智能化车轴传输线的研制

孟凡义

(中车齐齐哈尔车辆有限公司 黑龙江 齐齐哈尔 161002 )

为满足铁路货车新制车轴生产线的传输需求，中车齐齐哈尔车辆有限公司研发了智能化车轴传输线(见图1)。智能化车轴传输线是按照车轴粗、精加工工艺要求，应用光、机、电、液一体化先进技术进行车轴传输的创新设计。合理的工艺方案布局和巧妙的创新结构，使传输线呈现出种类多样化发展趋势，机械手高精度、控制系统的高可靠性和智能信息化大数据系统的应用，是其达到智能化的重要标志。

图1 智能化车轴传输线

1 车轴传输线的技术要求

(1)适用类型：适应铁路货车RF2型、RD2型、RE2A型和RE2B型车轴传输的要求。

(2)传输路径：满足在地面下、地面上和车轴机械手传输路径要求。

(3)传输精度：满足传输精度，即加工机床上、下料精度为0.2 mm的要求。

(4)智能传输：满足根据各加工机床的工作状态，进行自动上料和下料的要求。

2 车轴传输线的传输模式设计

应用半光车轴上轴料架，完成车轴排序；应用地下输送小车，完成车轴由粗加工区到精加工区的转运；应用多轴料架完成存储车轴和车轴对中定位；应用机械手完成车轴在料架与加工机床的传输。

2.1 半光车轴传输

半光车轴传输用于对粗加工后的一批车轴排序后，逐一进行传输。如图2所示，半光车轴上轴料装置由料架、摆轴机构、风缸停位机构、油缸送轴机构、一次对中和二次对中组成。工作原理是摆轴机构在一次对中后释放单个车轴；车轴利用斜坡轨道，靠自重传输；车轴滚动到油缸送轴机构的原始位时，由风缸停位机构上升使车轴固定；车轴二次对中后，风缸停位机构下降，油缸送轴机构前进，将车轴送至固定位。其优点是利用滚动方式传输车轴，节省了传输线的动能。

1—料架；2—车轴；3—一次对中；4—摆轴机构；5—油缸送轴机构；6—直线导轨；7—二次对中；8—风缸停位机构。图2 半光车轴上轴料装置

2.2 地面下车轴传输

传输线与安全道交叉时，可选择高空传输或地下传输，高空传输会影响天车的工作，一般选择地下传输。地下车轴输送小车由铰接架、油缸、运行减速机、液压站和小车组成(见图3)。工作原理是车轴在铰接架上，油缸驱动铰接架升降，运行减速机驱动小车运动。其优点是利用地下车轴输送小车传输车轴，保障了地面上车辆行人的安全。

1—小车；2—液压站；3—铰接架；4—油缸；5—车轴；6—运行减速机。图3 地面下车轴输送小车

2.3 地面上车轴传输

车轴加工工序之间，存在地上车轴传输，其具有存储和传输功能。如图4所示，地上车轴传输装置由链轮、链条、支架、减速机、对中机构和升降机构组成。工作原理是机械手将车轴放在链条的V型尼龙块上；减速机驱动链轮转动，链轮驱动链条直线运动；升降机构将车轴托起；对中机构将车轴对中。其优点是利用对中机构和升降机构，将传输线上的车轴固定在唯一位置，实现车轴的低精度传输和高精度定位功能，为机械手下一步的抓取提供准确位置。

1—对中机构；2—支架；3—链条；4—链轮；5—升降机构； 6—车轴；7—减速机。图4 地上车轴传输装置

2.4 机械手的车轴传输

采用机械手进行加工机床的车轴上下料，空间布局是机械手跨越加工机床。车轴机械手具有X向、Y向、Z向运动功能，转动角度功能和夹轴功能，运动过程中可以加速和减速，如图5所示。工作原理是直线运动以伺服电机为动力，以高精度齿轮与齿条为传动；旋转运动以伺服电机为动力，以高精度齿轮为传动；应用弹簧阻尼式重载缓冲器，实现机械手抓、落车轴的缓冲功能，其主要技术参数如下：机械手额定载荷，800 kg；升降速度，24 m/min；走行速度，0～60 m/min；旋转速度，5 r/min；旋转角度，±180°；夹紧/松开时间，3 s；升降/走行定位精度，±0.2 mm。

图5 车轴机械手

3 创新设计中的关键点

3.1 机械手

当机械手中心与车轴中心不重合时，抓取瞬间产生偏力，引起机械手变形后，其精度降低。创新点是2个抓爪与轴接触处有感应信号，同时感应时满足抓取条件；用1个电机驱动抓爪的闭合，靠丝杆丝母的机械自锁，保证抓爪能抓紧车轴。

3.2 机械臂

机械臂负责车轴的Z向运动，采用齿轮与齿条机构传动，若齿轮发生疲劳断裂，会引起失控，发生车轴砸向机床事故。创新点是机械臂上并联安全齿轮，安全齿轮与失电制动器连接，检测到速度异常或断电故障，失电制动器工作，阻止安全齿轮转动，机械臂停止动作，增加了安全性。

3.3 润滑齿轮

应用毛毡材料制作润滑齿轮，铜粉烧结套制作存油腔，采用无动力伴随啮合齿条的方式完成润滑。创新点是有效供应润滑油，润滑泵将润滑油通过轴的进油口注入存油腔；在润滑齿轮转动的过程中，润滑油在离心力的作用下，通过铜粉烧结套的微小口渗透到毛毡齿轮；齿型毛毡将润滑油均匀地涂到齿条表面。

3.4 控制精度

优化传输变频器的控制方式，提高速度控制精度和速度设定精度。创新点是电源与驱动器输入之间串联交流电抗器，使整流阻抗增大以有效抑制高次谐波电流，提高输入电源的功率因数，通过抑制谐波电流，使进线电流波形稳定，提高速度控制精度。

3.5 系统跟踪

上位机软件采用西门子监控组态软件WINCC，监视整个生产线的运行状态，实现操作人员的操作及监视；PLC程序采用STEP7软件的LAD通用语言进行编程，可以快速诊断故障。创新点是以模拟动画的形式(见图6)，在屏幕上显示机械手，与实际机械手同步运行，实时更新机械手运行速度、位置，智能提示车轴数量、位置及机床加工状态等数据信息。

图6 模拟动画界面

4 智能信息化大数据系统的功能扩展

智能信息化大数据系统具有开放式信息共享平台，可以实现数据信息的高效传递。具有数据信息的自动判别功能，可以精确定位车轴，并与机床开闭门机构形成互锁。具有人机结合动态调整功能，实现了智能组织的自动化生产。

智能信息化大数据系统有ETHERNET接口，采用TCP/IP通信协议，实现与信息系统的网络连通和数据交换。信息包括原始生产数据的录入、生产资源的调度、生产数据的管理、后续生产调度自学习的完善及生产大数据的统计和分析。已加工完成的信息、设备状态信息等可以提供给工厂级的信息管理系统，供其读取。

智能信息化大数据系统具有备料提醒、人员劳效分析追踪、设备状态分析反馈等功能，以便用户及时调整生产安排。各个子系统既承担与相应区域及生产线的控制，又负责与服务器主系统进行网络通讯，实时显示使用车间传输线使用状态，完成生产信息的共享，同时接收智能信息化大系统的生产任务安排，实现无纸化作业。

5 使用效果

经过实际运用验证，智能化车轴传输线满足铁路货车RF2型、RD2型、RE2A型和RE2B型车轴的传输，传输过程性能稳定，机械手抓取车轴精度高。建立的全自动化、全工艺流程作业及实时数据采集控制，不仅减少了作业等待时间，生产效率提高了30%，而且能够监控设备零部件的维修时间点，提前处理可能发生的故障，缩短维修时间，实现了制造车轴自动化技术水平的全面提升。 □