CN117418425A - 轨道智能扣件螺栓作业机器人及其作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轨道智能扣件螺栓作业机器人及其作业方法，属于铁路轨道附件及铺设各种铁路的机器技术领域，包括：车架、集成于所述车架上的行走机构、扣件螺栓复紧机构、升降机构、扣件位置识别模块、扭矩传感器、控制模块与电池模组。本发明提供轨道智能扣件螺栓作业机器人，能够在钢轨上自动行走、自动识别扣件螺栓位置、准确的定扭矩控制和弹条离缝间隙控制的原理完成对扣件螺栓的复紧作业；不仅大大降低了工作强度，提升了检修复紧作业的效率，而且所有扣件螺栓的复紧作业精准一致，能够有效提升安全保障度。

Description

轨道智能扣件螺栓作业机器人及其作业方法

技术领域

本发明属于铁路轨道附件及铺设各种铁路的机器技术领域，具体涉及一种轨道智能扣件螺栓作业机器人及其作业方法。

背景技术

铁路轨道扣件***作为轨道基础部件的重要组成部分，除了必须有一定的扣压力，能够承受来自钢轨的垂向力、横向力和纵向力的作用外，还起着保证轨道弹性的重要作用。特别是无砟轨道线路，轨道的弹性几乎完全来自钢轨扣件***，无砟轨道的几何尺寸也依靠扣件***来保持和调整。保持无砟轨道的弹性可有效减轻高速列车由于轮载变化、钢轨波磨、高频振动、环境影响等危及列车安全行车的干扰因素。对标落实弹条扣件以离缝间隙为标准的安装，是保证钢轨扣压力和轨道弹性的最佳方案。

铁路轨道扣件的规范安装作业，是保持钢轨正确扣压力和轨道弹性的根本保证，直接关系到列车高速运行的安全和舒适度。发展专业化的智能的弹条扣件安装及离缝检测一体化设备是未来发展的方向。

随着高速铁路建设发展迅速，线路里程快速增长，钢轨扣件扣压力由于受到列车运行的震动影响和扣件弹性变化的影响，需要定期进行检查和更换。现有检查弹条扣件离缝间隙的方法基本靠人工检测，相当耗费人力，且效率低下，扭矩值不稳定，弹条扣件的离缝间隙不一致，影响列车运行的安全性。而快速增长的线路，需要投入大量的人力物力，导致工务部门日常的检查、维修的工作量非常繁重，工程部门新线建设后期联试精调也需要大量的人工作业。

而目前，国内外尚没有以扣件弹条的离缝间隙为目标来控制弹条压紧程度的设备。

发明内容

本发明实施例提供一种轨道智能扣件螺栓作业机器人，旨在解决铁道扣件螺栓检修作业工作强度大、复紧误差大、弹条扣件离缝间隙不一致的问题。

第一方面，为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种轨道智能扣件螺栓作业机器人，包括：车架、集成于所述车架上的行走机构、扣件螺栓复紧机构、升降机构、扣件位置识别模块、扭矩传感器、控制模块与电池模组；

所述扣件螺栓复紧机构包括拧紧驱动电机及与所述拧紧驱动电机驱动相连的拧紧套；所述扣件螺栓复紧机构上设置有所述扭矩传感器；

所述升降机构包括套筒升降电机以及与所述套筒升降电机连接的升降滑台模组，所述拧紧套通过升降板与所述升降滑台模组连接实现升降运动；

所述扣件位置识别模块包括对称固设于所述拧紧套前后方的激光探测传感器；

所述控制模块与所述行走机构、所述扣件螺栓复紧机构、所述升降机构、所述扣件位置识别模块、所述扭矩传感器信号连接；

所述电池模组用于供给所述行走机构、所述扣件螺栓复紧机构、所述升降机构、所述扣件位置识别模块、所述扭矩传感器以及控制模块所需的电源。

结合第一方面，在一种可实现的方式中，所述行走机构包括用于沿轨道行走的轨道行走子机构以及用于驱动平地行走的平地推行机构，所述轨道行走子机构包括设置于所述车架底部的驱动轮和测量轮，所述测量轮的轮轴上设置有用于测量所述测量轮转速的编码器；所述平地推行机构包括四个分设在所述车架四个角部的行走轮。

结合第一方面，在一种可实现的方式中，所述拧紧套包括花键套以及与所述花键套键连接的套筒，所述花键套与所述套筒之间设置有弹簧，所述花键套上还设置有导向孔，所述套筒贯穿所述导向孔的销轴与所述花键套在轴线方向滑动连接。

结合第一方面，在一种可实现的方式中，还包括固设于所述车架上的喷油机构以及连通所述喷油机构的喷油嘴，所述喷油嘴借助连接件连接于所述升降机构的下端，所述喷油嘴朝向所述拧紧套方向喷油。

结合第一方面，在一种可实现的方式中，还包括固设于所述车架底部的靠轮机构，所述靠轮机构包括多个抵靠轮，所述抵靠轮分别抵靠所述轨道的两侧面及顶面。

结合第一方面，在一种可实现的方式中，还包括侧轨支撑机构，所述侧轨支撑机构包括与所述车架连接的侧杆以及连接于侧杆端部的支撑轮，所述支撑轮用于支撑在与待测钢轨平行的钢轨上。

结合第一方面，在一种可实现的方式中，所述侧杆为长度可伸缩的伸缩杆。

结合第一方面，在一种可实现的方式中，所述车架包括车底板和固设于所述车底板上的车箱，所述拧紧驱动电机、所述套筒升降电机、所述控制模块与所述电池模组均安置于所述车箱内；所述车箱的前侧设置有前照明灯，所述车箱的后侧设置有后照明灯，所述车箱的顶部设置有紧急按钮、信号接收天线及报警指示灯。

结合第一方面，在一种可实现的方式中，所述车箱的顶部还设置有平板电脑显示屏，所述显示屏与所述控制模块信号连接，与所述电池模组电连接。

第二方面，本发明实施例还提供了一种轨道智能扣件螺栓作业机器人的作业方法，采用所述的轨道智能扣件螺栓作业机器人；所述方法包括：

所述控制模块获取所述扣件位置识别模块的扣件螺栓位置信息，并根据所述扣件螺栓位置信息判断所述行走机构是否停止，所述升降机构是否升降；所述控制模块还获取所述扭矩传感器的实测扭矩值，并根据所述实测扭矩值判断是否驱动所述扣件螺栓复紧机构拧紧所述扣件螺栓；

当所述控制模块指令所述行走机构停止时，向所述升降机构发送下降指令，并指令所述扣件螺栓复紧机构拧紧扣件螺栓；

若所述控制模块获取的所述实测扭矩值小于预设扭矩值时，所述控制模块指令所述升降机构继续下降，并指令所述扣件螺栓复紧机构继续拧紧；

当所述控制模块获取的实测扭矩值增大的数值大于所述扣件螺栓复紧机构正常拧紧增加的扭矩值时，所述控制模块指令所述扣件螺栓复紧机构停止动作，然后所述套筒在弹簧作用下自反转预设角度，释放扣件螺栓处弹条的压力，使弹条的离缝间隙达到预设目标值。

本发明提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人，与现有技术相比，有益效果在于：能够在钢轨上自动行走、自动识别扣件螺栓位置、准确的定扭矩控制和弹条离缝间隙控制的原理完成对扣件螺栓的复紧作业。作业机器人基于行走机构在轨道上能够完成区间连续走行；基于扣件位置识别模块、扣件螺栓复紧机构、升降机构、扭矩传感器及控制模块，自动识别每个扣件螺栓的准确位置，按照预先设定的作业程序完成“逐点”或“非逐点”的扣件螺栓的旋松或旋紧动作；在旋紧螺栓过程中以扣件弹条的力学特性为依据，对离缝间隙实现有效控制，实现螺栓复紧后弹条离缝间隙自动达到规定的范围。通过采用本发明提供的作业机器人，能够自动检修轨道扣件螺栓，不仅大大降低了工作强度，提升了检修复紧作业的效率，而且所有扣件螺栓的复紧作业精准一致，能够有效提升安全保障度。

本发明提供的铁道智能扣件螺栓作业机器人还具有紧凑，组装、拆卸、运输轻便快捷的特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人的立体结构示意图（前视）；

图2为本发明实施例提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人的立体结构示意图（后视）；

图3为本发明实施例提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人的立体结构示意图（右视）；

图4为本发明实施例提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人的立体结构示意图（左视）；

图5为本发明实施例提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人的内部结构示意图；

图6为本发明实施例提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人的前视结构示意图；

图7为本发明实施例提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人的后视结构示意图；

图8为本发明实施例提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人的左视结构示意图；

图9为本发明实施例提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人的仰视结构示意图；

图10为本发明实施例提供的拧紧套的分解状态结构示意图；

附图标记说明：

1、信号接收天线；2、报警指示灯；3、喷油机构；4、前照明灯；5、前照明灯开关；6、电池模组；7、扣件位置识别模块；701、激光探测传感器；8、平地推行机构；9、侧轨支撑机构；901、侧杆；902、支撑轮；903、限位挡圈；904、连接板；905、调节孔；10、驻车制动开关；11、套筒升降电机；12、平板电源开关；13、控制模块；14、平板电脑显示屏；15、紧急按钮；16、升降滑台模组；17、驱动轮；18、抵靠轮；19、升降板；20、喷油嘴；21、驻车制动机构；22、编码器；23、测量轮；24、后照明灯；25、拧紧驱动电机；26、行星减速机总成；27、扭矩传感器；28、花键套；281、上限位挡盘；282、下限位挡盘；293、导向孔；29、套筒；30、弹簧；31、销轴；32、演示按钮；33、车箱；34、车底板；35、后照明灯开关。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位或位置关系的术语，其为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请一并参阅图1至图10，现对本发明提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人进行说明。所述轨道智能扣件螺栓作业机器人，包括：车架、集成于所述车架上的行走机构、扣件螺栓复紧机构、升降机构、扣件位置识别模块7、扭矩传感器27、控制模块13与电池模组6。

扣件螺栓复紧机构包括拧紧驱动电机25及与所述拧紧驱动电机25驱动相连的拧紧套；扣件螺栓复紧机构上设置有扭矩传感器27；升降机构包括套筒升降电机11以及与套筒升降电机11连接的升降滑台模组16，拧紧套通过升降板19与升降滑台模组16连接实现升降运动；扣件位置识别模块7包括对称固设于拧紧套前后方的激光探测传感器701（如图4及图9所示）；控制模块13与行走机构、扣件螺栓复紧机构、升降机构、扣件位置识别模块7、扭矩传感器信号连接；电池模组6用于供给行走机构、扣件螺栓复紧机构、升降机构、扣件位置识别模块7、扭矩传感器以及控制模块13所需的电源。

本发明提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人，与现有技术相比，有益效果在于：能够在钢轨上自动行走、自动识别扣件螺栓位置、准确的定扭矩控制和弹条离缝间隙控制的原理完成对扣件螺栓的复紧作业。作业机器人基于行走机构在轨道上能够完成区间连续走行；基于扣件位置识别模块7、扣件螺栓复紧机构、升降机构、扭矩传感器27及控制模块13，自动识别每个扣件螺栓的准确位置，按照预先设定的作业程序完成“逐点”（逐一识别每个扣件螺栓的位置）或“非逐点”（非连续地识别扣件螺栓的位置）的扣件螺栓的旋松或旋紧动作；在旋紧螺栓过程中以扣件弹条的力学特性为依据，对离缝间隙实现有效控制，实现螺栓复紧后弹条离缝间隙自动达到规定的范围。具体地，当扣件弹条中部前端下颚接触到钢轨时，套筒29立即停止旋紧动作，然后自动反旋一个预设角度（螺钉3-5˚，螺栓5-10˚），最终实现弹条离缝间隙达到0.5mm以内的目标。

通过采用本发明提供的作业机器人，能够自动检修轨道扣件螺栓，不仅大大降低了工作强度，提升了检修复紧作业的效率，而且所有扣件螺栓的复紧作业精准一致，能够有效提升安全保障度。

本发明提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人，基于目前普遍使用的科技数字智能化的设计，能够在铁路扣件螺栓养护作业施工中，实现在铁路线路上自主数控正反向行走、对扣件螺栓位置的智能识别，并能自动按照高精度定扭矩方式或智能判断弹条离缝方式精确完成扣件螺栓的旋紧、复紧作业。本发明提供的铁道智能扣件螺栓作业机器人还具有紧凑，组装、拆卸、运输轻便快捷的特点。

在一些实施例中，如图1至图9所示，行走机构包括用于沿轨道行走的轨道行走子机构以及用于驱动平地行走的平地推行机构8，轨道行走子机构包括设置于车架底部的驱动轮17和测量轮23，测量轮23的轮轴上设置有用于测量测量轮23转速的编码器22（图4所示）；平地推行机构8包括四个分设在车架四个角部的行走轮。

为适应在作业线路局部移动的需要，主机上线后能以遥控操作的方式前后移动走行，作业后有自动返回的能力，选用轮毂式电动轮作为驱动轮17，驱动轮17有灵敏的减速制动能力；前轮装备有编码器22（驱动轮17为后轮，测量轮23为前轮），可满足移动距离的精确测量。为了满足制动的需要，测量轮23辅以驻车制动机构21，在区间走行时起到辅助制动的作用。

行走机构能够沿轨道前进或后退移动，驱动轮17和测量轮23沿钢轨顶部移动；平地推行机构8使得机器人在地面时可通过行走轮移动。

编码器22是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移。编码器22产生电信号后由数控制置CNC、可编程逻辑控制器PLC、控制***等来处理。

在一些实施例中，如图3及图10所示，拧紧套包括花键套28以及与花键套28键连接的套筒29，花键套28与套筒29之间设置有弹簧30，花键套28上还设置有导向孔293，套筒29贯穿导向孔293的销轴31与花键套28在轴线方向滑动连接。拧紧驱动电机25配置有行星减速机总成26。

具体地，升降滑台模组16带动升降板19与套筒29下降，套筒29与拧紧驱动电机25的主轴通过花键周向限位，两者不能相互转动，但是可沿轴向移动。当需要拧紧螺栓时，升降滑台模组16带动升降板19向下移动，升降板19卡在花键套28的下限位挡盘282上，将套筒29向下压，弹簧30也被压缩，使套筒29与螺栓接触时具有一定的缓冲作用，而防止两者硬碰硬造成的损坏。当套筒29上升时，一方面升降板19向上推动花键套28上的上限位挡盘281带动套筒29上移，另一方面弹簧30的回弹力也绑扎套筒29上移。

本发明提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人，如图1至图9所示，还包括固设于车架上的喷油机构3以及连通喷油机构3的喷油嘴20，喷油嘴20借助连接件连接于升降机构的下端，喷油嘴20朝向拧紧套方向喷油。在对螺栓的旋紧、复紧作业过程中，喷油嘴20随升降机构下降，同时完成对螺栓的涂油作业。

具体地，车架上集成有两套拧紧套，在车架的两侧各设有一套用于给螺栓涂油的喷油机构3。

工作时，涂油机构的喷油嘴20随套筒29升降，当套筒29旋松螺母后，喷油嘴20迅速向露出的螺纹段喷出润滑油脂，随后套筒29将螺母复紧，喷到螺纹段的黄油完全进入螺纹配合副中，完成有效的螺栓涂油工作。

本发明提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人，如图1至图9所示，还包括固设于车架底部的靠轮机构，靠轮机构包括多个抵靠轮18，抵靠轮18分别抵靠轨道的两侧面及顶面。抵靠轮18在机器人行走时，抵靠轮18紧密抵靠在轨道的两侧面和顶面，对机器人的行走路线具有限位的作用，可防止机器人工作时跑偏。

本发明提供的轨道智能扣件螺栓作业机器人，如图1至图2、图4、图6、图7及图9所示，还包括侧轨支撑机构9，侧轨支撑机构9包括与车架连接的侧杆901以及连接于侧杆901端部的支撑轮902，支撑轮902用于支撑在与待测钢轨平行的钢轨上。为保持机器人横向稳定性，设置侧轨支撑机构9，侧杆901端部的支撑轮902搭放在邻轨面上，随主机移动沿邻轨面。

如图1及图2所示，支撑轮902上还设置有限位挡圈903，当侧杆901的长度调整到位后，限位挡圈903可与轨道的侧面抵靠，防止支撑轮902跑偏。

在一些实施例中，如图1至图2所示，侧杆901为长度可伸缩的伸缩杆。具体地，其中一个伸缩杆上设有连接板904，连接板904上设有调节孔905，两个相互配合插接的伸缩杆通过螺栓实现紧固及总长度的调节。

在一些实施例中，如图1至图2所示，车架包括车底板34和固设于车底板34上的车箱33，拧紧驱动电机25、套筒升降电机11、控制模块13与电池模组6均安置于车箱33内；车箱33的前侧设置有前照明灯4，车箱33的后侧设置有后照明灯24，车箱33的顶部设置有紧急按钮15、信号接收天线1及报警指示灯2；各照明灯为LED灯，同时还设有前照明灯开关3和后照明灯开关35。

在一些实施例中，如图1至图2所示，车箱33的顶部还设置有平板电脑显示屏14，平板电脑显示屏14与控制模块13信号连接，平板电脑显示屏14与电池模组6电连接。车箱33顶部还设有平板电源开关12、演示按钮32、避障扫描传感器、驻车制动开关10。

急停按钮的作用：机器人在作业或走行过程中，遇到紧急情况需要立即停车时，可以按下此钮，立即切断全机电源，复位后可以重新恢复工作。

平板电脑显示屏14显示作业过程中和作业结束后***存储的作业数据。

平板电源开关12用于打开或关闭平板电脑的电源。

演示按钮32用于启动控制模块13内设一组作业模式，按下演示按钮32后自动开始预设的作业动作。此功能只是用于演示此机器人的基本功能。

报警指示灯2具有灯光闪烁和声音报警，由于报警或操作程序提示。

避障扫描传感器的作用是当机器人非作业状态和作业完成后自动返回走行时，对前方轨道上的障碍物扫描采样。机器人在总电源开启后，设定完成作业程序，非作业状态下的走行和作业完成后自动返回遇前方有障碍物时，在设备顶部的报警装置应发出警示灯光和报警声响。

信号接收天线1为无线天线，用于遥控器无线通讯。每台机器人配有遥控器，遥控距离100m，承担机器人的所有动作指令的提前设置。如：动作性质的设定（区间走行还是作业走行）、走行方向和速度的设定、作业模式的设定（逐个作业还是非逐个作业）、扣件螺栓性质的选择（螺栓型还是螺钉型）、作业长度的设定（以扣件结点的数量为计距单位）、作业性质的选择（离缝管理还是扭矩管理）、弹条离缝间隙的设定、旋紧扭矩值的设定等等。

电池模组6为锂电池组，具有USB插口，可充电；锂电池组选用48V电源。本发明可由三组锂电池组分别供电：二组电池分别给两组拧紧驱动电机25供电；一组电池给走行和套筒29升降、控制模块13和各传感器、开关按钮供电。三组电池供电路线互不交叉，避免互相干扰。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种轨道智能扣件螺栓作业机器人的作业方法，采用所述的轨道智能扣件螺栓作业机器人；所述方法包括：

控制模块13获取扣件位置识别模块7的扣件螺栓位置信息，并根据扣件螺栓位置信息判断行走机构是否停止，升降机构是否升降；控制模块13还获取扭矩传感器27的实测扭矩值，并根据实测扭矩值判断是否驱动扣件螺栓复紧机构拧紧扣件螺栓；

当所述控制模块13指令行走机构停止时，向升降机构发送下降指令，并指令扣件螺栓复紧机构拧紧扣件螺栓；

若控制模块13获取的实测扭矩值小于预设扭矩值时，控制模块13指令升降机构继续下降，并指令扣件螺栓复紧机构继续拧紧；

当控制模块13获取的实测扭矩值增大的数值大于扣件螺栓复紧机构正常拧紧增加的扭矩值时，控制模块13指令扣件螺栓复紧机构停止动作，然后套筒29在弹簧30复位的带动下自动反转预设角度，释放扣件螺栓处弹条的压力，使弹条的离缝间隙达到预设目标值；其中，控制模块13集成有处理模块、通讯模块、信号采集模块及存储模块。

本发明提供的作业方法还具有容错功能：遇到扣件螺栓或弹条位置异常或缺失无法实现作业动作时，允许试错，机器人向前移动并搜寻下一组正确目标。

本发明的行走机构保证区间连续走行能力、作业走行能力，扣件螺栓复紧机构、升降机构、扣件位置识别模块7、扭矩传感器27和控制模块13保证机器人在向前移动中对扣件螺栓位置的自动识别和准确锁定能力、对弹条离缝实时判断和控制能力、套筒29的对位并准确进入工作状态的能力、螺栓旋紧扭矩的控制能力等。

本发明机器人的区间连续走行功能：

为适应在作业线路局部移动的需要，主机上线后能以遥控操作的方式前后移动走行；作业后有自动返回的能力；选用轮毂式电动轮作为驱动轮，驱动轮有灵敏的减速制动能力；前轮装备有编码器，可满足移动距离的精确测量。满足制动的需要，测量轮辅以机械制动机构，在区间走行时起到辅助制动的作用。

针对本发明的行走机套筒作业功能：设定作业模式后设备自动向前作业。在向前移动过程中，由智能扣件位置识别***锁定螺栓位置，将主机的工作套筒移动到扣件螺栓位置停车，套筒下降准确套入螺栓头，在旋紧螺栓的过程中，控制套筒实现规定动作；工作完成后，套筒提升复位，设备再次启动前行，搜索下一组扣件螺栓，重复之前的动作。左右两侧的作业机构和测控***互相独立，同时工作，互不干扰。可以设置不同作业模式，比如：逐个松螺栓、逐个紧螺栓、逐个先松后紧螺栓、非逐个松或紧螺栓等。

本发明中“主机移动螺栓对位”和“弹条离缝间隙的实时采样判断及控制”是最关键的技术难关。

扣件螺栓位置的智能识别过程如下：

为适应在不同结构的线路使用，扣件螺栓位置的自动识别功能设计为以弹条的“左、右枝”作为搜索扣件螺栓位置的目标物。以套筒为中心，在套筒的前后对称设置2个激光探测传感器，当第1束激光点落在弹条左枝上时，机器人主机立即减速缓慢向前移动，直到第2束激光点照射到弹条左枝上，主机停止移动，此时套筒正好处于螺栓上方。套筒下降就能准确套入螺栓头开始工作。

本发明以弹条为识别目标，采用激光传感器探测的方法。采用激光传感器探测弹条“左、右枝”，探测距离精确调整，特别是在弹条表面有水或油膜时，不影响识别的效果。激光束落点在弹条“左右枝”偏外侧，激光束尽量与弹条垂直。主机在向前移动过程中，当第1束激光点落在弹条左枝上时，主机立即减速缓慢向前移动，直到第2束激光点照射到弹条左枝上，主机停止移动，工作套筒下降正好套入螺栓头，完成位置锁定。

对于不同规格的弹条，作业前可以进行设置选择即可。

对扣件弹条离缝间隙的控制过程如下：

以扣件螺栓扭矩精密测量技术为基础，对弹条受压变形过程中的力学特性全程实时监测，精确搜寻弹条中部前端下颚“接触钢轨瞬间”的扭矩曲线转折点，以此作为精确控制螺栓套筒的旋紧动作的基础。当弹条中部前端下颚接触到钢轨时，套筒立即停止旋紧动作，然后自动反旋一个预设角度（螺钉3-5˚，螺栓5-10˚），最终实现弹条离缝间隙达到0.5mm以内的目标。

本发明基于扭矩传感器，在套筒旋紧螺栓过程中，扭矩传感器实时监测螺栓受到扭矩的变化值，一旦达到设定的扭矩值时，套筒立即停止旋紧，作业结束，显示并记录最终的扭矩值。

扭矩传感器允许在80-300 Nm范围内任意设置目标扭矩值，套筒自动将螺栓旋紧到设定的扭矩，最大实际偏差不大于设定值的±5 %。

弹条离缝间隙控制的工作原理如下：经过反复试验，找到弹条变形的力学特性和螺栓扭矩变化的内在关系，据此研制了弹条离缝间隙采样判断及控制***，在旋紧螺栓过程中可以精确感知套筒承受扭矩的变化。当旋紧螺栓至弹条前端触及到钢轨（或轨距挡块）时，***会感知到扭矩的变化率突然增大，此刻立即停止电机动作，然后指令套筒反转一个预设角度或套筒自反转预设角度，消除因电机的惯性使得套筒对螺栓产生的“过拧”现象，套筒结束工作时得到弹条前端刚好接触钢轨或间隙在0.5mm以内的状态，达到弹条离缝间隙的目标要求。

本发明的套筒的升降机构的设计理念如下：

套筒根据设计的行程通过升降机构实现自动升降。套筒内设有压缩弹簧，适应螺栓高低变化和退出螺母的需要。

由于“螺钉扣件”和“螺栓扣件”的结构差别，对于“螺钉扣件”，完全旋松的螺钉与旋紧状态的螺钉高度差在80mm以上，因此在按照“螺钉模式”作业时，作业后套筒需要提升到高位。

本发明的控制模块作为机器人的电气总控***，具有如下特点：

（一）走行及其控制技术：

本发明驱动轮选用DC48V\300W大扭矩伺服轮毂电机，可以满足在钢轨上快速启停，同时配有电刹，简化了刹车问题。

采用CAN总线通讯，支持CANopen协议的CiA301及CiA402子协议，可挂载127个设备；CAN 总线通讯波特率默认 500Kbps。

采用RS485总线通讯，支持modbus-RTU协议，最多可挂载127个设备；RS485总线通讯波特率默认 115200bps；支持位置控制、速度控制和转矩控制等工作模式；可以通过总线控制电机启停及对电机运行实时状态进行查询；输入电压：24~48VDC； 配有隔离信号输入口，可编程，实现驱动器启停、急停、限位、输出驱动器状态、控制信号等功能；同时具有过压、过流保护。

（二）两侧升降机构控制：

两侧升降机构采用低压伺服直流***，该***采用高性能处理器研发，是一款高性价比伺服控制***，在确保稳定可靠的前提下，追求最贴近应用的功能和性能。相较于步进电机，噪声低、发热小、转速高、恒力矩输出、不丢转；相较于步进伺服电机，完全摒弃了步进产品的先天劣势，功能、性能和可靠性均更优；相较于国外知名高压伺服***，性能接近、价格低廉、易于使用。

（三）拧紧驱动电机的扭矩控制单元

本发明两侧的拧紧驱动电机是一款高性能BLDC电机，控制器是专用定制BLDC驱动器。该套***具备智能控制、功耗较低、使用寿命长等优点。

采用ARM高速芯片控制；可应用于上位机（PLC或单片机等）PWM，频率，或模拟量调速；可采用手动调速方式（自带电位器，也可外接电位器手动调速）；具有过流、过压、 欠压、堵转、 霍尔信号非法、温度保护、异常信号报警输出等功能；高速力矩输出平稳，转速稳定。

（三）扣件位置识别模块的定位锁定控制***

本发明的作业对象是扣件螺栓，由于套筒占据了螺栓上方的空间位置，只能采用间接的定位方法。经过各种方案比较，决定将弹条的左、右枝作为定位目标，采用激光传感器来采集信号。以套筒为中心前后对称布置两个激光探测传感器，间距与弹条左、右枝宽度相等，当两个激光探测传感器同时探测到弹条左、右枝时，等同于探测到螺栓的位置，由此实现快速精准定位。

（四）以ARM为核心的CPU单元：

本发明选用ARM系列中功能强大的STM32F103ZET6作为中央处理器，与之匹配的***功能电路设计还有：

利用光电耦合器将处理器与***设备进行隔离，有效地保护了电路***；

控制模块的主机与平板电脑之间利用串口通信，用户通过平板可以迅速便捷地设定工作参数等信息，主机根据接收的信息进行预设定工作，每次工作完成后都将有效数据传送至平板电脑，平板电脑会自动按当前日期将数据储存至相应的数据库内，为用户将来实现大数据管理、智能化检测提供了便利。

利用串口技术与避障***进行通信，避障***单独设立一套完整的CPU，实时采集。

采用成熟的CAN通信技术，将主控CPU和扭矩CPU、离缝CPU进行有效连接，轻松实现大量的数据交互。

采用NRF无线通信技术与远程操控盒进行信息交互。

控制模块的核心电路板电源部分设计：

主控电路板电源部分设计时考虑到用户操作误将电源正负极接反，固采用防反接电路设计，以此从根源上解决电源正负极接反的问题；同时为了让STM32能更加稳定的工作，本发明选用WRB2403CS电源稳压模块来给STM32***供电，这样隔离出来的VCC电压的纹波系数很低，极大的提高了STM32***的稳定性。

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 (10)

1.一种轨道智能扣件螺栓作业机器人，其特征在于，包括：车架、集成于所述车架上的行走机构、扣件螺栓复紧机构、升降机构、扣件位置识别模块(7)、扭矩传感器(27)、控制模块(13)与电池模组(6)；

所述扣件螺栓复紧机构包括拧紧驱动电机(25)及与所述拧紧驱动电机(25)驱动相连的拧紧套；所述扣件螺栓复紧机构上设置有所述扭矩传感器(27)；

所述升降机构包括套筒升降电机(11)以及与所述套筒升降电机(11)连接的升降滑台模组(16)，所述拧紧套通过升降板(19)与所述升降滑台模组(16)连接实现升降运动；

所述扣件位置识别模块(7)包括对称固设于所述拧紧套前后方的激光探测传感器(701)；

所述控制模块(13)与所述行走机构、所述扣件螺栓复紧机构、所述升降机构、所述扣件位置识别模块(7)、所述扭矩传感器(27)信号连接；

所述电池模组(6)用于供给所述行走机构、所述扣件螺栓复紧机构、所述升降机构、所述扣件位置识别模块(7)、所述扭矩传感器以及控制模块(13)所需的电源。

2.如权利要求1所述的轨道智能扣件螺栓作业机器人，其特征在于，所述行走机构包括用于沿轨道行走的轨道行走子机构以及用于驱动平地行走的平地推行机构(8)，所述轨道行走子机构包括设置于所述车架底部的驱动轮(17)和测量轮(23)，所述测量轮(23)的轮轴上设置有用于测量所述测量轮(23)转速的编码器(22)；所述平地推行机构(8)包括四个分设在所述车架四个角部的行走轮。

3.如权利要求1所述的轨道智能扣件螺栓作业机器人，其特征在于，所述拧紧套包括花键套(28)以及与所述花键套(28)键连接的套筒(29)，所述花键套(28)与所述套筒(29)之间设置有弹簧(30)，所述花键套(28)上还设置有导向孔(293)，所述套筒(29)贯穿所述导向孔(293)的销轴(31)与所述花键套(28)在轴线方向滑动连接。

4.如权利要求1所述的轨道智能扣件螺栓作业机器人，其特征在于，还包括固设于所述车架上的喷油机构(3)以及连通所述喷油机构(3)的喷油嘴(20)，所述喷油嘴(20)借助连接件连接于所述升降机构的下端，所述喷油嘴(20)朝向所述拧紧套方向喷油。

5.如权利要求1所述的轨道智能扣件螺栓作业机器人，其特征在于，还包括固设于所述车架底部的靠轮机构，所述靠轮机构包括多个抵靠轮(18)，所述抵靠轮(18)分别抵靠所述轨道的两侧面及顶面。

6.如权利要求1所述的轨道智能扣件螺栓作业机器人，其特征在于，还包括侧轨支撑机构(9)，所述侧轨支撑机构(9)包括与所述车架连接的侧杆(901)以及连接于侧杆(901)端部的支撑轮(902)，所述支撑轮(902)用于支撑在与待测钢轨平行的钢轨上。

7.如权利要求6所述的轨道智能扣件螺栓作业机器人，其特征在于，所述侧杆(901)为长度可伸缩的伸缩杆。

8.如权利要求1所述的轨道智能扣件螺栓作业机器人，其特征在于，所述车架包括车底板(34)和固设于所述车底板(34)上的车箱(33)，所述拧紧驱动电机(25)、所述套筒升降电机(11)、所述控制模块(13)与所述电池模组(6)均安置于所述车箱(33)内；所述车箱(33)的前侧设置有前照明灯(4)，所述车箱(33)的后侧设置有后照明灯(24)，所述车箱(33)的顶部设置有紧急按钮(15)、信号接收天线(1)及报警指示灯(2)。

9.如权利要求8所述的轨道智能扣件螺栓作业机器人，其特征在于，所述车箱(33)的顶部还设置有平板电脑显示屏(14)，所述平板电脑显示屏(14)与所述控制模块(13)信号连接，与所述电池模组(6)电连接。

10.一种轨道智能扣件螺栓作业机器人的作业方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的轨道智能扣件螺栓作业机器人；所述方法包括：

所述控制模块(13)获取所述扣件位置识别模块(7)的扣件螺栓位置信息，并根据所述扣件螺栓位置信息判断所述行走机构是否停止，所述升降机构是否升降；所述控制模块(13)还获取所述扭矩传感器(27)的实测扭矩值，并根据所述实测扭矩值判断是否驱动所述扣件螺栓复紧机构拧紧所述扣件螺栓；

当所述控制模块(13)指令所述行走机构停止时，向所述升降机构发送下降指令，并指令所述扣件螺栓复紧机构拧紧扣件螺栓；

若所述控制模块(13)获取的所述实测扭矩值小于预设扭矩值时，所述控制模块(13)指令所述升降机构继续下降，并指令所述扣件螺栓复紧机构继续拧紧；

当所述控制模块(13)获取的实测扭矩值增大的数值大于所述扣件螺栓复紧机构正常拧紧增加的扭矩值时，所述控制模块(13)指令所述扣件螺栓复紧机构停止动作，然后指令所述扣件螺栓复紧机构反转预设角度，或者所述套筒(29)在弹簧(30)作用下自反转预设角度，释放扣件螺栓处弹条的压力，使弹条的离缝间隙达到预设目标值。