輪裝制動盤組裝用機器人系統研發

李 濤，鄧景山，陸 超，肖 強

（1.廣州鐵路職業技術學院 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不僅可以實現對制動盤螺栓的擰緊操作和扭矩校核，還可以實現貼碼、讀碼的操作，實現對制動盤的信息跟蹤。

1 技術特點

輪裝制動盤組裝用機器人系統技術特點如下：

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

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

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

2 技術參數

動車組制動盤螺栓扭矩校驗用機器人主要技術參數見表1。

表1 性能參數表

3 結構設計

輪裝制動盤螺栓組裝用機器人系統（圖1）主要包括：工業機器人裝置、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

3.1 工業機器人裝置

工業機器人裝置主要包含：工業機器人、機器人底座、機器人管線包和機器人法蘭等[8]。工業機器人控制軸數為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可調，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，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。

本系統采用以Windows系統PC端作為操作系統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。通過數據輸入、采集及存儲軟件，實現高度智能化，軟件界面友好，易于安裝、配置和管理。

3.4 組裝作業裝置

組裝作業裝置主要由作業臺底座、旋轉基座、升降基座、調整平臺、頂升平臺和定位機構等組成，如圖4所示。其主要功能是輔助人工的預組裝作業。工人通過天車先將下制動盤搬運至組裝作業臺的頂端，隨后通過桁架將車輪搬運至定位機構上，此時氣缸處在伸出的狀態，通過頂升平臺、旋轉基座、定位機構頂住車輪上升，保證車輪與下制動盤之間有10 mm的空隙，旋轉基座可以繞軸承旋轉，旋轉基座帶動車輪轉動，此時，轉動車輪，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，提高了對孔、安裝螺栓等工作的生產效率。

圖4 甘蔗質心位移變化曲線

圖4 組裝作業裝置

3.5 總控裝置

總控裝置主要由觸摸屏和總控機柜等組成。總控機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、貼碼等作業內容。觸摸屏由人機界面完成系統的設定、調整、監視等功能。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，根據系統里預設好的扭力值對螺栓進行擰緊作業。擰緊軸上安裝螺栓套筒，用于擰緊螺栓作業，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成一個閉環控制，能夠準確無誤的控制輸出力矩、角度、圈數等參數。

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°。將伺服控制系統集成到擰緊軸上，大幅度減小了控制器體積及主電纜數量，采用適合螺栓緊固特性的伺服馬達，實現高精度控制，能夠調整輸出扭矩、角度、旋轉方向等條件[12]，可以根據螺栓材質、位置等切換各緊固點的條件進行多組個別設定。智能監視擰緊過程結果，實時執行診斷，可通過編程實現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據庫中，以二維碼作為索引字段與數據庫關聯，從而實現追溯性。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的數據庫內，通過二維碼能夠把數據庫內與之對應的信息調用出來。新生成一個二維碼就相當于在數據庫內新建一個“檔案”，所有與該輪盤相關的信息都會儲存在這個“檔案”內。通過專業的算法，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據。

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。

系統在運行過程中，機器人的動作速度高、范圍大，經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。機器人自動作業期間，所有設備門保證關閉。

作業時，開啟系統電源開關，此時系統處于預備狀態，系統在工作現場配備緊急按鈕，以便在緊急情況下停止機器人的工作，當系統按下緊急停止按鈕或機器防護裝置打開時，系統立即報警并切斷動作部分的控制電源；根據安全標準的要求，執行機構具有防止二次傷害的功能，也就是在系統停止的時候，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才會恢復工作過程或將機器人設備恢復到原位。

人工操作系統時，釋放所有急停按鈕，關閉所有設備門，確保不會對操作人員造成安全影響，在以下情況系統無法啟動：機器人不在原位；機器人未協調好；設備門未完全關閉。

啟動系統，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。

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

4 信息化系統

通過視覺識別讀碼技術的支持，快速識別二維碼上的數據信息，從而實現了輪盤在組裝作業中相關信息的可追溯性控制，包括生產跟蹤和檢查記錄。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記錄。查詢時，掃描二維碼就可以在數據庫內調出所有與該輪盤相關的信息。信息化系統架構如圖5所示。

圖5 撥桿端點位移變化曲線

圖5 信息化系統架構

5 作業流程及效果

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臺，車輪輪緣側朝上。

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

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

（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。

（9）賦碼裝置根據系統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+螺栓擰緊機作業模式下完成一個輪盤組裝的時間為23 min，機器人作業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，機器人作業比人工作業效率高28%，比人工+螺栓擰緊機作業效率高7%。

6 結束語

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