李卓

摘 要：輪對(duì)探傷機(jī)器人是利用機(jī)器人技術(shù)解決動(dòng)車(chē)組一級(jí)修輪對(duì)缺陷的檢測(cè)問(wèn)題。采用先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)、超聲波探傷技術(shù)，進(jìn)行輪對(duì)探傷機(jī)器人系統(tǒng)的建設(shè)。完成了動(dòng)車(chē)組在不落輪的條件下對(duì)輪對(duì)踏面缺陷及輪輞裂紋的一級(jí)修檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)了輪對(duì)缺陷檢測(cè)的自動(dòng)化、智能化，以機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工檢查及設(shè)備檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)輪對(duì)缺陷傳統(tǒng)檢測(cè)方式的變革。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;超聲波探傷;輪對(duì)檢測(cè)

Abstract：As important parts of the EMU，the operational status of the wheelset has a significant impact on the driving safety of the EMU.With an increasing number of the running EMUs and the continuous improvement of the running speed of the EMU，the defects detection of the wheelset becomes more and more important.In this paper，research is conducted on the combination of the defects detection of the EMUs wheelset and robot technology，robot technology and ultrasonic inspection technology are used to discuss the design and application of flaw detection robots in the inspection of the first-level repair of the wheelset of the EMU，the defects detection of the tread surface and the rim of the wheelset are carried out in the case of non-falling wheelset.By adopting the method of combining robot and ultrasonic flaw detection equipment，the system combines robot technology and ultrasonic inspection technology and uses sensor technology to achieve intelligent positioning and complete the detection of the defects of the tread surface and the rim cracks in the case of non-falling wheelset.

Key words：Wheelset inspection;robot;ultrasonic inspection

輪對(duì)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)檢測(cè)內(nèi)容主要是針對(duì)動(dòng)車(chē)組一級(jí)修輪對(duì)進(jìn)行檢測(cè)，包括對(duì)踏面缺陷、輪輞裂紋檢測(cè)，其重點(diǎn)是檢查踏面表面（近表面）缺陷。

目前動(dòng)車(chē)組輪對(duì)檢測(cè)的檢測(cè)存在的問(wèn)題有：（1）輪對(duì)檢測(cè)設(shè)備分散在各個(gè)檢修規(guī)程中，存在分散、孤立的情況，在一級(jí)修沒(méi)有專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)手段;（2）二級(jí)修固定式輪輞輪輻探傷設(shè)備檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致動(dòng)車(chē)組在庫(kù)內(nèi)滯留過(guò)久;（3）現(xiàn)有動(dòng)車(chē)組故障檢測(cè)機(jī)器人采用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行故障判斷，無(wú)法完成部件結(jié)構(gòu)內(nèi)部故障的檢測(cè);（4）傳統(tǒng)探傷設(shè)備探傷過(guò)程需要拆卸撒砂管、添加磁粉等部件或材料，檢修效率低。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文對(duì)輪對(duì)探傷機(jī)器人設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提出在機(jī)器人的基礎(chǔ)上加裝超聲波探傷機(jī)等設(shè)備，完成在一級(jí)修機(jī)器人檢測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)對(duì)輪對(duì)缺陷的檢測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

探傷機(jī)器人系統(tǒng)是人工智能正在快速發(fā)展的一個(gè)分支。輪對(duì)探傷機(jī)器人主要安裝在動(dòng)車(chē)段、所檢修庫(kù)軌道橋下的檢修溝內(nèi)，按照輪對(duì)檢修任務(wù)進(jìn)行自動(dòng)輪對(duì)定位、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。探傷作業(yè)系統(tǒng)通過(guò)PLC控制器下發(fā)任務(wù)，控制探傷機(jī)器人作業(yè)啟停、并通過(guò)超聲波探傷設(shè)備實(shí)時(shí)獲取輪對(duì)缺陷的檢測(cè)信息，并進(jìn)行分析、識(shí)別、報(bào)警，將產(chǎn)生的缺陷信息進(jìn)行分類(lèi)，在管理終端進(jìn)行輪對(duì)缺陷信息的報(bào)警、展示。

輪對(duì)探傷機(jī)器人系統(tǒng)。總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示：

（1）機(jī)器人子系統(tǒng)。機(jī)器人子系統(tǒng)是利用機(jī)器人自動(dòng)控制技術(shù)及PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器臂、超聲波探傷機(jī)、傳感器等設(shè)備的開(kāi)啟、運(yùn)行、定位、復(fù)位等指定操作的載體，是完成輪對(duì)信息檢測(cè)、采集、傳輸、顯示、存儲(chǔ)的底層硬件設(shè)備。

（2）探傷作業(yè)分析子系統(tǒng)。探傷作業(yè)分析子系統(tǒng)是將采集回傳的輪對(duì)超聲波信息進(jìn)行處理、分析、判斷、報(bào)警的超聲波缺陷分析系統(tǒng)。

（3）管理平臺(tái)。管理平臺(tái)是對(duì)機(jī)器人子系統(tǒng)、探傷作業(yè)分析子系統(tǒng)進(jìn)行管理、配置、調(diào)試、狀態(tài)及故障查詢(xún)、輪對(duì)探傷的作業(yè)和報(bào)警處置的軟件管理平臺(tái)。

1.2 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

在收到檢測(cè)任務(wù)后，啟動(dòng)機(jī)器人，自動(dòng)開(kāi)始對(duì)動(dòng)車(chē)組每個(gè)輪對(duì)進(jìn)行定位，并進(jìn)行逐一檢測(cè)，收集輪對(duì)檢測(cè)信息，實(shí)時(shí)將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式上傳給上位機(jī)探傷作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，發(fā)現(xiàn)輪對(duì)缺陷自動(dòng)上報(bào)至檢修作業(yè)人員監(jiān)控終端的軟件系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行顯示，對(duì)該輪對(duì)缺陷信息由檢修作業(yè)工人進(jìn)行確認(rèn)、復(fù)核，如確認(rèn)則將輪對(duì)缺陷信息直接上傳至故障數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)，輪對(duì)探傷機(jī)器人工作結(jié)束。并由檢修作業(yè)人員對(duì)該故障進(jìn)行及時(shí)的處理。主要的業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)如下圖所示：

1.3 硬件設(shè)計(jì)

因機(jī)器人走行部在動(dòng)車(chē)組故障檢測(cè)機(jī)器人中完成設(shè)計(jì)研究，本文就不在探討，輪對(duì)探傷機(jī)器人系統(tǒng)硬件主要包括機(jī)器臂和超聲波探傷機(jī)、上位機(jī)、中控柜、工控機(jī)、服務(wù)器等硬件設(shè)備，通過(guò)完成對(duì)所有硬件設(shè)備的集成，建立探傷檢測(cè)系統(tǒng)，其總體物理設(shè)備構(gòu)成如下圖3所示：

（1）機(jī)器臂。由工業(yè)六軸機(jī)器臂、伺服控制器、示教機(jī)組成，用于承載超聲波探傷機(jī)完成指定角度的伸縮動(dòng)作;系統(tǒng)采用6軸機(jī)械臂，模擬人手臂操作將超聲波探傷機(jī)送至輪對(duì)檢測(cè)指定的位置。

（2）超聲波探傷機(jī)。超聲波探傷機(jī)是超聲波發(fā)生和采集裝置，可以探測(cè)到車(chē)輪踏面裂紋和材料缺陷;用于采集輪對(duì)的超聲波信息。

（3）工作臺(tái)。工作臺(tái)是機(jī)器人模擬操作單元，承載機(jī)器臂、輪對(duì)，包含箱體、轉(zhuǎn)臺(tái)、電機(jī)等設(shè)備，用于支撐輪對(duì)質(zhì)量，提供輪對(duì)選擇的動(dòng)力，用于摸底輪對(duì)探傷機(jī)器人的工作環(huán)境。

（4）中控柜。中控柜是探傷機(jī)器人的控制單元，包括上位機(jī)、工控機(jī)或服務(wù)器、PLC控制器、監(jiān)控終端、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、報(bào)警燈、狀態(tài)指示燈等設(shè)備或者配件。用于探傷作業(yè)分析軟件、系統(tǒng)管理平臺(tái)的部署、安裝;探傷報(bào)警的顯示、處置;狀態(tài)顯示、聲光報(bào)警展示等。

1.4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

輪對(duì)探傷機(jī)器人系統(tǒng)主要功能分為硬件功能和軟件功能兩部分，硬件功能包括系統(tǒng)設(shè)置、機(jī)器臂控制，軟件功能包括探傷報(bào)警、信息查詢(xún)，如下圖所示：

（1）系統(tǒng)設(shè)置功能。對(duì)輪對(duì)探傷機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：如自動(dòng)、手動(dòng)模式;轉(zhuǎn)臺(tái)參數(shù);探傷設(shè)備參數(shù)等。

（2）機(jī)器臂控制功能。輪對(duì)探傷機(jī)器人系統(tǒng)主要是指垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為機(jī)構(gòu)緊湊，動(dòng)作靈活，工作空間大;能繞過(guò)基座周?chē)囊恍┱系K物;適合電機(jī)驅(qū)動(dòng)，關(guān)節(jié)密封、防塵比較容易。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號(hào)給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無(wú)核心馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過(guò)減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送回訊號(hào)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。通過(guò)PLC預(yù)制編程，自動(dòng)控制機(jī)器臂運(yùn)動(dòng)到指定位置，通過(guò)智能探測(cè)設(shè)備識(shí)別輪對(duì)指定位置，啟動(dòng)超聲波探傷設(shè)備進(jìn)行掃描，并在作業(yè)完成后復(fù)位機(jī)械臂回到初始位置。

（3）探傷報(bào)警功能。通過(guò)作業(yè)分析軟件，對(duì)實(shí)時(shí)采集的輪對(duì)超聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷、如發(fā)現(xiàn)輪對(duì)缺陷，實(shí)時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警的自動(dòng)措施，將報(bào)警信息實(shí)時(shí)顯示在控制柜監(jiān)控終端顯示屏內(nèi)。

（4）信息查詢(xún)功能。信息查詢(xún)是指對(duì)上報(bào)的相關(guān)故障進(jìn)行反向查詢(xún)的功能，可隨時(shí)調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)。主要包括：輪對(duì)檢測(cè)超聲波數(shù)據(jù)、自動(dòng)報(bào)警數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

2 核心關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機(jī)器人技術(shù)

將機(jī)器人技術(shù)與輪對(duì)探傷的檢測(cè)內(nèi)容相結(jié)合，解決輪對(duì)檢測(cè)分散孤立的情況;增加了一級(jí)修檢測(cè)手段;縮短了動(dòng)車(chē)組輪對(duì)檢測(cè)在檢修規(guī)程內(nèi)的間隔，更及時(shí)有效的獲得輪對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù);在原有動(dòng)車(chē)組故障檢測(cè)機(jī)器人基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪對(duì)的內(nèi)部故障檢測(cè);提高了輪對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目的檢修效率。

2.2 渦流超聲波探傷技術(shù)

傳統(tǒng)的磁粉探傷機(jī)探傷過(guò)程需要拆卸撒砂管部件、添加磁粉材料，檢修效率低。渦流探傷無(wú)線(xiàn)添加任何材料就能實(shí)現(xiàn)輪對(duì)的無(wú)損探傷。

3 應(yīng)用總結(jié)

本文完成了以輪對(duì)探傷機(jī)器人代替人工檢測(cè)作業(yè)，及代替?zhèn)鹘y(tǒng)輪對(duì)檢測(cè)設(shè)備作業(yè)設(shè)計(jì)有構(gòu)想，實(shí)現(xiàn)了輪對(duì)缺陷檢測(cè)的自動(dòng)化、智能化和機(jī)器人化，革新了動(dòng)車(chē)組輪對(duì)故障原始檢測(cè)機(jī)制和模式;完善了動(dòng)車(chē)組一級(jí)修庫(kù)內(nèi)作業(yè)的檢修手段;提升了輪對(duì)檢測(cè)的工作效率;達(dá)到了智能化、準(zhǔn)確化的技術(shù)要求，將機(jī)器人引入輪對(duì)檢測(cè)領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有技術(shù)痛點(diǎn)，檢修作業(yè)人員可以簡(jiǎn)單的使用用輪對(duì)探傷機(jī)器人，只需針對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行輪對(duì)缺陷的復(fù)核，不影響動(dòng)車(chē)組檢修作業(yè)，提高生產(chǎn)效率同時(shí)降低檢修工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

輪對(duì)探傷機(jī)器人突破既往的傳統(tǒng)思維模式，結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新與模式創(chuàng)新，探索新的技術(shù)手段、工作方法以及業(yè)務(wù)流程的變革方案，在諸多方面帶來(lái)了新的活力?？蓽p少行車(chē)事故的發(fā)生，保證運(yùn)輸安全，具有良好的社會(huì)效益;自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警的實(shí)現(xiàn)可降低人工作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率和工作質(zhì)量;使系統(tǒng)集檢測(cè)、監(jiān)控、管理、決策為一體，使管理向自動(dòng)化、科學(xué)化、信息化邁進(jìn);使動(dòng)車(chē)組故障檢測(cè)的機(jī)器人應(yīng)用成為可能，充分發(fā)揮動(dòng)車(chē)組檢修的整體水平，帶動(dòng)機(jī)器人相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入，實(shí)現(xiàn)檢修能力質(zhì)的飛躍。

目前輪對(duì)探傷機(jī)器人受環(huán)境及條件影響，還存在檢測(cè)范圍小、檢測(cè)項(xiàng)目較少的缺點(diǎn)，本人將繼續(xù)深入輪對(duì)探傷機(jī)器人的研究，逐步擴(kuò)展探傷機(jī)器人的檢測(cè)范圍及項(xiàng)目，并將探傷機(jī)器人與圖像故障檢測(cè)機(jī)器人結(jié)合作為新的研究方向，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組一級(jí)修車(chē)底故障的全方位檢測(cè)。

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