承载鞍柔性移动装配系统

本发明涉及铁路货车转向架检修技术，特别是一种用于铁路货车转向架的承载鞍柔性移动装配系统。

背景技术：

铁路货车转向架在落装过程中，需要将转向架吊起后，再将承载鞍装入转向架导框中，再使用专用卡子将承载鞍固定到转向架侧架导框中，然后将承载鞍与转向架一同落装到车体的四个轮轴上。上述过程中，将承载鞍装入转向架侧架导框并用专用卡子或者夹具(固定吊架)固定这部分，称为承载鞍的装配(组装)作业。承载鞍的装配作业目前主要是由人工作业的方式来完成。由于承载鞍重量较重，如转k2型承载鞍约重13kg，转k6型承载鞍(含轴箱橡胶垫)约重37kg。所以，依靠人工来完成承载鞍的装配劳动强度大、安全隐患多、作业效率低。

为了解决上述问题，现在由工人利用悬臂吊等作为辅助搬运工具，来完成承载鞍装配作业的方式越来越普遍。利用辅助搬运工具，在很大程度上减小了工人的劳动强度，并在一定程度上避免了安全隐患。然而，这种作业方式并未能够在本质上解决人工作业所存在的问题。

针对于此，相关企业及科研人员进行了不断的探索，但所采用的办法基本上都是缓解了承载鞍装配过程中承载鞍转运的问题；然而，对于承载鞍装入侧架导框以及承载鞍与导框的固定，在很大程度上仍然需要人的参与才能完成。

随着铁路货运的大力发展，转向架检修的任务量也随之与日剧增。为了能够适应时代的发展、任务的需要，研发一款自动化的、无需人员干涉的承载鞍装配设备是一件有着重要意义的事情。

技术实现要素：

本发明主要目的在于实现承载鞍装配作业的无人化、自动化，从而解放出人力，降低人工成本，因此，本发明提供了一种承载鞍自装配设备。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种承载鞍柔性移动装配系统，包括agv小车、控制单元、承载鞍顶升单元、缓存输送单元、定位检测单元和吊架移挂单元；agv小车承载面上固定安装有支撑架，支撑架呈矩形框架结构，缓存输送单元安装在支撑架的顶面并靠近顶面一边，顶面上靠近与该边的对边上安装有所述定位检测单元；控制单元安装在缓存输送单元下方的支撑架内，承载鞍顶升单元安装在定位检测单元下方的支撑架内；吊架移挂单元安装在支撑架顶面并且跨列于缓存输送单元的上方；控制单元分别与agv小车、承载鞍顶升单元、缓存输送单元、定位检测单元和吊架移挂单元电连接及信号连接，控制单元用于控制本系统的所有流程及动作，并且完成与上位机之间的通信；承载鞍顶升单元的作用是根据目标点位姿信息负责将承载鞍顶升至侧架导框处；定位检测单元的作用是完成目标点位姿的检测，为承载鞍顶升单元提供目标点的位姿信息；缓存输送单元作用是暂时存储承载鞍以及完成将承载鞍输送给承载鞍顶升单元的任务；吊架移挂单元的作用是完成固定吊架的抓取，并利用固定吊架将承载鞍固定在侧架导框中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在控制单元的作用下：通过agv小车，实现了承载鞍的自动化转运；通过缓存输送单元，实现了承载鞍装配与上料的自动化连接，节省了每次取料的时间；通过定位检测单元实现目标点的检测，为承载鞍顶升单元提供目标点的位姿信息；通过设置承载鞍顶升单元，实现了承载鞍装入侧架导框的自动化作业；通过设置吊架移挂单元，实现了承载鞍的自动化固定。

为了进一步提高本发明的实用性，还可以在上述方案的基础上对本发明做进一步改进，下面对改进方案进行一一介绍。

进一步的，承载鞍顶升单元设置有x、y、z三个相互垂直的移动轴，其中，x轴和y轴为水平轴，z轴为竖直轴，并且在z轴顶部还设置有一个旋转平台。

进一步的，x轴、y轴分别采用伺服滑台，z轴采用伺服电缸实现顶升；在伺服电缸的伸缩端固定安装有伺服回转台，该伺服回转台作为旋转平台；在伺服回转台上设置有利用直线电机的定子和直线滑轨搭建的夹具定位平台。

进一步的，缓存输送单元由缓存组件安装板、直线滑轨组件、直线电机和滑轨安装座构成；缓存输送单元中设置两条规格相同且相互平行的输送线，该输送线由直线电机和直线滑轨组件构成，直线电机的动子及直线滑轨组件的滑座分别与承载鞍定位夹具固定连接；缓存输送单元的输送线与承载鞍顶升单元中的夹具定位平台，二者采用相同规格、相同型号的直线电机及直线滑轨组件，并且二者的直线电机定子与滑轨组件以相同安装方式及位置搭建，以保证当二者之间的直线电机的定子、滑轨对正后，直线电机的动子带动滑座及承载鞍定位夹具在输送线及夹具定位平台之间转运承载鞍。

进一步的，定位检测单元包括由图像处理单元、辅助光源、照相机、镜头和安装相机用的移动平台，其中，辅助光源、照相机、镜头和安装相机用的移动平台组成图像采集单元。

进一步的，定位检测单元采用条灯做为辅助光源；移动平台包括伺服滑台、直线轴承组件和相机安装座，伺服滑台和直线轴承分别固定在支撑架的两侧，相机安装座分别与伺服滑台的滑座及直线轴承固定连接；相机固定安装在相机安装座上且相机的镜头朝上。

进一步的，吊架移挂单元由机械臂支座、ur机械臂、电动夹爪组成；ur机械臂固定安装在机械臂支座上，ur机械臂的末端执行器上安装有电动夹爪，电动夹爪上安装有一对吊架抓手。

进一步的，在机械臂支座的窄边两侧设置有吊架存放部。

进一步的，agv小车选用全向运动型小车并且采用二维码导航；agv小车上安装有蓄电池，该蓄电池作为控制单元、缓存输送单元、承载鞍顶升单元、定位检测单元和吊架移挂单元的供电装置；蓄电池安装在缓存输送单元下方。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例中支撑架的结构示意图。

图3是本发明实施例中承载鞍顶升单元的结构示意图。

图4是本发明实施例中缓存输送单元的结构示意图。

图5是本发明实施例中定位检测单元的结构示意图。

图6是本发明实施例中吊架移挂单元的结构示意图。

图7是本发明实施例中所应用的承载鞍定位夹具的结构示意图。

图8是本发明实施例中所应用的固定吊架的结构示意图。

图9是以转k6型转向架为例的侧架导框示意图及目标点检测算法原理图。

图10是以转k6型转向架为例的目标点检测算法流程图。

图中：agv小车1；控制箱2；承载鞍顶升单元3，x轴301，y轴302，z轴303，旋转平台304，夹具定位平台305，第一滑轨安装座30501；缓存输送单元4；缓存组件安装板401、直线滑轨组件402、直线电机403、第二滑轨安装座404；定位检测单元5；条灯501、支架502、照相机503、镜头504、移动平台505、相机安装座506；吊架移挂单元6；机械臂支座601、ur机械臂602、电动夹爪603、吊架抓手604、吊架存放部605；支撑架7，底板701；承载鞍定位夹具8；固定吊架9；转向架10，转向架顶升装置11。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系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。

本发明所提供的承载鞍柔性移动装配系统主要采用了自导航小车(agv)技术、机器视觉技术(图像采集及图像处理技术)、直线电机403技术、传感器技术、坐标机器人技术、串联协作机器人技术和plc控制技术，并且为了降低实现承载鞍自动化装配作业的难度，还对固定吊架9和承载鞍的定位夹具进行改造，设计了专用的安装方式、统一的固定吊架9及通用的承载鞍定位夹具8。本发明主要利用上述相关技术来完成承载鞍柔性移动装配系统的开发，通过agv技术实现承载鞍装配的初步定位，将承载鞍导框的中心作为目标检测点，通过图像采集、图像处理技术以及相关算法得到目标检测点的位姿信息，并通过坐标机器人技术(如直线模组、伺服电缸等)实现承载鞍的顶升到位，通过协作机器人技术完成固定吊架9的抓取及承载鞍与侧架的固定，通过直线电机403技术完成承载鞍的暂缓和输送。

下面将结合附图及优选的实施例对本发明做进一步详述。

如图1所示本发明实施例中所提供的承载鞍柔性移动装配系统主要由agv小车1、控制单元、缓存输送单元4、承载鞍顶升单元3、定位检测单元5和吊架移挂单元6等构成。

本实施例中，所用agv小车1为全向运动型(即装有麦克奈姆式车轮)agv；该agv小车1定点停车的重复定位精度在10mm以内，通过agv小车1的定点停车实现本实施例的装配作业时的初步定位。所用的agv小车1为普通移载式即可，agv小车1的额定负载优选500kg，其导航方式可根据具体工况进行选择，本实施例针对地面质量较好光滑平整、干净少尘的工况，因此选用了二维码导航，对于复杂的工况可以选择视觉导航等。

agv小车1承载面上固定安装有支撑架7，支撑架7采用型材焊接制作，本实施例中制作支撑架7的主要型材是50*50*3mm的方形钢管；支撑架7呈矩形框架结构，如图2所示，支撑架7的底部设置有底板701，底板701用于与agv小车1固定连接，同时，承载顶升单元、控制单元以及供电装置均固定安装在支撑架7的底板701上。在实施本发明时，支撑架7也可以采用铝型材拼接制作，采用铝型材制作支撑架7能够减轻agv小车1的负载。

如图1所示，定位检测单元5、缓存输送单元4和吊架移挂单元6分别固定安装在支撑架7顶面上，其中缓存输送单元4安装在支撑架7顶面并靠近顶面左边，即承载鞍的输送方向与支撑架7顶面左边所在直线方向相垂直；吊架移挂单元6跨列在缓存输送单元4的上方；定位检测单元5靠近顶面远离缓存输送单元4的一边(顶面右边)。

agv小车1上安装有蓄电池，该蓄电池作为控制单元、缓存输送单元4、承载鞍顶升单元3、定位检测单元5和吊架移挂单元6的供电装置。控制单元以及供电装置(蓄电池)安装在缓存输送单元4下方的支撑架7内(固定在底板701上)，承载鞍顶升单元3安装在定位检测单元5下方的支撑架7内(固定在底板701上)。

控制单元分别与agv小车1、缓存输送单元4、承载鞍顶升单元3、定位检测单元5和吊架移挂单元6电连接及信号连接，控制单元用于控制本系统的所有流程及动作，并且完成与上位机之间的通信。本发明中的控制单元是基于plc(可编程逻辑控制器)开发的。在本实施例中，控制单元集成安装在控制箱2内，控制箱2内还安装有定位检测单元5的相关控制器及图像处理模块，系统中的各种伺服驱动的伺服放大器及其他辅助控制元件等等，都集成安装在控制箱2内。

承载鞍顶升单元3的作用是根据目标点位姿信息将承载鞍顶升至侧架导框处；承载鞍顶升单元3设置有x轴301、y轴302、z轴303三个相互垂直的移动轴，x轴301为水平轴，y轴302为水平轴，z轴303为竖直轴并且在z轴303顶部还设置有一个旋转平台304。如图3所示，本实施例中x轴301由一伺服滑台和一对直线轴承组件搭建的，x轴301位于底层，固定在支撑架7底板701上；y轴302安装在x轴301上方并与x轴301垂直，y轴302采用一个伺服滑台；z轴303采用伺服电缸，在x轴301上(即伺服滑台的动子滑块上)固定安装有z轴303安装架，伺服电缸固定在z轴303安装架上，在伺服电缸的伸缩端固定连接有回转台安装座，并且回转台安装座下方沿z轴303方向上设置有两根导杆，导杆对称设置在伺服电缸前后两侧；在z轴303安装架上对应每个导杆位置设置有自润滑式的导套，导杆穿过与其对应的导套并与导套滑动连接。伺服回转台固定安装在回转台安装座上；在伺服回转台上设置有利用直线电机403的定子和直线滑轨搭建的夹具定位平台305，如图3中所示，在直线电机403定子的两侧对称设置有第一滑轨安装座30501，第一滑轨安装座30501上分别安装有与第一滑轨安装座30501等长的滑轨，且直线电机403的定子与滑轨安装座等长，在该夹具定位平台305可以同时设置机械限位和电限位，以保证承载鞍定位夹具8的停止位置的精准度。

缓存输送单元4作用是暂时存储承载鞍以及完成将承载鞍输送给承载鞍顶升单元3的任务；缓存输送单元4由缓存组件安装板401、直线滑轨组件402、直线电机403、第二滑轨安装座404构成；缓存输送单元4中设置两条规格相同且相互平行的输送线，该输送线由直线电机403和直线滑轨组件402构成。如图4所示，本实施例中，承载鞍的输送线由直线电机403、直线滑轨组件402和第二滑轨安装座404等组成，在直线电机403两侧对称设置有两个第二滑轨安装座404，在第二滑轨安装座404上安装有直线导轨组件；在每条输送线上分别设置有承载鞍定位夹具8，并且承载鞍定位夹具8分别与滑座及直线电机403的动子固定连接。基于直线电机403技术并配合直线滑轨组件402设计的缓存输送单元4，利用直线电机403的灵活、快速和定位精度高的特性来完成承载鞍的缓存和输送。

在本发明实施例中，承载鞍定位夹具8在承载鞍顶升单元3和缓存输送单元4之间进行传递；直线电机403的动子带动滑座及承载鞍定位夹具8在输送线及夹具定位平台305之间转运承载鞍；该传递由输送线上直线滑轨组件402的滑块、直线电机403的动子带动承载鞍定位夹具8来完成。

在本实施例中，为了能够实现夹具定位平台305与输送线的精准对接，输送线上的滑轨、直线电机403的定子以及第二滑轨安装座404三者等长，同样，在夹具定位平台305上，滑轨、直线电机403的定子以及第一滑轨安装座30501三者等长；夹具定位平台305和输送线分别以二者之间的对接面为安装基准及加工基准。

在实施本发明实施例时，缓存输送单元4与承载鞍顶升单元3，二者所使用的直线电机403及直线滑轨组件402采用相同规格、相同型号、相同安装方式及位置。在控制单元的作用下，承载鞍顶升单元3通过x轴301、y轴302、z轴303及伺服旋转台，能够使得分别完成与缓存输送单元4中两条输送线的对接，从而使得装有承载鞍的承载鞍定位夹具8被直线电机403及滑块运输到夹具定位平台305上(以及完成其逆过程，即将空的承载鞍定位夹具8从夹具定位平台305上传送回缓存输送单元4的输送线)，完成承载鞍的供料。

本实施例中所应用的承载鞍定位夹具8能够实现转k2型承载鞍和转k6型承载鞍通用。其结构如图7所示。使用此承载鞍定位夹具8时，转k2型承载鞍和转k6型承载鞍的安装方向正好相互垂直。

定位检测单元5的作用是完成目标点位姿的检测，为承载鞍顶升单元3提供目标点的位姿信息；定位检测单元5包括图像处理模块、辅助光源、照相机503、镜头504和安装相机用的移动平台505，其中，辅助光源、照相机503、镜头504和安装相机用的移动平台505等组成了图像采集模块。如图5所示，本实施例中，定位检测单元5采用条灯501做为辅助光源；移动平台505包括伺服滑台、直线轴承组件和相机安装座506，伺服滑台和直线轴承分别固定在支撑架7的两侧，相机安装座506分别与伺服滑台的滑座及直线轴承固定连接；相机固定安装在相机安装座506上且相机的镜头504朝上。为了采集到的图像更加清晰，在本实施例中，两条灯501对称设置在支撑架7顶面两侧并且条灯501均倾斜向上照射，条灯501与水平面间的倾斜角度约为45°。在定位检测单元5安装处、支撑架7顶面两侧边上设置有用于安装灯条的支架502，支架502上设置有45°的安装斜面。

定位检测单元5主要利用图像采集及图像处理技术；利用最小二乘法或者霍夫变换来拟合出侧架导框中的两组平行线，根据拟合出的平行线计算出承载鞍导框的中心点位姿信息，该中心点即目的检测点。在本实施例中，采用基于霍夫变换(即：houghlines)开发的算法来实现目标点位姿信息的获取。

吊架移挂单元6的作用是完成固定吊架9的抓取，并利用固定吊架9将承载鞍固定在侧架导框中。吊架移挂单元6由机械臂支座601、ur机械臂602、电动夹爪603组成；ur机械臂602固定安装在机械臂支座601上，ur机械臂602的末端执行器上安装有电动夹爪603，电动夹爪603上安装有一对吊架抓手604。如图6所示，本实施例中，机械臂支座601的窄边两侧设置有吊架存放部605。

本实施例中所应用的固定吊架9的结构如图8所示，固定吊架9呈对称结构，左右两侧的吊挂板与吊架主体铰接。

在使用本发明实施例时，需要配置相应的供料系统；供料系统主要负责承载鞍和固定吊架9的供应；即供料系统与承载鞍柔性移动装配系统对接，利用机器臂或者坐标机器人将承载鞍放置到缓存输送单元4的承载鞍定位夹具8上，固定吊架9由ur机器臂自行抓取。当然，供料系统的工作，如果有需要也可以由人工来完成。

实现供料系统的具体方案：在放置承载鞍平台附近设置一台六轴串联机械臂，在该机械臂的末端执行器上安装有电磁铁，通过电磁铁完成承载鞍的抓取，在该机械臂的抓取行程内预设agv小车1的停车点(上料位置)，在agv小车1停车点附近，设置有固定吊架9存放平台，固定吊架9存放平台设置在吊架移挂单元6中ur机械臂602的工作行程范围内。为了实现转向架10的固定及在竖直方向的定位，在转向架10各侧架下方分别设置有一个转向架顶升装置11，并且两个转向架顶升装置11的动作同步、顶升高度相同、二者的顶面在同一平面上。该转向架顶升装置11可以采用液压缸或者伺服电缸作为驱动。

依靠本发明实施例实现的承载鞍自动化装配作业流程如下。

第一步，由供料系统将承载鞍放置到位于缓存输送单元4的承载鞍定位夹具8上；吊架移挂单元6中的ur机械臂602负责抓取固定吊架9，并将一个固定吊架9放置在机械臂支座601一侧的吊架存放部605上；此过程中，承载鞍顶升单元3的夹具定位平台305与其中的缓存输送单元4的一条输送线对接，并且缓存输送单元4将该输送线上的承载鞍定位夹具8及承载鞍移送到承载鞍顶升单元3的夹具定位平台305上。

第二步，待检修线上转向架10运行至预设位置，由转向架顶升装置11将转向架10侧架摆正并顶起转向架10至预设高度。

第三步，agv小车1启动，运行至a(b)点(预设初定位点)；定位检测单元5开始采集图像，图像采集完毕，将获取的目标点位姿信息传给控制单元，并且在由伺服滑台带动相机移动到支持架边缘处(该位置为预设位置，通过设置接近开关等实现定位)，避让开承载鞍顶升单元3的作业位置；当伺服滑台移动到预设位置后触发信号，伺服滑台停止运行，承载鞍顶升单元3x轴301和y轴302启动，运行到目标位置后旋转平台304启动调整好姿态，z轴303启动将承载鞍顶升到位。

第四步，承载鞍顶升到位后，在控制单元的作用下，吊架移挂单元6根据定位检测单元5检测获取的目标点位姿信息，将固定吊架9移送至相应的位置，并完成承载鞍在侧架上的固定。

固定承载鞍时只需吊架移挂单元6中的ur机器臂，将固定吊架9对正承载鞍位置后，竖直向下运动，当固定吊架9两侧的吊挂板向外转动打开，直到吊挂部避开障碍(一般为承载鞍两侧的定位挡)，吊挂板在重力作用下复位；此时，固定吊架9主体与转向放置在转向架10侧架上方，承载鞍的固定完成。

第五步，承载鞍固定好后，电动夹爪603松开固定吊架9并且ur机械臂602复位；承载鞍顶升单元3z轴303启动并下降，下降到一定位置后伺服旋转台复位，x轴301、y轴302均复位；当夹具定位平台305与原输送线恢复对接后，对应的直线电机403启动，将承载鞍定位夹具8回传给该输送线；然后，x轴301,y轴302启动，实现夹具定位平台305与另一条输送线的对接，对接完成后，该输送线上的承载鞍定位夹具8及承载鞍，移送到夹具定位平台305上，定位检测单元5复位；在上述过程中，当z轴303下降到一定高度(避开障碍后，在实际使用时，由技术人员根据具体情况调节此高度)时，即伺服旋转平台304能够转动并复位时，agv小车1启动，去下一预设的安装位置(b点)处。

伺服旋转平台304复位后的其他动作，均可在agv小车1去下一定位点的过程中完成。

第六步，agv小车1到达b点后，重复第三步和第四步；完成b点承载鞍装配。

第七步，b点装配完成后，在控制单元的作用下，agv小车1回到供料系统的上料位置处，将两输送线的承载鞍定位夹具8上分别装好承载鞍(与安装点位对应的承载鞍)，并完成固定吊架9的储备及抓取后，agv小车1启动并移动至c点。

第八步，重复第三、四、五、六步，直到将c\d处的承载鞍全部装配完毕；当d点处的承载鞍装完后，agv作业单元上各部件复位，agv作业单元返回至供料系统的上料位置处，准备完成下一转向架10承载鞍装配所需的承载鞍和固定吊架9。

上述过程中，a、b、c、d四点分别对应转向架侧架四个承载鞍的安装位置处。

目标点检测算法(以转k6型转向架为例)：如图9、10所示，利用houghlines获得所要检测的两组平行线，并通过检测到的每条线段上的两端点确定该线段所在直线的方程。

图9中一组平行线记为l1和l2，其直线方程分别记为：

l1：y＝kx+b1；

l2：y＝kx+b2；

该组平行线的中心线的直线方程记为l3,其直线方程记为：

l3:y＝kx+b3；

其中，

另一组平行线记为l1和l2，其直线方程分别记为：

l1：y＝kx+b1；

l2：y＝kx+b2；

该组平行线的中心线记为l3，其直线方程记为：

l3：y＝kx+b3；

其中，

两组平行线的中心线相互垂直，并且显然l3和l3的交点就是目标检测点。

求出l3和l3的交点，设该点为m，其坐标记为(x3,y3)。

将m点坐标分别带入l3和l3的直线方程中，由于l3和l3垂直所以得到方程组：

解该方程组得：

即求得m点在像素坐标系中的坐标。通过坐标变化将m点(即目标检测点)与机械臂换算到同一坐标系内，从而将检测到的目标点的位姿信息传递给控制单元，在控制单元的作用下由其他各单元配合完成承载鞍装配作业。

以上内容，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。