智能铆接技术的介绍及应用

王 斌 赵祥云 刘 宇 邓 涛

(1.中国铁路北京局集团有限公司丰台车辆段 北京 100071；2.眉山中车紧固件科技有限公司 四川 眉山 620061)

1 问题的提出

拉铆连接技术是20世纪出现的一种新型机械变形连接技术。安装拉铆钉时，采用专用工具的卡瓣抓住铆钉尾部牙型进行轴向拉伸，铆枪的铁砧反向运动挤压套环，将套环金属挤入铆钉的锁紧环槽内，完成永久塑性变形连接，拉铆钉铆接过程原理如图1所示。拉铆钉具有连接强度高、疲劳和抗振性能优异等特点，从2003年开始逐步在铁路车辆上批量推广应用。目前，国内载重70 t级及以上铁路货车上已大批量运用。

图1 拉铆钉的工作原理

在铁路车辆零部件的组装过程中，时常因操作者的疏忽发生漏铆、铆接不到位等质量问题，给铁路车辆运行带来了安全隐患。为解决上述问题，保证铁路车辆运行安全，眉山中车紧固件科技有限公司研发了一种能够智能检测拉铆钉铆接质量及铆接位置的智能铆接系统，实现了铆接位置点的自动识别，铆接质量的自动判定和铆接过程数据的存储、追溯等。

2 基于图像识别和传感技术的智能铆接系统原理介绍

基于国内外智能铆接技术的现状，眉山中车紧固件科技有限公司将图像识别和传感技术相结合，提出了“以传感技术判定铆接质量、以图像识别技术确认铆接位置”的智能铆接系统。

2.1 传感技术应用原理

对于拉铆钉来说，铆接力为铆接过程中铁砧挤压套环所产生的轴向作用力，很大程度上决定了拉铆钉铆接后的力学性能，是铆接质量的影响因素之一；套环在轴向发生变形的长度即有效铆接长度，也会决定拉铆钉铆接后的力学性能，也是铆接质量的影响因素之一。因此，对于铆接质量的判断就需要对铆接过程中的铆接力和有效铆接长度进行检测。

将铆接力和有效铆接长度作为拉铆钉铆接质量的判定因子，需要在铆接设备的液压泵站出油口安装压电式压力传感器，测定进入铆接工具进油腔的油压压强，间接测量套环被铆接时的铆接力[1]。铆接力的计算公式为：

F=πp(R2-r2)

(1)

式中:F为铆接力，kN；p为进油管压强，MPa；R为油缸内侧半径，mm；r为活塞杆半径，mm。

其中，油压p与压力传感器电压U的换算关系为：

p=k1U

(2)

式中:U为压力传感器电压，V；k1为换算系数，传感器量标记压力量程除以电压标记量程。

枪体尾部安装的磁致位移传感器测定铆接过程中活塞杆的行程，即套环被铆接的行程。铆枪行程l与磁致位移传感器电流I的换算关系为：

l=k2I

(3)

式中：l为铆枪行程，mm；I为磁致位移传感器电流，mA；k2为换算系数，传感器量标记位移量程除以电流标记量程。

拉铆钉在铆接过程中可生成如图2所示的铆接曲线，铆接的有效行程L的计算为：

L=L2-L1

(4)

式中：L为铆接的有效行程，mm；L2为铆接的总行程，mm；L1为铆枪铁砧刚接触套环的行程，mm。

图2 铆接行程-铆接力曲线图

2.2 图像识别方法应用原理

铆接位置的识别，以相机得到的铆接位置图像为基础，并将待识别图像与图像库的有限特征参数进行匹配，从而达到识别铆接位置的目的[2]。计算机图像识别分为离线训练和在线识别两个步骤，识别程序系统框图如图3所示。

图3 铆接位置识别程序系统框图

2.3 智能铆接设备工作原理

利用信息化技术将上述原理应用于智能铆接设备，主要工作原理为：通过计算机实时采集铆接过程中的铆接力与有效铆接长度，依据不同规格的铆钉对应的铆接力与有效铆接长度的关系，利用一定的公差带阈值，由计算机对铆接质量进行判断，解决铆接不到位、铆接质量不良等问题，工作原理如图4所示。

图4 智能铆接系统设备工作原理图

3 智能铆接设备在铁路货车上的应用

目前在铁路货车中的前后从板连接、侧柱与底架连接、心盘连接、制动杠杆连接等关键部位均采用了拉铆连接技术，拉铆钉的铆接质量将会直接影响行车安全和运行秩序。因此，利用图像识别和传感技术实现对铁路货车关键部位铆接过程、铆接质量的智能检测，能够从源头控制铆接质量和铆接可靠性，规避人为疏忽导致的运用故障或事故，具有较高的现实意义和工程应用价值。

转向架作为铁路货车承载和运行的关键部件(见图5)，对车辆的运行安全起到至关重要的作用，因此在其关键部位主要采用拉铆钉进行连接，以保证连接可靠性。为杜绝人为原因而导致的漏铆、错铆等问题，根据上述原理开展了智能铆接系统的研制，可以实现铆接位置点的自动识别，铆接质量的自动判定，铆接数据的存储和可追溯，数据的存储形式如图6所示。

图5 转向架铆接位置点

目前该设备已在中车眉山车辆有限公司、成都北车辆段、重庆西车辆段等单位进行了运用(见图7)，有效控制了拉铆钉(销)铆接质量问题。

4 结束语

通过对国内外智能铆接技术的研究分析，研制的智能铆接设备能有效控制拉铆钉(销)漏铆、虚铆、铆接质量不良等既有质量问题，并在铁路货车转向架的新造、检修等单位得到应用，解决了现存的铆接质量检测问题。

图6 数据的存储形式

图7 智能铆接设备现场应用