意在依據數據通信、視頻識別與測量、伺服控制、激光測量、伺服擰緊與動態扭矩測量等技術應用，實現鐵路貨車心盤螺栓的自動定位、自動識別和自動緊固，繼而達到心盤螺栓緊固全過程無人化操作的目的。

1 概述

依據國鐵集團鐵路貨車〔2021〕34號《鐵路貨車段修規程》中第5.3.9.17條，下心盤組裝時，須使用FS型或BY-B、BY-A型防松螺母，并配套使用強度符合GB/T 3098.1規定的10.9級、精度等級符合GB/T 9145標準6 g要求的螺栓，螺栓頭部須有10.9級標記；裝用BY型防松螺母時均須安裝符合GB/T 7244標準的加重型彈簧墊圈，裝用FS型防松螺母時，須取消彈簧墊圈并安裝符合GB/T 6172要求性能等級為04級的薄螺母螺栓規格：轉K4型為M22，DZ、轉K5型為M24。心盤螺栓緊固力矩：FS型不小于300 N·m、BY型M22螺栓為747～830 N·m、M24螺栓為941～1 046 N·m。螺栓直徑M22者安裝Φ4 mm開口銷，M24者安裝Φ5 mm開口銷。

根據以上工藝要求，想要實現心盤螺栓緊固全過程自動定位、自動識別和自動緊固等無人化操作，則需要精確定位心盤螺栓三維空間位置，實現心盤扳機自動對位、螺栓緊固和螺栓動態扭矩測量等閉環控制。

2 轉向架心盤螺栓結構

根據鐵路貨車〔2021〕34號《鐵路貨車段修規程》中要求，以及轉向架心盤和搖枕結構，其心盤螺栓連接部位為通孔結構，所用的M22、M24螺栓均為螺栓螺母結構。一側4顆，共計8顆螺栓，結構示意如圖1所示。

圖1 心盤螺栓結構圖

3 目前心盤螺栓緊固方式

目前鐵路貨車轉向架心盤螺栓的組裝普遍采用扭矩扳機組裝。扭矩扳機組裝即2個人位于搖枕兩側，2個人手持特殊雙螺母卡緊扳手卡緊一側2個螺母，其中1個人操作扳機動作，2人同時配合扭矩扳機一次性同步緊固4條螺栓，具體現場如圖2所示。

圖2 心盤螺栓現場拆解

4 實現心盤螺栓自動緊固需要解決的問題

（1）檢修數據的通信聯網。

（2）心盤螺栓的三維空間定位。

（3）心盤螺栓扳機如何根據心盤螺栓三維空間位置進行調整。

（4）心盤螺栓的緊固與扭矩控制。

5 實現心盤螺栓自動緊固應用的技術

根據以上實現心盤螺栓自動緊固需要解決的問題分析，我們需要通過數據通信技術實現心盤檢修數據的讀取與傳遞，從而實現轉向架整體檢修設備網絡化、流水線式集成化控制。通過視頻識別技術實現心盤螺栓的自動識別，確保心盤螺栓的定位準確。通過機械手伺服定位技術實現心盤扳機自動移動與精確調整。通過激光測量技術在空間上實現心盤螺栓二次定位。通過伺服控制擰緊與動態扭矩測量技術，實現心盤螺栓在擰緊過程中動態測量相關扭矩數據，使得心盤螺栓的擰緊力達到工藝要求，最終實現心盤螺栓緊固工藝檢修區無人化、自動化，為實現轉向架檢修智能化奠定基礎。

5.1 數據通信技術的應用

可以充分地實現檢修數據共享，從而大幅減少檢修設備因檢修工件規格型號不同而相應增加的工件型號識別工作，降低了設備輔助檢修時間，同時可以有效地提高設備的檢修效率。有效數據通信也大幅減少設備工件識別裝置投入，降低檢修設備復雜程度，減輕設備維護成本，有利于設備檢修。本項目將設置一臺主控計算機并接入檢修車間現有的有線網絡，主控計算機通過網絡讀取待緊固心盤螺栓的轉向架數據，并根據數據對設備進行整體協調，通過內部通信網絡將讀取的數據按照需求，分別發送給圖像識別控制PLC、心盤扳機機械手控制PLC及心盤扳機控制PLC。各個控制PLC將根據收到的數據控制設備各部完成心盤螺栓緊固全過程動作，具體拓撲如圖3所示。

圖3 心盤螺栓自動扳機網絡拓撲

5.2 視頻識別與測量技術的應用

由于轉向架本身的制造和裝配也具有一定的離散性，其各部分組裝間隙與公差較大，所以在延續既有檢修模式基礎上增加心盤螺栓自動緊固裝置，定位心盤螺栓在二維平面的具體位置將變得非常困難，傳統的機械檢測與位移測量都將變得非常復雜，或者無法實現。

隨著5G與光纖通信普及，大數據、云計算的應用，視頻識別與測量技術廣泛應用為工業的檢測提供了新的思路，本項目將借鑒視頻識別與測量技術，通過視頻攝像頭拍攝的二維圖片，有效地識別心盤螺栓，并通過圖像定位技術計算出心盤螺栓距離圖片邊緣的距離，從而推算出心盤螺栓的二維坐標數據，拍攝照片如圖4所示。成像效果如圖5所示。

圖4 相機拍攝心盤螺栓

圖5 成像效果

5.3 伺服控制技術的應用

通過視頻識別與測量在二維平面內檢測到心盤螺栓的坐標位置后，如何將扭矩扳機根據心盤螺栓平面坐標數據移動到心盤螺栓正上方，則需要采用心盤扳機機械手的伺服控制技術。根據目前心盤扳機結構，本項目將采用龍門式結構，心盤螺栓扳機通過機械手懸掛在龍門橫梁上，龍門橫梁垂直橫跨轉向架檢修軌道，機械手可以通過橫梁行走實現心盤扳機X軸方向移動調整，同時機械手與心盤扳機連接處增加Y軸方向調整，從而實現扭矩扳機在平面上與心盤螺栓二維位置的重合，具體結構如圖6所示。

圖6 心盤螺栓自動緊固機坐標示意

5.4 激光測量技術的應用

通過視頻識別與測量以及伺服控制技術可以在平面上使心盤螺栓與扳機平面坐標位置重合，但是如何將心盤螺栓所在平面與心盤扳機所在平面重合，則需要采用激光測量技術。采用激光測量技術可以在兩個工件不接觸的情況下檢測兩者之間的距離，這樣就能通過控制心盤機械手的垂直下降伺服，使得心盤扳機與心盤螺栓在三維空間內重合，從而完成心盤螺栓緊固工作。具體結構如圖7所示。

圖7 心盤螺栓自動緊固機上下調整示意

5.5 伺服擰緊與動態扭矩測量技術的應用

伺服擰緊與動態扭矩測量是目前螺栓緊固通用模式，通過直接測量輸出螺栓扳頭扭矩值并實時反饋給伺服驅動器，從而達到精確控制伺服電機功率輸出，進而實現被緊固螺栓達到標準扭矩值。該控制方式為閉環控制，可以有效反映螺栓擰緊過程中的狀態，真實反映擰緊后的螺栓扭矩值是否達到工藝標準，具體結構如圖8所示。

圖8 心盤螺栓自動緊固機機械結構示意

6 結束語

本項目依據數據通信、視頻識別與測量、伺服控制、激光測量、伺服擰緊與動態扭矩測量等技術應用，可以精確定位心盤螺栓的三維空間位置，實現心盤扳機根據心盤螺栓三維控制坐標進行自動對正，并自動根據心盤螺栓檢修工藝要求緊固心盤螺栓，從而真正實現心盤螺栓緊固全過程無人化、自動化完成，繼而滿足心盤螺栓檢修工藝要求，有效提高鐵路貨車段修轉向架的檢修效率與質量。