軸承前蓋、后擋智能測量選配系統(tǒng)的研制
2019-11-12 來源：神華鐵路貨車運輸責(zé)任公司包頭車輛維修等 作者：秦春林 孫寶民 尹建鋒
輪軸是鐵路車輛中的重要互換部件之一，其技術(shù)狀態(tài)直接影響鐵路車輛的運行安全和速度。軸承、軸承附件與輪對的選配壓裝，其技術(shù)狀態(tài)直接影響車輛的運行安全。軸承與輪對軸徑的選配壓裝一直被作為保障安全的關(guān)鍵指標(biāo)，所以歷來受到重視，軸承選配壓裝的各種自動化設(shè)備發(fā)展比較快，目前已比較齊全，自動化程度高。但是軸承附件一直以來都沒有得到足夠的重視，然而軸承附件的選配壓裝也至關(guān)重要，后擋選配不合適，壓裝產(chǎn)生裂紋、斷裂同樣影響鐵路車輛的運行安全，但是目前還沒有一套自動系統(tǒng)能夠完成軸承附件檢修的所有工序，以及選配工作。
本文闡述研制一套系統(tǒng)完成軸承前蓋和后擋的檢修選配工作，根據(jù)《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》（鐵總運[2016]191 號）及其相關(guān)文件規(guī)定的檢修項目及選配原則，設(shè)計軸承前蓋、后擋智能測量選配系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對貨車 60 t，70 t 軸承前蓋、后擋，進行自動清洗、烘干、測量、智能分類并按規(guī)格公差存放（不合格品直接放入廢料箱） 和計算機自動化管理的智能系統(tǒng)。
1、預(yù)期目標(biāo)
（1）設(shè)計完成一套適用于鐵路貨車輪軸檢修的軸承前蓋、后擋輸送、清洗、烘干、測量、選配、存放系統(tǒng)，實現(xiàn)對軸承前蓋、后擋檢修的流水線作業(yè)。
（2）清洗、烘干、測量裝置技術(shù)滿足工藝要求，均達到行業(yè)較高水平。
（3）系統(tǒng)作業(yè)節(jié)拍≥1.6 件/min。
（4）系統(tǒng)大修周期達到 5 a，系統(tǒng)整體使用壽命≥10 a。
（5）軸承前蓋、后擋清洗、烘干、智能測量選配系統(tǒng)的設(shè)備日常檢查標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備檢修標(biāo)準(zhǔn)。
2、系統(tǒng)工藝過程及布局（圖 1）
3、系統(tǒng)主要組成及主要參數(shù)
（1）系統(tǒng)的主要組成。輸送線、清洗室、烘干室前、后擋測量機、蓋測量機、上下料機械手、機器人智能選配及存儲、存儲庫、工控機、電控柜、氣路系統(tǒng)和工作軟件。
（2） 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)。系統(tǒng)總功率：＜75 k W；電源：AC380 V/220 V±10%，50 Hz，三相五線制，保護接地；氣源種類：
圖 1 工藝流程
壓縮空氣（經(jīng)過凈化）；氣源壓力（0.35～0.7）MPa；工作壓力 0.4MPa；生產(chǎn)能力：一班（7 h）檢修 60 輛車的前蓋、后擋；生產(chǎn)形式：雙工位；系統(tǒng)作業(yè)節(jié)拍≥1.6 件/min，系統(tǒng)運行方式：連續(xù)/
間歇；系統(tǒng)運行控制方式：手動/自動；系統(tǒng)運行速度：可調(diào)。
主要部件的組成和主要技術(shù)參數(shù)
4.1 輸送線
（1）主要組成。減速機驅(qū)動裝置總成、頭部傳動總成、鏈條總成、尾部張緊裝置總成、結(jié)構(gòu)鋼支撐架總成、網(wǎng)狀托物架、電器控制總成和安全保護裝置等幾大部件構(gòu)成。
（2）輸送線的主要技術(shù)參數(shù)。
①輸送線形式：傳送帶（不銹鋼網(wǎng)鏈）結(jié)構(gòu)；立體循環(huán)形式；
②驅(qū)動形式：電機驅(qū)動；
③調(diào)速方式：變頻調(diào)速（無極調(diào)速）；
④運行方式：連續(xù)和間歇式（可切換）；通過式流水作業(yè)；
⑤運行速度：（0.1～6）m/min（可調(diào)）；
⑥傳送帶承載能力：≤250 kg/m2；
⑦輸送線長 10 000 mm、寬（500～550）mm、高700 mm；
⑧工作溫度：（-20～60）℃；
⑨工作噪聲：≤50 d B。
（3）輸送線功能。該輸送線承擔(dān)軸承前蓋、后擋進行清洗、烘干、測量作業(yè)工序的銜接和輸送物料的功能，輸送線根據(jù)軸承前蓋、后擋外形尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計為雙排雙工位（一排放置前蓋、一排放置后擋），輸送線材料選用不銹鋼，設(shè)計高度符合現(xiàn)場人工作業(yè)易上料操作，輸送線長度根據(jù)現(xiàn)場位置、工作節(jié)拍及作業(yè)量進行設(shè)計，傳輸速度及存放工位數(shù)量根據(jù)清洗、烘干及測量節(jié)拍合理配置，輸送速度范圍內(nèi)可調(diào)，輸送線設(shè)計結(jié)構(gòu)合理、故障率低，易于后期保養(yǎng)和維修。
（4）工藝過程。人工上料時采用連續(xù)模式，當(dāng)清洗機前的所有工位放滿后，輸送線自動進入間歇模式，此時系統(tǒng)開始進入清洗、烘干、測量等工作狀態(tài)；當(dāng)最后一組工件被運至測量機工位時，輸送線重新轉(zhuǎn)入連續(xù)模式，如若有人工上料，則輸送線繼續(xù)運行，否則輸送線停止工作。
4.2 清洗、烘干機
軸承前蓋和后擋清洗、烘干機是按照鐵總運[2016]191 號文件規(guī)定的清洗、烘干標(biāo)準(zhǔn)，對貨車軸承前蓋和后擋進行自動清洗、烘干的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于清洗工件表面的鐵屑、油污、廢塵等；吹干后工件表面無滴油、磕碰傷等現(xiàn)象。
清洗效率高，清洗后配件表面無殘留污漬，效果符合現(xiàn)場檢修要求，清洗機整體材料采用不銹鋼，設(shè)計污水槽、清水槽、過濾裝置及高壓水泵裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，布局緊湊，換水作業(yè)方便。
烘干裝置用于清洗完成后的烘干作業(yè)，烘干后配件徹底干燥，符合現(xiàn)場測量要求。清洗、烘干裝置的工藝節(jié)拍與測量機構(gòu)配合設(shè)計，保證流水線作業(yè)流暢。
（1）主要組成。該設(shè)備有 2 個噴淋清洗室、1 個風(fēng)干室、1 個熱風(fēng)烘干室，共 4 個工位。
（2）主要性能
①設(shè)備用途：滿足軸承前蓋、后檔清洗和烘干的要求；
②適應(yīng)范圍：新造、檢修 60 t，70 t 貨車軸承前蓋和后擋；
③清洗方式：前蓋、后擋成套，工件同時進行高壓噴淋清洗；
④清洗效果：用于清洗工件表面的鐵屑、油污和廢塵等；
⑤烘干方式：循環(huán)熱風(fēng)加常溫壓縮空氣風(fēng)刀；
⑥吹干效果：吹干后工件表面無滴油、磕碰傷等現(xiàn)象；
⑦工藝流程：人工上料→在線輸送→噴淋粗清洗→噴淋精清洗→風(fēng)泵吹干→熱風(fēng)烘干→過渡→風(fēng)泵吹勻、降溫→測量工位。
（3）設(shè)備技術(shù)參數(shù)。清洗工件：前蓋、后檔；清洗能力（產(chǎn)量）：日工作量滿足 49 臺車；生產(chǎn)節(jié)拍：≥1.6 件/min；零件通過最大高度：250 mm；設(shè)備工作時間：7 h/d；
清洗液：水劑、清洗劑、防銹劑；作業(yè)方式：流水線作業(yè)，通過式，風(fēng)源壓強（0.4～0.6）MPa；工作噪聲≤50 d B；污染環(huán)境：無；工作速度 0.5 m/min；線速度（0.1～5）m/min 可調(diào)（變頻調(diào)速）；噴淋段水壓（0.5～6）MPa，流量 10 m3/h，電機功率 4 k W；加熱功率 45 k W/380 V（交流）；設(shè)備總功率：約 65 k W；加熱功率：45 k W/380 V（交流）；總重量：約 3 t；電源電壓 AC380 V/220 V±10%，50 Hz，三相五線制，保護接地；控制方式：手動和自動可切換；指示方式：溫度指示，噴淋槽溫度顯示；過載保護：電機、泵、風(fēng)機過載；溫度異常；急停保護。液位報警：液位控制欠
液報警指示。
4、前蓋測量機
（1）主要組成部分。機架總成、測量部及定位機構(gòu)、上料機構(gòu)、下料機構(gòu)、氣路系統(tǒng)、電控部、工控機、故障診斷系統(tǒng)和工作軟件。
（2）各部分功能介紹。機架總成：測量部基礎(chǔ)、設(shè)備的基礎(chǔ)與框架；定位機構(gòu)及測量部：對前蓋進行定位并對軸頸配合面直徑和臺階高度進行測量；上料機構(gòu)：將前蓋從輸送線上，運至測量位置，完成前蓋的自動上料；下料機構(gòu)：對測量完成的前蓋下料；工控機：完成測量全過程的控制及測量數(shù)據(jù)的處理、貯存、打印輸出；電、氣控制部：設(shè)備電源、電氣控制；氣源及氣動控制；氣路系統(tǒng)：支持測量部動作；故障自診斷系統(tǒng)：在系統(tǒng)運行過程中，進行監(jiān)控，出現(xiàn)故障時，報警，自動停機。
（3）主要性能。主要功能：實現(xiàn)自動上、下料及前蓋尺寸的自動檢測，判定是否合格；
測量項目：軸頸配合面直徑，軸頸配合面臺階高度；適應(yīng)范圍：新造、檢修貨車 60 t，70 t 軸承前蓋；測量機采用開放式數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)采用 Windows2000 以上版本（以方便和其他子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)共享）；測量具體位置及標(biāo)準(zhǔn)：測量的具體位置和標(biāo)準(zhǔn)按相關(guān)規(guī)定執(zhí)行；附屬配置：測量裝置配備有自動上、下料裝置，能夠自動完成測量機的上、下料工作，實現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)的自動化。
（4）主要技術(shù)參數(shù)。節(jié)拍時間＜1 min（上、下料、測量）；電源AC 380 V/220 V±10%，50 Hz，三相五線制，保護接地；額定電流 2 A/AC 380 V，3 A/AC 220 V；功率消耗＜2 k W；氣源種類：壓縮空氣（經(jīng)過凈化）；氣源壓力（0.35～0.7）MPa；工作壓力 0.35MPa；測量精度：檢測重復(fù)精度 0.01 mm；測量精度±0.01 mm；分辨率 0.001 mm；測量方式：相對測量原理接觸式測量方式。
（5）系統(tǒng)工作原理。系統(tǒng)基本工作原理如圖 2 所示，測量工藝過程：輸送線輸送前蓋至測量機上料工位→上料機械手把前蓋抓放至測量位→各測量單元進入測量位→各測量單元進行測量取值→測量結(jié)束各測量單元復(fù)位→保存測量數(shù)據(jù)并分析測量結(jié)果→下料機械手下料。
（6）參數(shù)的測量方法。本測量系統(tǒng)采用的是相對測量原理，采用接觸式測量方式。全部測量及動作過程均由計算機自動控制，自動完成。
4.4 后擋測量機
該系統(tǒng)可提高軸承后擋檢測的精度、選配可靠性、穩(wěn)定性及可追溯性；配合鐵路車輛計算機網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)，為保障鐵路車輛的運行安全，提供了快捷、準(zhǔn)確、可靠的手段；可與HMIS 聯(lián)網(wǎng)，并可與上下位機聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)共享。
圖 2 系統(tǒng)基本工作原理
（1）主要組成部分。機架總成、測量部 1、定位機構(gòu)及測量部2、上料機構(gòu)、下料機構(gòu)、氣路系統(tǒng)、電控部、工控機、故障診斷系統(tǒng)和工作軟件。
（2）各部分功能介紹。機架總成：測量部基礎(chǔ)、設(shè)備的基礎(chǔ)與框架；測量部 1：對密封座配合面及臺階高度等部分進行測量；定位機構(gòu)及測量部 2：對后擋進行定位并對防塵板座配合面直徑進行測量；上料機構(gòu)：將后擋從輸送線上，運至測量位置，完成后擋的自動上料；下料機構(gòu)：對測量完成的后擋下料；工控機：完成測量全過程的控制及測量數(shù)據(jù)的處理、貯存、打印輸出。電、氣控制部：設(shè)備電源、電氣控制；氣源及氣動控制；氣路系統(tǒng)：支持測量部動作；故障自診斷系統(tǒng)：在系統(tǒng)運行過程中，進行監(jiān)控，出現(xiàn)故障時，報警，自動停機；
（3）主要性能。主要功能：實現(xiàn)自動上、下料及后擋尺寸的檢測，判定是否合格；測量項目：防塵板座配合面直徑，密封座配合面直徑，端面高度、槽深度，后擋翹曲度；適應(yīng)范圍：新造、檢修貨車 60 t，70 t 軸承后擋；測量機采用開放式數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)采用Windows2000 以上版本 （以方便和其他子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)共享）；測量具體位置及標(biāo)準(zhǔn)：測量的具體位置和標(biāo)準(zhǔn)按相關(guān)規(guī)定執(zhí)行；附屬配：測量裝置配備有自動上、下料裝置，能夠自動完成測量機的上、下料工作，實現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)的自動化；
（4）主要技術(shù)參數(shù)。節(jié)拍時間：＜1 min（上、下料、測量）；電源電壓：AC 380 V/220 V±10%，50 Hz，三相五線制，保護接地；額定電流：2 A/AC 380 V，3 A/AC 220 V；功率消耗＜2 k W；氣源種類：壓縮空氣（經(jīng)過凈化）；氣源壓力（0.35～0.7）MPa；工作壓力 0.35 MPa；測量精度：檢測重復(fù)精度 0.01 mm；測量精度±0.01 mm；分辨率：0.001 mm；測量方式：相對測量原理接觸式測量方式。
（5）系統(tǒng)工作原理。系統(tǒng)基本工作原理如圖 3 所示，測量工藝過程：輸送線輸送后擋至測量機上料工位→上料機械手把后擋抓取放至測量位→定位機構(gòu)對后擋進行夾緊定位→測量裝部1 下降到位→測量部 1，2 各測量單元同時對后擋測量取值→測量結(jié)束各測量單元復(fù)位→保存測量數(shù)據(jù)并分析測量結(jié)果→下料機構(gòu)下料。
圖 3 系統(tǒng)基本工作原理
（6）參數(shù)的測量方法。本測量系統(tǒng)采用的是相對測量原理，采用接觸式測量。全部測量及動作過程均由計算機自動控制，自動完成。
4.5 機器人智能分類存儲系統(tǒng)
分類存儲系統(tǒng)用于軸承前蓋、后擋的智能分類，免去人工選配工作，為后續(xù)軸承壓裝工位服務(wù)。軸承前蓋、后擋尺寸經(jīng)測量機檢測完成后，測量機自動判別合格與否并判定品種和降級規(guī)格，由機器人接受測量機傳輸?shù)那吧w、后檔數(shù)據(jù)進行分類，不合格品放置于不合格品區(qū)域，同時對合格的后擋要實現(xiàn)按公差帶范圍和類別分別存放在各自的運料小車上，10 個為一份，每輛小車可存放 8 份，計 80 件工件。測量機測量結(jié)果并與現(xiàn)有HMIS 系統(tǒng)資源共享、與現(xiàn)有軸承壓裝機實現(xiàn)軸承前蓋、后擋的智能分類功能。
（1）機器人主要功能。對測量機傳輸來的前蓋、后擋數(shù)據(jù)進行分析和執(zhí)行，根據(jù)前、后擋選配原則進行分類存放，實現(xiàn)從檢測工位拿取工件、旋轉(zhuǎn)、移動將合格品放置在指定的位置。
（2）機器人技術(shù)參數(shù)。軸數(shù)：3 軸；重復(fù)定位進度±0.1 mm；腕部連接法蘭：ISO 9409-1-A100；抓取重量 8 kg；防護等級：IP65/IP67；運動范圍 1300 mm（最大前后跨度）；電源頻率（50～60）Hz（±2 Hz）；電器容量 12 k V·A；工作環(huán)境溫度（+5～+45）℃；環(huán)境溫升要求 1.5 ℃/min。
（3）完成一個工件單個循環(huán)節(jié)拍 20.5 s。
（4）機器人自動化分類方案。設(shè)備通信：工件檢測機跟機器人交互作業(yè)時，工件檢測機提供呼叫、完成兩組信號；工件檢測機檢測完畢呼叫機器人抓取零件，以及機器人抓取完成退到安全區(qū)后給工件檢測機完成信號；工件類型、選配相關(guān)數(shù)據(jù)由檢測機判斷比較完成，機器人只接收，分類好的產(chǎn)品編碼。例如：當(dāng)前檢測一個零件，檢測完成后，檢測機告訴機器人，這個零件是前蓋或后擋的原型或降幾級。
5、結(jié)束語
該系統(tǒng)可提高軸承前蓋、后擋檢測的精度、選配可靠性、穩(wěn)定性及可追溯性并且提高勞動生產(chǎn)率、降低工人勞動強度、改善了作業(yè)環(huán)境；配合鐵路車輛計算機網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)，為保障鐵路車輛的運行安全，提供了快捷、準(zhǔn)確、可靠的手段；可與 HMIS（Hmanagement Information System，鐵路貨車技術(shù)管理信息系統(tǒng)）聯(lián)網(wǎng)，并可與上下位機聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)共享。
該系統(tǒng)在鐵路車輛檢修中具有創(chuàng)新性。測量使用先進、成熟的測量技術(shù)；選配和存放使用工業(yè)智能機器人，效率高、穩(wěn)定可靠。配合鐵路系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理、減員增效保障鐵路車輛的安全運行具有重要的現(xiàn)實意義。
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