中车齐齐哈尔车辆有限公司 161002
摘要：在铁路车轴加工过程中为了快速平稳在各个工序之间进行流转，减少设备操作人员辅助移动与转动车轴工作，便于设备操作人员专注完成车轴加工设备的控制与监视工作。为此研制车轴加工自动化机械手设备，使得在车轴加工过程中依据车轴的加工信息实现车轴在各个工序之间平稳输送，将目前现有的工位及自动化加工设备联网控制，实现车轴加工流水式作业模式，从而减轻操作工人的劳动强度，提高设备的加工效率与车轴加工质量。
关键词：机械手；车轴；智能运输
引言：研制一款自动化车轴上下料机械手设备，实现在车轴加工过程中，在各个加工工序自动输送的流水线式联网作业，极大的解决人工输送与转动等工作，保证加工设备操控人员专注操作加工设备，大幅提高车轴加工质量。
车轮、车轴是货车车辆走行部分最重要的部件，不仅承受了车辆的自重和载重，还有车辆运行及制动时的冲击振动负荷、弯扭负荷，车轴加工质量直接决定了车辆运行的安全,解决国内外铁路建设对车辆日益增长的需求及稳定运行的要求。
目前在车轴加工过程中需要人工在各个加工设备之间进行移动或转动，使其到达各个车轴加工设备，完成车轴的各工序的加工。由于车轴体积与重量都相对较大，在各工序之间移动与转动非常缓慢，这种车轴人工移动已经成为制约铁路车辆车轴加工工作效率的瓶颈。
随着铁路运输的快速发展与铁路车辆车轴加工的进步，铁路车辆车轴的加工工作量也将呈现逐年递增的趋势。伴随着车轴加工工艺的更加细化与铁路车辆车轴加工车间环境的改善，生产需求日益上升，必将造成大批量、高频率车轴运输工作过程，进而使得在加工过程中车轴的运输工作占用了大量的人员来完成，也因此浪费了大量的人力与物力，并且与加工厂推行的无人作业，有人值守的加工模式极为不符，严重制约了铁路车轴加工过程中新技术、新工艺实施。
本公司研制一款车轴加工自动化机械手设备，该设备可实现全自动连续上、下料功能，同时还具备操作者触发按钮操控执行上料、下料的功能。机械手可实现在连续工作过程中随时停止，随时启动。机械手升降及行走速度能够满足数控车床的自动上、下料，自动转轴，自动由上料架取轴以及自动下料至车轴缓存轴架。同时，车轴机械车能满足国铁轴，出口轴（轴身变径轴），宽轨、米轨等各类车轴自由抓取。
第一，半光轴加工。检查人员需按照半光轴的加工工艺要求对图纸进行检查，使用专业的量具开展抽检工作，明确是否出现了半光轴的超声波穿透探伤问题。
第二，半精车辆加工。车辆轮轴在粗加工后会出现表面余量误差较大的问题，为了保证精加工时有稳定的加工余量，实现最终产品的统一性，会安排半精加工。要合理选择量具，保证加工产品的精度控制。
第三，车辆轴端三孔加工。在轴端三孔的加工过程中，需严格检查，一旦发现质量问题要及时汇报并处理。然后使用专业化的组合机床进行工件的加工处理，并使用专业化的量具开展自检等工作。
第四，精加工车轴。精加工时应使用数控机床进行处理，记录数据内容，形成科学合理的管理模式。同时，在使用成型磨削加工方式时，应协调轮座磨削加工工艺之间的关系，保证整体轮轴的加工质量符合标准要求。
图1 车轴加工工艺流程
根据以上加工设备现状与加工工艺，车轴加工在如下问题：
1、需要人工在各个工序之间传输车轴；
2、设备运行缺少数字化，数据需要人员手动录入或者通过软件操作从HMIS数据库提取，HMIS上报数据也需要操作人员介入；
3、设备运行缺少智能化，设备运转情况需要智能化程序实时监控，达到无人值守自动移动或转动车轴；
4、设备无法兼容多种车轴，由于在车轴加工过程中为多种毛坯轴，车轴尺寸会存在偏差，需要机械手能自动感应径向与轴向的余量，能够自适应偏差；
5、操作人员在设备运行时需要对车轴加工过程进行全程盯控，此时如果该加工工位的上料位没有车轴，则操需要作者兼顾该工位的车轴上料排序工作，从而影响操作者对设备加工过程的盯控，时常出现设备停止运转等待操作指令现象，直接影响车轴的加工质量；
6、设备生产调度全部由人工协调，如果遇到特殊情况，处理困难，无法实现动态协调设备生产，检修效率低下；
研制智能化车轴机械手设备，将既有车轴加工工序链接在一起，实现车轴作业统一调度，加工数据自动流转，加工车轴自动在各工序之间传输，减少车轴在各加工设备之间传输的员工数量，使既有车轴加工作业的单机单人方式转变成加工工位由专业人员统一监控，同时辅助人员流动巡查的加工方式，从而实现由人控转变成机控，由人工单一协调变为加工线统一调度，保证车轴的加工质量以及加工效率。进而大幅度减少设备操作人员数量，降低加工人员的劳动强度，实现轮对加工智能化，加工区域无人作业，有人值守的作业方式，具体目标如下：
1)设备自动读取加工信息；
2)实现在各工序之间智能化自动化输送；
3)使整条生产线正常工作全线联动；
4)实时智能化监控车轴运输情况；
5)实现兼容多种车轴自动运输；
设备采用西门子1200型规格PLC控制系统，并且带有PROFINET通讯接口，完成生产线通讯。伺服电机该采用西门子V90PN系列规格的伺服电机。设备控制系统安装有隔离变压器，避免供电电网谐波干扰可能带来的运行影响。防止触电，保证用电安全。初级与次级加屏蔽线，有效过滤二、三级谐波干扰。利用其铁芯的高频率损耗大的特点，从而抑制高频杂波传入控制回路，防止信息干扰。初级与次级隔离，可将零地电压降到0.3V以下。采用耐高温漆包线，耐温可达180°C绝缘性好且不易老化，进一步提升机器寿命。DMD绝缘纸优良的电气性能，使能承受3500V耐压测试，确保产品更安全。电控系统能够实现手动和自动控制两种功能，具备定位的控制功能，根据不同车轴机械手进行精准定位控制功能。同时还可以通过操作者手动触发按钮操控执行上料、下料、车轴调头的功能。机械手可实现在连续工作过程中随时停止，随时启动。
由于目前车轴的运输状态是采用人工将车轴在各工序之间进行移动的加工模式，如何在增加机械手移动车轴的方式的同时不改变现有的加工模式，使机械手在各加工设备之间传输平稳，同时确保设备出现问题不影响检修生产、减少工人劳动强度，杜绝加工危险将成为本次机械设计的基础，最终实现车轴运输智能化加工区域无人作业，有人值守的新型加工作业方式。
6.1.车轴机械手结构设计
机械手可实现全自动连续上、下料功能，同时还具备操作者触发按钮操控制行上料、下料的功能，随时停止，随时启动。车轴机械车能满足国铁轴，出口轴，宽轨、米轨等各类车轴自由抓取。
该机械手主要由横向走行机构、升降机构、回转机构、夹爪机构、轨道及控制系统等部分组成。该机械手具有X轴（纵向）移动、Y轴（横向）移动、Z轴（垂向）移动、W轴（回转）和夹紧等动作。机械手X轴、Y轴、Z轴、W轴均采用伺服电机驱动，通过齿轮齿条传动，可以准确的控制位置，能够根据系统指令执行不同动作，进行设备上下料、调头、输送。机械手Z轴（垂向）有4个缓冲器具有缓冲功能，能够防止挤压机床和车轴步进输送装置。
滑座是机械手水平方向的走行部件，同时又是垂向滑枕升降的基座。滑座上安装有X向走行的伺服电机和直线滚动导轨的滑块，由伺服电机驱动，通过齿轮齿条实现车轴机械手X向走行运动。滑座采用钢板焊接的结构，经过热处理消除应力，具有良好的刚性和稳定性。滑枕是机械手垂向升降的部件，采用矩形钢管焊接结构，经过热处理消除应力，具有良好的刚性和稳定性。滑枕上安装有垂向升降的滚珠丝杠和伺服电机，在下部安装一回转机构的驱动伺服电机和车轴夹紧装置，升降机构具有自锁功能，防止坠落。机械手的回转采用伺服电机直连式结构，回转角度可以达到±180º，可以在该范围内调整。
车轴夹紧采用伺服电机控制，能够控制夹紧程度，在给车床顶尖送轴时以保证车轴在径向和轴向具有适当的窜动量，能够自适应定位偏差，可以满足无人值守状态下的自动上下料。机械手夹爪具有自定心功能，在夹紧车轴轴身时能够自动定心，与轴身尺寸无关，能够自动适应不同型号的车轴，保证车轴的中心线的一致性。机械手的垂向和夹紧具有自锁功能，能够避免车轴坠落，安全可靠。
机械手的特点：
1、结构紧凑，空间占用小。
2、走行速度高，工作效率高。
3、抓取装置具有缓冲功能，避免产生冲击。
4、安装较简单，不影响天车的作业。
5、维修调整方便。
6、升降和夹紧具有自锁功能，可以防止车轴坠落。
图2 车轴机械手三维
6.2.设备的动力系统与传动设计
在车轴运输时，机械手X轴（纵向）、Y轴（横向）、Z轴（垂向）、W轴（旋转）均采用伺服电机驱动，车轴机械手动力方式与传动形式如表1。
表1车 轴机械手主要参数
序号 | 技术参数名称 | 动力方式及传动形式 |
1 | X轴（纵向） | 硬轨、伺服电机、齿轮齿条 |
2 | Y轴（横向） | 直线导轨、伺服电机、滚动丝杠 |
3 | Z轴(垂向) | 直线导轨、伺服电机、齿轮齿条 |
4 | W轴（旋转） | 伺服电机 |
5 | Y轴行程 | ≤100mm |
6 | X、Y、Z、W轴安全制动方式 | 伺服电机抱闸、电磁制动 |
7 | 机械手运行速度 | ≤平移速度60m/min；升降速度30m/min |
机械手采用西门子伺服电机和控制系统，能够与设备及调度系统进行通讯，具有完善的安全防护措施，实现与设备的互锁联动，形成自动化生产线。
电控系统能够实现手动和自动控制两种功能，具备定位的控制功能，根据不同车轴机械手进行精准定位控制功能。设备具有监控扭矩报警、伺服位置偏差报警等功能。控制系统由PLC+伺服+扭矩监控组成。
既有轴线改造以及设备与机械手信号对接：机械手给车床上下料通信方式为I/O点信号对接，完成数控车床卡盘自动卡紧松开功能，尾座具有自动前进后退功能。
同时还可以通过操作者手动触发按钮操控执行上料、下料、车轴调头的功能。机械手可实现在连续工作过程中随时停止，随时启动。
信息化系统：生产线安装信息化管理系统，实现生产计划、产量的自动统计；设备状态、安全防护的自动监控；以及产品质量的自动采集记录等。生产线安装信息化管理系统系统功能介绍：生产计划执行过程透明化：生产制造过程中追踪与控制，实现了生产过程中计划执行过程的透明化。
1)环境温度要求-10℃～40℃，湿度应为40～75％
2)机械手运行速度：平移速度60m/min；升降速度30m/min；
3)电源：3相、380V，电源波动±15%范围内，电源频率：50Hz；
4)工作气源压力：小于0.4MP；
5)易损件使用寿命：大于10万次；
6)控制方式：联网控制
车轴机械手设备实现铁路货车车轴的加工模式变成流水线式联网作业，极大解决了人工移动或转动车轮劳动强度大，保证加工设备操控人员专注操作加工设备，提高车轴加工质量。智能车轴机械手设备实现了车轴的智能输送、定位、转向，使其具有智能存储功能，智能调转车轴，根据数据合理安排车轴存储、移动、转向的方案，实现车轴加工的最优。其简单的结构设计降低设备的维护成本与维护工作量，提高铁路货车车轮加工厂加工率与质量，确保行车安全。
参考文献：
[1]铁总运[2016]191号《铁路货车轮轴组装检修及管理规则》
[2]铁货车[2021]34号《铁路货车段修规程》
[3]董艺.单片机与PLC的区别及其对控制系统设计方案选择的影响
[4]陆秀令.在设备改造中PLC梯形图的设计方法及注意事项[J].工业仪表与自动化装置,2004,(3).
[5]刘必升.PLC通信技术研究[J].山西电子技术,2002,(5).
[6]张智杰,刁勇.PLC控制系统设计[J].世界仪表与自动化,2003,007(1).
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