CN112025281B - 一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于轨道检修技术领域，并具体公开了一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统及方法。包括轨道车、轨道车定位模块、扣件及轨道检测模块、伺服电动拧紧机模块、弯头拧紧机器人模块、通信模块、工作站模块、管理服务器模块，轨道车定位模块用于定位轨道车的位置信息，扣件及轨道检测模块用于检测待检测钢轨的裂纹损伤以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩，工作站模块用于根据轨道车的位置信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩值判定待拧紧轨道扣件螺栓、计算待拧紧轨道扣件螺栓的位置信息，并根据轨道扣件螺栓的方位控制相应拧紧机对待拧紧轨道扣件螺栓进行拧紧或更换。本发明实现了轨道探伤和轨道扣件状态及螺栓锁紧力矩的自动化检测，工作效率和作业精度高。

Description

一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统及方法

技术领域

本发明属于轨道自动检修技术领域，更具体地，涉及一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统及方法。

背景技术

前高铁、地铁等工务段用于轨道扣件状态和枕木螺栓锁紧力矩的检测方法和主要特点如下：（1）人工查看，采用人工检查方式，必须在天窗时间内完成。在漆黑的夜里，用手电筒照亮，通过人眼观看，再用小铁锤挨个敲击扣件螺丝，检查松动；由于没有快速有效的设备和方法，漏判误判的现象很容易出现。对扣件的检查效率也比较低，完成一段线路的检查花费的时间很长。因此要实现铁路安全性检测和维护工作高效率进行，仅靠检查工人进行手工检测远远满足不了当前的要求；（2） 打音检查，在日本等一些发达国家已经采用打音检查，检测工具依然是小铁锤，通过对回音频率信息进行分析，将打音检查装置与定位检测装置组合，对螺栓自动敲打并检测反馈振动曲线，判断螺栓松紧状态。该方式与普通人工检查相比，量化了数据信息需要靠人工判断的步骤，但是作业方式与人工检查基本相同，作业效率没有太大的提升；（3）借助辅助设备检查，有些工务段对于钢轨的探伤和外形及尺寸公差检测，会采用一些手推式的检测设备，但是由于是依靠手推行走，依然存在劳动强度大和效率低下的问题。（4） 借助辅助车辆来检查；工务段工作人员还可以借助辅助专用检修车辆来进行轨道扣件装配和巡检，这种检修方式以来可以减轻工人的体力劳动，提高工作效率，但是由于是需要借助人力来完成，需要受到天气情况的影响，在一些恶劣天气不能进行检修。而目前高铁、地铁等工务段用于轨道扣件及枕木固定螺栓拧紧的设备和主要特点如下：（1）采用普通手动钢制扳手来拧紧螺栓。使用手动工具拧紧，在螺栓扭矩比较大时需要借助加力棒，劳动强度大；对螺栓拧紧扭矩完全看工人手感，扭矩值精度无法控制，存在过扭或漏打的风险；（2）借助燃油或液压工具，重型燃油动力扳手动力可持续、可组装到轨道推车；但仅适用于竖向轨道螺栓工况，无法适应鱼尾板工况，机器笨重，噪音大，有废气排放，无数据采集、存储和传输功能；（3）借助电动扳手来拧紧，借助电动扳手来拧紧，仍然需要依靠工人来操作，不能完全实现自动化，仍然避免不了一些由于人员疏忽而导致的质量问题，与自动化方式相比效率低下。

基于上述缺陷和不足，本领域亟需提出一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统，以实现轨道探伤和轨道扣件状态及螺栓锁紧力矩的自动化检测。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统及方法，其中结合轨道扣件自身的特征及其检测维修的工艺特点，相应设计了机器人自动化拧紧系统，并对其关键组件如轨道车、轨道车定位模块、扣件及轨道检测模块、伺服电动拧紧机模块、弯头拧紧机器人模块、通信模块、工作站模块和管理服务器模块的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的实现了轨道探伤和轨道扣件状态及螺栓锁紧力矩的自动化检测，工作效率和作业精度高。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统，包括轨道车，集成于所述轨道车上的轨道车定位模块、扣件及轨道检测模块、伺服电动拧紧机模块、弯头拧紧机器人模块、通信模块和工作站模块，以及与所述工作站模块远程通信的管理服务器模块，其中，

所述轨道车架设于待检测的钢轨上，并沿待检测钢轨运动；

所述轨道车定位模块用于根据待检测钢轨的路线为所述轨道车规划运动路线，并实时定位所述轨道车的位置信息，同时将该位置信息通过所述通信模块实时反馈给所述工作站模块；

所述扣件及轨道检测模块用于实时检测待检测钢轨的裂纹损伤以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩，并将其检测的裂纹损伤信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩发送给所述工作站模块；

所述工作站模块用于根据所述轨道车的位置信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩值判定待拧紧轨道扣件螺栓、计算待拧紧轨道扣件螺栓的位置信息，并根据轨道扣件螺栓的方位控制所述伺服电动拧紧机模块和/或弯头拧紧机器人模块对待拧紧轨道扣件螺栓进行拧紧或更换；

所述管理服务器模块实时接收和监控所述工作站模块采集和处理的数据。

作为进一步优选的，所述轨道车包括车体、设于所述车体的车轮、设于车体上的供电电池以及轨道车驱动组件，其中，所述车轮与待检测钢轨啮合连接，所述轨道车驱动组件的动力输出轴与车轮连接，所述供电电池为所述轨道车驱动组件提供驱动动力。

作为进一步优选的，所述扣件及轨道检测模块设于所述轨道车的端部，包括检测支撑体、设于所述支撑体上的轨道探伤传感器和扣件螺栓摄像头，所述支撑体为倒设的U字形结构，该U字形结构套设在待检测钢轨的顶部，所述轨道探伤传感器与所述工作站模块通信连接，并将其检测的裂纹损伤信息实时传输给所述工作站模块，所述扣件螺栓摄像头设置有两个，两个扣件螺栓摄像头对称设置在所述支撑体的底部，且两个扣件螺栓摄像头分别设置于待检测钢轨的两侧，每个扣件螺栓摄像头均与所述工作站模块通信连接，并将其采集的图像实时传输给所述工作站模块。

作为进一步优选的，所述伺服电动拧紧机模块包括双向运动滑轨组件、第一扭矩采集传感器、伺服电动拧紧机、第一拧紧轴控制器以及拧紧轴控制电机组件，所述伺服电动拧紧机固定设于所述双向运动滑轨组件上，并在所述拧紧轴控制电机组件的驱动作用下沿所述双向运动滑轨组件做上下以及垂直于钢轨方向的运动，所述第一扭矩采集传感器用于采集所述伺服电动拧紧机在拧紧工作中轨道扣件螺栓的扭矩，并将该扭矩传送给所述工作站模块，所述第一拧紧轴控制器用于根据所述工作站模块发送的轴控信息控制所述伺服电动拧紧机和拧紧轴控制电机组件动作。

作为进一步优选的，所述双向运动滑轨组件包括X轴滑轨、Z轴滑轨以及伺服拧紧机支撑体，其中，所述伺服拧紧机支撑体通过滑块固定设于所述X轴滑轨上，所述Z轴滑轨竖直设于所述伺服拧紧机支撑体上，并通过滑块与所述伺服电动拧紧机固定连接，所述拧紧轴控制电机组件包括X轴驱动电机和Z轴驱动电机，所述X轴驱动电机的输出轴通过滚珠丝杠和与所述伺服拧紧机支撑体连接的滑块连接，所述Z轴驱动电机的输出轴通过滚珠丝杠和与所述伺服电动拧紧机固定连接的滑块连接，用于控制所述伺服电动拧紧机的给进和回退动作。

作为进一步优选的，所述弯头拧紧机器人模块包括六轴机器人以及设于所述六轴机器人端部的弯头拧紧机组件，所述六轴机器人包括机械手以及机械手控制器，所述机械手一端固定设于所述轨道车上，另一端用于固定所述弯头拧紧机组件，所述机械手控制器根据工作站模块发送的轴控信息控制所述机械手驱动所述弯头拧紧机组件运动，以实现弯头拧紧机组件与轨道扣件螺栓的初对准。

作为进一步优选的，所述弯头拧紧机组件包括弯头伺服拧紧机、视觉识别相机、扳手相机转换器、拧紧扳手、第二拧紧轴控制器以及第二扭矩采集传感器，所述拧紧扳手固定设于所述弯头伺服拧紧机的拧紧动力输出轴上，所述视觉识别相机用于拍摄拧紧扳手与所述轨道扣件螺栓的图片，并将该图片发送给所述工作站模块，所述工作站模块根据该图片信息识别拧紧扳手与所述轨道扣件螺栓的相对位置，并根据该相对位置计算拧紧扳手的转动路径，然后将该转动路径转化为第二拧紧轴控制器的轴控信息，所述第二拧紧轴控制器根据该轴控信息控制所述弯头伺服拧紧机驱动拧紧扳手转动，直至所述拧紧扳手的拧紧轴与轨道扣件螺栓的中心轴线重合，所述扳手相机转换器用于识别转动后的拧紧扳手与轨道扣件螺栓的位置，以实现对所述拧紧扳手位置的精确调整，使得所述拧紧扳手与轨道扣件螺栓精确对准，所述第二扭矩采集传感器用于在所示拧紧扳手在拧紧加工时，实时检测轨道扣件螺栓的锁紧力矩值。

作为进一步优选的，所述工作站模块包括数据存储组件、数据处理组件、无线通信组件、图像信息提取组件。

作为进一步优选的，所述轨道车上还设有探测雷达、障碍物清除装置以及报警装置，所述探测雷达用于探测待检测钢轨上的障碍物、标定障碍物的位置，所述障碍物清除装置固定设于所述轨道车车头和车尾底部，用于清扫障碍物，并在清扫障碍物的力超出了标定值后，紧急制动轨道车，并启动报警装置，所述探测雷达、障碍物清除装置以及报警装置均与所述工作站模块通信连接。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种轨道扣件机器人自动化拧紧方法，包括以下步骤：

（1）确定待检测的钢轨，将轨道车架设于待检测的钢轨上；

（2）轨道车定位模块根据待检测钢轨的路线为所述轨道车规划运动路线，并实时定位所述轨道车的位置信息，同时将该位置信息通过所述通信模块实时反馈给所述工作站模块；

（3）扣件及轨道检测模块实时检测待检测钢轨的裂纹损伤以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩，并将其检测的裂纹损伤信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩发送给所述工作站模块；

（4）工作站模块根据所述轨道车的位置信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩值判定待拧紧轨道扣件螺栓、计算待拧紧轨道扣件螺栓的位置信息，并根据轨道扣件螺栓的方位控制所述伺服电动拧紧机模块和/或弯头拧紧机器人模块对待拧紧轨道扣件螺栓进行拧紧或更换，然后将其采集和处理的数据发送给管理服务器模块；

（5）重复步骤（2）至步骤（4），直至完成待检测的钢轨的检测和轨道扣件螺栓的自动化拧紧，轨道车返回至指定位置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

（1）采用机器人自动化作业模式，通过在轨道车上安装六轴拧紧机器人配合轨道探伤及轨道扣件锁紧力矩传感器，并结合图像识别、视觉识别技术，实现了轨道探伤和轨道扣件状态及螺栓锁紧力矩的自动化检测，与普通人工作业模式相比，提高了工作效率和作业精度。

（2）通过在拧紧机器人上配备低压直流扣件拧紧机，与普通燃油和液压工具相比，重量轻，拧紧精度高，更是从根本上解决了鱼尾板等水平侧向螺栓的维护和安装问题，实现了螺栓更换后的自动化拧紧。

（3）通过采用伺服电动拧紧轴，通过系统设定，具有多轴联动作业和任意位置的单轴独立作业等多种作业模式，并可自由组合，与燃油和液压工具相比，作业过程实现柔性化、智能化。

（4）系统配备的拧紧轴和低压直流电动拧紧机可对作业目标数据进行采集，实现对扭矩的精确控制，并将采集的数据实时回传至系统，进行合格判定，并将作业记录上传至云端，实现了作业过程数字化。

（5）系统的通信模块预留接口，该接口与GSM-R和5G网络进行无缝对接和数据交互；并与谷歌、高德和百度等多种地图实现数据对接和位置共享，内含北斗和GPS两种定位模式，通信模块可实时记录并反馈位置坐标数据，为远程可视化及AR检作业系统的开展提供数据支撑。

附图说明

图1是本发明实施例涉及的一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统的结构示意图；

图2是本发明实施例涉及的一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统的另一结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-轨道车、2-伺服电动拧紧轴、3-自动送钉模块、4-通信模块、5-中间摄像头模块、6-拧紧机器人、7-弯头拧紧机组件、8-探测雷达、9-扣件及轨道检测模块、10-电控箱、11-拧紧轴供电电源、12-拧紧轴控制电机、13-拧紧轴控制箱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统，主要用于除磁悬浮外的高铁、地铁等工务段钢轨线路扣件的状态检测、维修更换和枕木螺栓装配及自动化拧紧作业。该系统包括：轨道车，集成于所述轨道车上的轨道车定位模块、扣件及轨道检测模块、伺服电动拧紧机模块、弯头拧紧机器人模块、通信模块和工作站模块，以及与所述工作站模块远程通信的管理服务器模块，其中，所述轨道车1架设于待检测的钢轨上，并沿待检测钢轨运动；所述轨道车定位模块用于根据待检测钢轨的路线为所述轨道车1规划运动路线，并实时定位所述轨道车1的位置信息，同时将该位置信息通过所述通信模块实时反馈给所述工作站模块；所述扣件及轨道检测模块用于实时检测待检测钢轨的裂纹损伤以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩，并将其检测的裂纹损伤信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩值发送给所述工作站模块；所述工作站模块用于根据所述轨道车的位置信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩值判定待拧紧轨道扣件螺栓、计算待拧紧轨道扣件螺栓的位置信息，并根据轨道扣件螺栓的方位控制所述伺服电动拧紧机模块和/或弯头拧紧机器人模块对待拧紧轨道扣件螺栓进行拧紧或更换；所述管理服务器模块实时接收和监控所述工作站模块采集和处理的数据。

更具体而言，如图1所示，轨道车1包括车轮、设于车轮上的车体，其中，车轮设置有四个，但不局限于四个，四个及以上的偶数车轮均能满足本发明的要求，且所有车轮关于车体的中心线对称布置。车体上设有供电电池以及轨道车驱动组件，其中，所述车轮与待检测钢轨啮合连接，所述轨道车驱动组件的动力输出轴与车轮连接，所述供电电池为所述轨道车驱动组件提供驱动动力。轨道车驱动组件与工作站模块通信连接，并由工作站模块控制轨道车驱动组件的工作。即在本发明中，当工作站模块检测到轨道扣件螺栓松动时，则控制轨道车驱动组件制动，当工作站模块检测到轨道扣件螺栓的锁紧力矩值满足要求时，则控制轨道车驱动组件驱动车轮沿待检测钢轨继续运动。本发明中，轨道车1为专门设计的特种作业车辆，主体采用铝合金车间焊接而成，重量轻，强度高；轨道车1由车轮、底盘、驱动模块、供电电池、车体和悬挂装置、工作站模块、定位模块等组成。轨道车通过轨道轮与列车轨道相接处，通过电机驱动，后挂安装拧紧机承载车，在列车轨道上行驶，并可实现定点停车，通过图像识别技术和激光测距传感器技术，可实现拧紧机与轨道扣件螺栓自动对位。工作站模块集成的软件包括系统导航组件、轨道扣件及螺栓扭矩控制组件和轨道扣件数据巡检组件。

扣件及轨道检测模块9用于实时检测待检测钢轨的裂纹损伤以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩，并将其检测的裂纹损伤信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩值发送给所述工作站模块。具体而言，扣件及轨道检测模块9设于所述轨道车1的端部，包括检测支撑体、设于所述支撑体上的轨道探伤传感器和扣件螺栓摄像头，所述支撑体为倒设的U字形结构，该U字形结构套设在待检测钢轨的顶部，所述轨道探伤传感器与所述工作站模块通信连接，并将其检测的裂纹损伤信息实时传输给所述工作站模块，所述扣件螺栓摄像头设置有两个，两个扣件螺栓摄像头对称设置在所述支撑体的底部，且两个扣件螺栓摄像头分别设置于待检测钢轨的两侧，每个扣件螺栓摄像头均与所述工作站模块通信连接，并将其采集的图像实时传输给所述工作站模块。在本发明中，所述轨道探伤传感器优选的采用超声波传感器。扣件螺栓摄像头具有自动曝光的功能，使得在光线不足的情况下也能获取清晰的图像。同时，当轨道探伤传感器探测到钢轨具有损伤时，工作站模块根据裂纹损伤信息以及轨道车1的位置信息判断裂纹损伤的位置信息，并将该位置信息及裂纹损伤信息发送至管理服务器模块，同时请求管理服务器模块启动报警提示器。

伺服拧紧机模块用于拧紧钢轨两侧竖向布置的轨道扣件螺栓。具体而言，伺服拧紧机模块包括双向运动滑轨组件、第一扭矩采集传感器、伺服电动拧紧机、第一拧紧轴控制器以及拧紧轴控制电机组件。所述伺服电动拧紧机固定设于所述双向运动滑轨组件上，并在所述拧紧轴控制电机组件的驱动作用下沿所述双向运动滑轨组件做上下以及垂直于钢轨方向的运动，所述第一扭矩采集传感器用于采集所述伺服电动拧紧机在拧紧工作中轨道扣件螺栓的扭矩，并将该扭矩传送给所述工作站模块，所述第一拧紧轴控制器用于根据所述工作站模块发送的轴控信息控制所述伺服电动拧紧机和拧紧轴控制电机组件动作。双向运动滑轨组件包括X轴滑轨、Z轴滑轨以及伺服拧紧机支撑体，其中，所述伺服拧紧机支撑体通过滑块固定设于所述X轴滑轨上，所述Z轴滑轨竖直设于所述伺服拧紧机支撑体上，并通过滑块与所述伺服电动拧紧机固定连接，所述拧紧轴控制电机组件包括X轴驱动电机和Z轴驱动电机，所述X轴驱动电机的输出轴通过滚珠丝杠和与所述伺服拧紧机支撑体连接的滑块连接，所述Z轴驱动电机的输出轴通过滚珠丝杠和与所述伺服电动拧紧机固定连接的滑块连接，用于控制所述伺服电动拧紧机的给进和回退动作。伺服电动拧紧机模块包括双向运动滑轨组件、第一扭矩采集传感器、伺服电动拧紧机、第一拧紧轴控制器以及拧紧轴控制电机组件，所述伺服电动拧紧机固定设于所述双向运动滑轨组件上，并在所述拧紧轴控制电机组件的驱动作用下沿所述双向运动滑轨组件做上下以及垂直于钢轨方向的运动，所述第一扭矩采集传感器用于采集所述伺服电动拧紧机在拧紧工作中轨道扣件螺栓的扭矩，并将该扭矩传送给所述工作站模块，所述第一拧紧轴控制器用于根据所述工作站模块发送的轴控信息控制所述伺服电动拧紧机和拧紧轴控制电机组件动作。其中，伺服电动拧紧机的伺服电动拧紧轴采用低压直流供电，伺服控制器控制，内置微电脑、私服马达和扭矩放大器、扭矩采集传感器和双向通讯IP，该伺服电动拧紧轴通过通讯天线与工作站模块自动通讯数据指令，并对作业目标进行扭矩采集和控制，作业完成后，通过无线网络将作业数据发送回工作站模块，进行合格判定。更具体而言，拧紧轴控制电机组件的动力输出轴与伺服电动拧紧轴连接，伺服电动拧紧轴的动力输出轴与拧紧扳手连接，当拧紧扳手与轨道扣件螺栓对准后，驱动拧紧扳手拧紧轨道扣件螺栓，并在拧紧过程中，扭矩采集传感器实时检测轨道扣件螺栓的锁紧力矩值，直至该锁紧力矩值满足要求。

弯头拧紧机器人模块包括六轴机器人6以及设于所述六轴机器人6端部的弯头拧紧机组件7，六轴机器人6包括机械手以及机械手控制器，所述机械手一端固定设于所述轨道车上，另一端用于固定所述弯头拧紧机组件7，所述机械手控制器根据工作站模块发送的轴控信息控制所述机械手驱动所述弯头拧紧机组件运动，以实现弯头拧紧机组件与轨道扣件螺栓的初对准。其中，六轴机器人6为标准设备，其包括机械手以及机械手控制器，该机械手一端固定在轨道车1上，另一端用于夹持弯头拧紧机组件7，工作站模块根据轨道扣件螺栓的位置以及弯头拧紧机组件的初始位置，规划所述机械手的运动路劲，并将该运动路径转化为机械手控制器的轴控信息，然后将该轴控信息发送给与其通信连接的机械手控制器，所述机械手控制器根据该轴控信息控制机械手驱动所述弯头拧紧机组件运动至与轨道扣件螺栓对准。弯头拧紧机组件7包括弯头伺服拧紧机、视觉识别相机、扳手相机转换器、拧紧扳手、第二拧紧轴控制器以及第二扭矩采集传感器，所述拧紧扳手固定设于所述弯头伺服拧紧机的拧紧动力输出轴上，所述视觉识别相机用于拍摄拧紧扳手与所述轨道扣件螺栓的图片，并将该图片发送给所述工作站模块，所述工作站模块根据该图片信息识别拧紧扳手与所述轨道扣件螺栓的相对位置，并根据该相对位置计算拧紧扳手的转动路径，然后将该转动路径转化为第二拧紧轴控制器的轴控信息，所述第二拧紧轴控制器根据该轴控信息控制所述弯头伺服拧紧机驱动拧紧扳手转动，直至所述拧紧扳手的拧紧轴与轨道扣件螺栓的中心轴线重合，所述扳手相机转换器用于识别转动后的拧紧扳手与轨道扣件螺栓的位置，以实现对所述拧紧扳手位置的精确调整，使得所述拧紧扳手与轨道扣件螺栓精确对准，所述第二扭矩采集传感器用于在所示拧紧扳手在拧紧加工时，实时检测轨道扣件螺栓的锁紧力矩值。弯头拧紧机组件7还包括照明灯，照明灯为视觉识别相机提供拍照所需要的光。

轨道车上还设有探测雷达8、障碍物清除装置以及报警装置，所述探测雷达8用于探测待检测钢轨上的障碍物、标定障碍物的位置，所述障碍物清除装置固定设于所述轨道车车头和车尾底部，用于清扫障碍物，并在清扫障碍物的力超出了标定值后，紧急制动轨道车，并启动报警装置，所述探测雷达8、障碍物清除装置以及报警装置均与所述工作站模块通信连接。进一步的，在本发明系统中，轨道车上还固定设有中间摄像头模块5。中间摄像头模块5由视觉识别相机和照明灯组成，主要用于轨道车在行进过程中对铁轨及枕木和轨道上的障碍物和其它路面情况进行视觉检测和识别，并将图像实时传回工作站模块，然后工作站模块根据实际情况和障碍物大小控制轨道车进行避让行驶。

在本发明中，轨道车上还集成有自动送钉模块3，该送钉模块用于在轨道扣件螺栓损坏时，为所述弯头拧紧机组件7以及伺服电动拧紧机模块提供轨道扣件螺栓。自动送钉模块3为标准模块，整体固定在设于轨道车上的拧紧机车架上，自动送钉模块3的螺栓输出端与伺服电动拧紧机的拧紧扳手连接，有气动送钉和震动送钉两种模式可选，效率高、结构稳定。

在本发明中，轨道车上还集成电控箱10以及拧紧轴供电电源11，其中，拧紧轴供电电源11通过电控箱10与伺服电动拧紧机模块和弯头拧紧机器人模块电性连接，以及为伺服电动拧紧机模块和弯头拧紧机器人模块供电并控制该两个模块的动作。即电控箱11用于容纳对拧紧轴控制电机动作实现电路及电气原件。拧紧轴供电电源10根据程序设定对电动拧紧轴和控制电机进行供电，并具有电量显示、低电量报警和充电过载保护功能。

在本发明中，管理服务器模块与工作站模块通过通信模块4实现双向通信连接。其中，通信模块4的硬件包含无线通讯组件、数据处理组件、数据接受和发送组件。

在本发明中，所述工作站模块包括数据存储组件、数据处理组件、无线通信组件、图像信息提取组件。

在本发明中，伺服电动拧紧轴2采用低压直流供电，伺服控制器控制，伺服电动拧紧轴2内置微电脑、私服马达和扭矩放大器、扭矩采集传感器和双向通讯IP，其通过通讯天线与工作站模块自动通讯数据指令，并对作业目标进行扭矩采集和控制，作业完成后，通过无线网络将作业数据发送回工作站模块，进行合格判定。

在本发明中，六轴机器人为标准设备，包含机器人和控制器两大部分；根据使用要求和拧紧螺栓的抗反力大小要求，进行选配和定制；其一端固定在轨道车体上，另外一段安装有弯头拧紧机组件，可根据系统检测结果接收待检修的螺栓的坐标点，通过视觉识别相机和数据切换模块进行螺栓的自动对准和拧紧作业。弯头拧紧机组件由弯头伺服拧紧机、视觉识别相机、和柔性伸缩套筒组成。组件安装在六轴机器人机械手的末端，机器人到达预定位置后，视觉识别相机对目标进行拍照，然后经过扳手和相机转换模块的补偿调节，再将拧紧扳手对准目标螺栓，进行拧紧作业。

其中，各部件的连接关系如下：探测雷达8通过紧固螺钉、防松垫圈与轨道车1固定，通过电源线与电控箱10连接，通过数据线和信号线与工作站模块相连接，实现数据互通；中间摄像头模块5通过紧固螺钉和防松垫圈与轨道车1的车体固定，通过电源线与轨道车1的供电电池相连接，通过信号线与电控箱10相连接；应急模块通过紧固螺钉和防松垫圈固定在轨道车1的车架上，通过数据线与工作站模块相连接；伺服电动拧紧轴2通过紧固螺钉和防松垫圈与拧紧轴承载车固定，通过数据线和电源线与第一拧紧轴控制器相连接；自动送钉模块3，通过紧固螺钉和防松垫圈与设于轨道车1上的拧紧机承载车固定，其输出端与伺服电动拧紧机的输出口处相连，通过电源线和信号线与电控箱10相连接；拧紧轴供电电源11通过紧固螺钉和防松垫圈固定在拧紧机承载车上，通过电源线与拧紧机控制器、电控箱接触器和轨道扣件检测传感器向连接；电控箱10通过紧固螺钉和防松垫圈与拧紧机承载车固定，通过电源线和信号线与第一拧紧轴控制器、拧紧轴控制电机组件、扣件及轨道检测传感器和照明灯相连；拧紧轴控制电机组件通过紧固螺钉和防松垫圈与拧紧机承载车相连接，通过电源线和信号线与电控箱箱10连接；弯头拧紧机组件通过紧固螺钉安装在机器人末端，通过拧紧机器人安装座与轨道车相连接；工作站模块通过紧固螺钉和防松垫圈与轨道车固定，通过电源线与电控箱相连接，通过数据线和信号线与照明灯、定位传感器、探测雷达、拧紧轴控制器、自动送钉模块、电控箱、扣件及轨道检测传感器等相连接。

本发明系统的工作流程具体如下：

（1）将轨道扣件机器人自动化拧紧系统整体装载到工务段铁路维修列车上，跟随维修列车到达要检修的铁路区域；

（2）作业人员通过铁路维修列车上的吊车将轨道扣件机器人自动化拧紧系统整体从维修车上吊下，放到轨道上，系统开机自检；

（3）夜间作业，轨道车开机，照明灯开启，系统自动检查供电电池电量是否满格，如果电量不足，更换新电池；

（4）系统对拧紧机动作检查，是否正常，扣件及轨道检测传感器回传图像和数据是否正常，检查工作站模块与拧紧机和检测传感器及探测雷达信号是否正常，若不正常，排查故障；

（5）根据当天的作业任务和程序设定，系统按照预定路线自动运行，沿着高铁轨道运行，设备检测模块开机工作，系统自动检测轨道扣件数据，并将信息实时回传给系统管理服务器模块，即，轨道车定位模块根据待检测钢轨的路线为所述轨道车规划运动路线，并实时定位所述轨道车的位置信息，同时将该位置信息通过所述通信模块实时反馈给所述工作站模块；

（6）扣件及轨道检测模块实时检测待检测钢轨的裂纹损伤以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩，并将其检测的裂纹损伤信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩发送给所述工作站模块；

（7）工作站模块根据所述轨道车的位置信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩值判定待拧紧轨道扣件螺栓、计算待拧紧轨道扣件螺栓的位置信息，并根据轨道扣件螺栓的方位控制所述伺服电动拧紧机模块和/或弯头拧紧机器人模块对待拧紧轨道扣件螺栓进行拧紧或更换，然后将其采集和处理的数据发送给管理服务器模块；

具体而言，根据系统设定，如果传感器检测发现钢轨有伤损及裂纹，则工作站模块记录裂纹坐标值，并发送管理服务器模块，控管理服务器模块记录下有问题的钢轨坐标数据，并将其发送给钢轨探伤维修小组进行后续处理；轨道车继续行驶，拧紧机承载车上安装的扣件及轨道检测传感器对轨道扣件进行实时拍照并进行图像识别和对比分析，当传感器发现轨道扣件螺栓的锁紧力矩小于目标值超差时，则轨道车自动停车，自动开启照明灯，拧紧机承载车上的视频和定位传感器启动，使得拧紧机自动对准有问题的扣件紧固螺栓位置，拧紧机和自动送钉系统工作，实现对扣件螺栓的自动对位和轴向进给拧紧和退回动作；轨道车继续行驶，到轨道车巡检到道岔轨道扣件或鱼尾板螺栓，发现有问题时，由于拧紧机上安装的四轴混动（既可以联动，也可以单独动作，还可以其中任意轴自由组合）不能安装并拧紧非垂直方向的轨道扣件螺栓；此时工作站模块会给出提示和报警，转换使用轨道车上拧紧机器人工作，机器人配合视觉识别相机，对螺栓进行对位，机器人末端安装的拧紧机接受到系统发出的作业子程序后开始工作进行螺栓的更换和拧紧；并对作业目标扭矩进行实时采集，然后将数据回传至工作站模块进行合格判定。

（9）重复步骤（5）至步骤（7），直至完成待检测的钢轨的检测和轨道扣件螺栓的自动化拧紧，轨道车返回至指定位置， 作业完毕，通过工务段轨道检修列车吊运返回工务段车库。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统，其特征在于，包括轨道车，集成于所述轨道车上的轨道车定位模块、扣件及轨道检测模块、伺服电动拧紧机模块、弯头拧紧机器人模块、通信模块和工作站模块，以及与所述工作站模块远程通信的管理服务器模块，其中，

所述轨道车架设于待检测的钢轨上，并沿待检测钢轨运动；

所述轨道车定位模块用于根据待检测钢轨的路线为所述轨道车规划运动路线，并实时定位所述轨道车的位置信息，同时将该位置信息通过所述通信模块实时反馈给所述工作站模块；

所述扣件及轨道检测模块用于实时检测待检测钢轨的裂纹损伤以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩，并将其检测的裂纹损伤信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩发送给所述工作站模块；

所述工作站模块用于根据所述轨道车的位置信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩值判定待拧紧轨道扣件螺栓、计算待拧紧轨道扣件螺栓的位置信息，并根据轨道扣件螺栓的方位控制所述伺服电动拧紧机模块和/或弯头拧紧机器人模块对待拧紧轨道扣件螺栓进行拧紧或更换；

所述管理服务器模块实时接收和监控所述工作站模块采集和处理的数据；

所述伺服电动拧紧机模块包括双向运动滑轨组件、第一扭矩采集传感器、伺服电动拧紧机、第一拧紧轴控制器以及拧紧轴控制电机组件，所述伺服电动拧紧机固定设于所述双向运动滑轨组件上，并在所述拧紧轴控制电机组件的驱动作用下沿所述双向运动滑轨组件做上下以及垂直于钢轨方向的运动，所述第一扭矩采集传感器用于采集所述伺服电动拧紧机在拧紧工作中轨道扣件螺栓的扭矩，并将该扭矩传送给所述工作站模块，所述第一拧紧轴控制器用于根据所述工作站模块发送的轴控信息控制所述伺服电动拧紧机和拧紧轴控制电机组件动作；

所述弯头拧紧机器人模块包括六轴机器人以及设于所述六轴机器人端部的弯头拧紧机组件，所述六轴机器人包括机械手以及机械手控制器，所述机械手一端固定设于所述轨道车上，另一端用于固定所述弯头拧紧机组件，所述机械手控制器根据工作站模块发送的轴控信息控制所述机械手驱动所述弯头拧紧机组件运动，以实现弯头拧紧机组件与轨道扣件螺栓的初对准；所述弯头拧紧机组件包括弯头伺服拧紧机、视觉识别相机、扳手相机转换器、拧紧扳手、第二拧紧轴控制器以及第二扭矩采集传感器，所述拧紧扳手固定设于所述弯头伺服拧紧机的拧紧动力输出轴上，所述视觉识别相机用于拍摄拧紧扳手与所述轨道扣件螺栓的图片，并将该图片发送给所述工作站模块，所述工作站模块根据该图片信息识别拧紧扳手与所述轨道扣件螺栓的相对位置，并根据该相对位置计算拧紧扳手的转动路径，然后将该转动路径转化为第二拧紧轴控制器的轴控信息，所述第二拧紧轴控制器根据该轴控信息控制所述弯头伺服拧紧机驱动拧紧扳手转动，直至所述拧紧扳手的拧紧轴与轨道扣件螺栓的中心轴线重合，所述扳手相机转换器用于识别转动后的拧紧扳手与轨道扣件螺栓的位置，以实现对所述拧紧扳手位置的精确调整，使得所述拧紧扳手与轨道扣件螺栓精确对准，所述第二扭矩采集传感器用于在所示拧紧扳手在拧紧加工时，实时检测轨道扣件螺栓的锁紧力矩值。

2.根据权利要求1所述的一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统，其特征在于，所述轨道车包括车体、设于所述车体的车轮、设于车体上的供电电池以及轨道车驱动组件，其中，所述车轮与待检测钢轨啮合连接，所述轨道车驱动组件的动力输出轴与车轮连接，所述供电电池为所述轨道车驱动组件提供驱动动力。

3.根据权利要求1所述的一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统，其特征在于，所述扣件及轨道检测模块设于所述轨道车的端部，包括检测支撑体、设于所述支撑体上的轨道探伤传感器和扣件螺栓摄像头，所述支撑体为倒设的U字形结构，该U字形结构套设在待检测钢轨的顶部，所述轨道探伤传感器与所述工作站模块通信连接，并将其检测的裂纹损伤信息实时传输给所述工作站模块，所述扣件螺栓摄像头设置有两个，两个扣件螺栓摄像头对称设置在所述支撑体的底部，且两个扣件螺栓摄像头分别设置于待检测钢轨的两侧，每个扣件螺栓摄像头均与所述工作站模块通信连接，并将其采集的图像实时传输给所述工作站模块。

4.根据权利要求1所述的一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统，其特征在于，所述双向运动滑轨组件包括X轴滑轨、Z轴滑轨以及伺服拧紧机支撑体，其中，所述伺服拧紧机支撑体通过滑块固定设于所述X轴滑轨上，所述Z轴滑轨竖直设于所述伺服拧紧机支撑体上，并通过滑块与所述伺服电动拧紧机固定连接，所述拧紧轴控制电机组件包括X轴驱动电机和Z轴驱动电机，所述X轴驱动电机的输出轴通过滚珠丝杠和与所述伺服拧紧机支撑体连接的滑块连接，所述Z轴驱动电机的输出轴通过滚珠丝杠和与所述伺服电动拧紧机固定连接的滑块连接，用于控制所述伺服电动拧紧机的给进和回退动作。

5.根据权利要求1所述的一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统，其特征在于，所述工作站模块包括数据存储组件、数据处理组件、无线通信组件、图像信息提取组件。

6.根据权利要求1所述的一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统，其特征在于，所述轨道车上还设有探测雷达、障碍物清除装置以及报警装置，所述探测雷达用于探测待检测钢轨上的障碍物、标定障碍物的位置，所述障碍物清除装置固定设于所述轨道车车头和车尾底部，用于清扫障碍物，并在清扫障碍物的力超出了标定值后，紧急制动轨道车，并启动报警装置，所述探测雷达、障碍物清除装置以及报警装置均与所述工作站模块通信连接。

7.一种轨道扣件机器人自动化拧紧方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的系统实现，包括以下步骤：

（1）确定待检测的钢轨，将轨道车架设于待检测的钢轨上；

（2）轨道车定位模块根据待检测钢轨的路线为所述轨道车规划运动路线，并实时定位所述轨道车的位置信息，同时将该位置信息通过所述通信模块实时反馈给所述工作站模块；

（3）扣件及轨道检测模块实时检测待检测钢轨的裂纹损伤以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩，并将其检测的裂纹损伤信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩发送给所述工作站模块；

（4）工作站模块根据所述轨道车的位置信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩值判定待拧紧轨道扣件螺栓、计算待拧紧轨道扣件螺栓的位置信息，并根据轨道扣件螺栓的方位控制所述伺服电动拧紧机模块和/或弯头拧紧机器人模块对待拧紧轨道扣件螺栓进行拧紧或更换，然后将其采集和处理的数据发送给管理服务器模块；

（5）重复步骤（2）至步骤（4），直至完成待检测的钢轨的检测和轨道扣件螺栓的自动化拧紧，轨道车返回至指定位置。

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