[01202161]高铁钢轨修磨机器人系统研发与应用

1、课题来源与背景：课题由广州大学、广州铁路集团公司广州工务大修段、东莞市中天自动化科技有限公司根据高铁钢轨制造过程的实际需要共同提出并合作开展“高铁钢轨焊缝修磨机器人系统研发与产业化”研究。高铁无缝钢轨是由多段25m长的标准钢轨焊接而成的长钢轨,钢轨焊缝打磨质量与无缝钢轨的质量直接相关,然而当前焊缝打磨,特别是粗磨作业依赖低效低质的人工打磨,自动化程度低,人工打磨一个钢轨焊缝耗时约10分钟,打磨质量存在瓶颈（单次打磨合格率约80%,需多次测量）;工人老龄化,作业环境恶劣,职业病多发,年轻人不愿从事。钢轨修磨已成为自动化进程的瓶颈,制约企业施工效率。本课题则是针对高铁钢轨施工过程中提升自动化程度的需求,研究与开发自主产权的全自动钢轨修磨机器人集成技术,用于解决现有钢轨修磨技术过分依赖操作者经验、工作环境恶劣、劳动强度大、效率低下、产品质量不可控等问题,促进高铁钢轨施工自动化程度的提升,以期确立我国高铁施工技术在国际竞争中的地位,进一步扩大我国高铁技术的优势。 2、技术原理及性能指标：建立了一套关于机器人钢轨焊缝修磨的传感、规划、控制和应用系统,技术原理主要体现在：（1） 焊缝识别与检测技术：针对钢轨焊缝位置的不确定性及修磨高精度的要求,利用传感器实现钢轨焊缝的快速识别与精准定位、焊缝修磨品质检测以及磨具的自动标定与补偿;（2） 修磨机器人自动编程与控制技术：开发了融合钢轨打磨工艺过程的修磨机器人在线自动编程系统、修磨机器人的高精度高效率的轨迹控制算法和双机器人无碰协调运动规划方法、以及切实有效的机器人打磨力控方法,提高了机器人打磨系统的打磨精度和稳定性;（3） 机器人焊缝修磨示范性应用：研制了恒力控制打磨头、打磨头快换装置、钢轨装夹输送装置、钢轨轨底打磨装置等关键辅助装置,组建机器人焊缝粗磨生产线,并投入实际生产,负责钢轨焊缝粗打磨作业。所研制的钢轨修磨机器人系统具有如下指标：（1）组成功能：由机器人、打磨头、自动检测装置、夹具、打磨控制系统等组成,用于钢轨焊接后的粗磨工序、钢轨自动定位、六轴机器人自动检测焊接端面、生成打磨路径,自动完成打磨工作,并提供生产报警等功能;支持钢轨焊缝、砂轮磨量的在线自动检测,支持工艺参数的调整,自带碰撞保护,支持离线编程及远程监控;（2）工作效率：单个焊缝修磨时间少于6分钟;（3）工作不良率：少于0.1%;（4）修磨精度：踏面修磨精度0.1mm,轨底修磨精度0.5mm,焊缝修磨时不损伤钢轨母材;（5）修磨路径：沿钢轨纵向方向,非工作面的垂直、水平方向错边应平滑过渡;（6）工作人员：少于1人;（7）工作条件：工作电压380v 50Hz、工作气压0.5-0.7Mpa。 3、技术创新性与先进性：（1）研究了一种钢轨焊缝机器人高速高精度自动打磨系统,首次将机器人技术应用于钢轨修磨,打磨不良率、单个焊缝打磨工作时间、打磨精度等指标均满足应用需求;（2）研究了一种钢轨焊缝识别与测量方法,其特征在于基于机器视觉和激光点云多传感信息辅助机器人进行焊缝检测;该方法采用改进的自适应阈值Canny算法进行焊缝定位,采用基于多尺度点特征的点云配准方法对焊缝曲面进行重构,基于统计分析技术对焊缝特征点云识别提取处理,最终获取精准的钢轨焊缝信息;（3）研究了一种机器人焊缝打磨规划与控制策略,可实现基于传感器的焊缝识别与高精度测量、机器人打磨路径规划、平滑轨迹规划、打磨头磨量矫正等功能,可分为人机交互、三维仿真、自动编程、工艺系统、文件系统、传感检测、通讯等功能模块,最终实现CAD/CAM/Robotics 一体化的高铁钢轨焊缝打磨机器人的自动编程。 4、技术的成熟程度,适用范围和安全性：高铁钢轨焊缝修磨机器人系统应用于钢轨焊缝粗打磨作业,对钢轨焊缝的踏面、侧面和底面进行自动识别、定位与打磨,系统总体运行情况良好,稳定。系统具有智能化程度高、操作方便、适应能力强、效率高等优点,可有效避免工伤事故,降低劳动强度,改善工作环境,方便生产管理,提高资源利用率。 5、应用情况及存在的问题：高铁钢轨焊缝修磨机器人系统于2017年在广州铁路集团公司广州工务大修段焊轨厂投入生产,是全国第一条机器人打磨钢轨焊缝生产线。机器人焊缝修磨生产线可有效地改善列车的运行,保持旅客舒适度,减少蛇形运动,减少噪音,降低能耗,减少机车部件和轨道的维修成本,延缓损伤发展的速度,提高钢轨寿命。经济效益和社会效益显著。该成果如果能在全国推广应用,将对全国的高铁、铁路、地铁等产业转型升级带来十分重要的现实意义。 6、历年获奖情况：早在2017-2018年全国焊轨厂检查评比时得到检查组专家高度关注,机器人打磨表现出的优越性能得到专家组的一致好评。