王縉升 王少華

西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031

0 引言

無(wú)砟軌道在高速鐵路軌道中的占比在70%左右，無(wú)砟軌道具有平順性好、穩(wěn)定性高、使用周期長(zhǎng)以及抗外界因素干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。為確保高速列車的安全平穩(wěn)運(yùn)行，針對(duì)軌道的日常檢測(cè)調(diào)整工作不可或缺，然而由于無(wú)砟軌道的里程以及使用年限的不斷增長(zhǎng)，如此龐大的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)、巨大的里程基數(shù)和增長(zhǎng)情況，結(jié)合無(wú)砟軌道線路需要進(jìn)行綜合翻修、定期維護(hù)以及臨時(shí)調(diào)整的養(yǎng)護(hù)作業(yè)模式，使得無(wú)砟軌道線路精調(diào)的作業(yè)量無(wú)比巨大，給各鐵路局以及施工單位帶來(lái)巨大壓力[1，2]。

扣件的調(diào)整是無(wú)砟軌道精調(diào)作業(yè)中的關(guān)鍵一環(huán)，在精調(diào)作業(yè)過(guò)程中，由于人工的參與，需進(jìn)行扣件調(diào)查、材料準(zhǔn)備和現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記等準(zhǔn)備工作，操作現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜、混亂，扣件拆裝作業(yè)的自動(dòng)化程度較低，且由于作業(yè)人員的技術(shù)水平不一，對(duì)鋼軌高程以及水平方向調(diào)整的精度所有差異，使得整條線路的平順性下降，而高速列車的運(yùn)行速度較高，對(duì)軌道線路的要求很高，軌道動(dòng)靜態(tài)容許偏差值小，人工作業(yè)的難度愈發(fā)加大。針對(duì)軌道精調(diào)作業(yè)人員的培訓(xùn)已無(wú)法滿足需要，從事相關(guān)工作的高水平操作人員越來(lái)越少，且人工作業(yè)的效率也難以跟上軌道里程的快速增長(zhǎng)[3]。

為使扣件拆裝作業(yè)步入自動(dòng)化，提高無(wú)砟軌道精調(diào)作業(yè)的效率，本文設(shè)計(jì)了一種能夠適用于無(wú)砟軌道扣件拆裝作業(yè)的機(jī)械手。首先利用ADAMS軟件建立機(jī)械手的多剛體模型，分析在作業(yè)過(guò)程中各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)變化情況，驗(yàn)證機(jī)械手整機(jī)方案設(shè)計(jì)的合理性，然后利用Ansys軟件對(duì)機(jī)械手主要受力構(gòu)件進(jìn)行柔性化處理，建立機(jī)械手的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并分析上?種模型在作業(yè)期間的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)差異，最后對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡的控制進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)對(duì)機(jī)械手在作業(yè)期間的動(dòng)態(tài)特性分析，為后續(xù)實(shí)機(jī)的制造提供理論指導(dǎo)。

1 扣件拆裝機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)

扣件拆裝機(jī)械手的三維模型如圖1所示。機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)類似于直角坐標(biāo)型機(jī)器人，具有在X、Y、Z方向的直線移動(dòng)自由度，各軸組件主要由基座、滑動(dòng)架、直線導(dǎo)軌以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。這3個(gè)方向上的相互運(yùn)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手執(zhí)行末端在一定空間范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)要求，當(dāng)?shù)竭_(dá)作業(yè)位置時(shí)，末端夾具在氣缸的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)對(duì)扣件相應(yīng)部分的夾取。

圖1 扣件拆裝機(jī)械手模型

2 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 多剛體模型

扣件拆裝機(jī)械手是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包含的組件數(shù)量眾多，若直接導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行分析，需對(duì)各部件進(jìn)行重復(fù)的合并或聯(lián)合操作，同時(shí)還要設(shè)置大量的約束，這將會(huì)明顯提高仿真工作的復(fù)雜程度和計(jì)算時(shí)間。因此，在導(dǎo)入設(shè)計(jì)模型前有必要對(duì)扣件拆裝機(jī)械手進(jìn)行如下簡(jiǎn)化操作[4]：1）將機(jī)械手各零件中的部分細(xì)節(jié)特征如倒角、螺紋孔等刪除；2）為減少約束數(shù)量，將機(jī)械手模型中固定不動(dòng)或相對(duì)不動(dòng)的零部件看作一個(gè)整體。

將簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入ADAMS軟件后，機(jī)械手各零部件之間原本的配合關(guān)系不會(huì)被識(shí)別出來(lái)，需要在零部件之間添加相應(yīng)的約束關(guān)系，使零部件之間具有對(duì)應(yīng)的固定或移動(dòng)關(guān)系[5]。根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況對(duì)機(jī)械手添加相應(yīng)的約束，在不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)之間的部件添加固定副，在滑塊和導(dǎo)軌之間添加移動(dòng)副。通過(guò)對(duì)機(jī)械手實(shí)際作業(yè)過(guò)程的分析，對(duì)于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)路徑來(lái)說(shuō)，其對(duì)扣件的拆卸過(guò)程與安裝過(guò)程是一個(gè)互逆的過(guò)程，在仿真分析時(shí)只需對(duì)其中的一個(gè)工作歷程進(jìn)行分析研究即可。

扣件的拆裝工作要求在6 s內(nèi)完成，通過(guò)分析在每秒時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，得到機(jī)械手在3個(gè)方向移動(dòng)的Step驅(qū)動(dòng)函數(shù)如表1所示。驗(yàn)證模型的正確性后，設(shè)置終止時(shí)間為6 s，步長(zhǎng)為0.01，開(kāi)始對(duì)機(jī)械手進(jìn)行仿真分析，得到機(jī)械手執(zhí)行末端在作業(yè)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)變化曲線如圖2所示。

圖2 執(zhí)行末端運(yùn)動(dòng)變化曲線

表1 Step驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置

綜合分析結(jié)果可以得出，機(jī)械手在1個(gè)工作周期內(nèi)的位移、速度變化曲線連續(xù)平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)較大的波動(dòng)，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)流程與實(shí)際作業(yè)情況相符，滿足使用要求。然而，機(jī)械手在工況轉(zhuǎn)換的瞬間加速度變化存在突變情況，這是由運(yùn)動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)突然啟停造成的，與采用位移Step函數(shù)驅(qū)動(dòng)的方式存在關(guān)聯(lián)，加速度的突變會(huì)使機(jī)械手整機(jī)受到振動(dòng)和沖擊，影響系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。為進(jìn)一步對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行評(píng)估，還原更加真實(shí)的工作情況，需要對(duì)機(jī)械手中的主要受力構(gòu)件進(jìn)行柔性化處理，建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，以研究由于沖擊和振動(dòng)對(duì)機(jī)械手整機(jī)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響。

2.2 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h3>

在拆裝扣件的過(guò)程中，機(jī)械手3個(gè)方向上的基座跨度最大，所以在作業(yè)期間的運(yùn)行精度主要受到X軸、Y軸以及Z軸基座變形的影響，因此將這3個(gè)基座進(jìn)行柔性化處理，其余部件仍視為剛體。

將基座的三維模型導(dǎo)入Ansys APDL，通過(guò)建立剛性區(qū)域輸出各軸基座的MNF模態(tài)中性文件，并導(dǎo)入ADAMS軟件，將生成的柔性體與對(duì)應(yīng)的剛性零件進(jìn)行替換，從而得到機(jī)械手的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型[6]。重新添加對(duì)應(yīng)的約束關(guān)系后，開(kāi)始對(duì)機(jī)械手進(jìn)行仿真分析，得到機(jī)械手執(zhí)行末端的位移變化曲線如圖3所示。

圖3 執(zhí)行末端位移變化曲線

由圖3可知，藍(lán)色實(shí)線和紅色虛線分別表示多剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ偷奈灰谱兓€。通過(guò)比較分析可得，在一個(gè)工作周期內(nèi)，剛?cè)狁詈夏Ｐ椭袡C(jī)械手執(zhí)行末端在作業(yè)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與多剛體模型基本一致。多剛體模型的位移變化曲線穩(wěn)定、光滑，沒(méi)有出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，而剛?cè)狁詈夏Ｐ驮谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較大的波動(dòng)，同時(shí)出現(xiàn)位置偏移現(xiàn)象，這主要是由于在工作過(guò)程中柔性體產(chǎn)生的彈性變形引起的，需進(jìn)一步分析柔性體構(gòu)件的變化對(duì)機(jī)械手的影響。

X軸基座在X、Y、Z方向的位置偏移曲線如圖4所示?？梢钥闯鲈谝粋€(gè)工作周期內(nèi)，X軸基座在3個(gè)方向上均發(fā)生了不同程度的偏移，其中在Y方向和Z方向上的偏移程度相對(duì)較大。

圖4 X軸基座位置偏移曲線

綜合分析結(jié)果，與多剛體模型相比，X軸基座在3個(gè)方向上的最大偏移量分別為1.27 mm、6.16 mm、5.83 mm，其余柔性體構(gòu)件也出現(xiàn)了與X軸基座類似的偏移情況，說(shuō)明機(jī)械手在運(yùn)行過(guò)程中受到的沖擊過(guò)大，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生較大的偏差，故有必要對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃。

3 基于S形速度曲線的路徑規(guī)劃

S形速度曲線的運(yùn)動(dòng)過(guò)程包括加加速、勻加速、減加速、勻速、加減速、勻減速以及減減速7個(gè)階段。如圖5所示，S形速度曲線在不同速度段的銜接處過(guò)渡平滑，且加、減速度變化連續(xù)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程更具柔性，可有效減少機(jī)械手受到的振動(dòng)和沖擊[7，8]。

圖5 S形速度曲線

假設(shè)物體的行程為s，初始位置為s0，初始速度為v0，最大速度為vmax，最大加速度為amax，最大加加速度為jmax，則S形速度曲線在加速階段的分段表達(dá)式為

1）t∈ [0，t1)

2）t∈ [t1，t2)

3）t∈ [t2，t3)

4）在勻速階段，即t∈[t3，t4)時(shí)的表達(dá)式為

一般情況下，S形速度曲線都采用區(qū)間對(duì)稱的規(guī)劃方式，即加、減速階段所需的時(shí)間相等[9]，故減速階段的計(jì)算方法與加速階段類似。根據(jù)上述算法，設(shè)置間隔時(shí)間為0.01 s，計(jì)算出每個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)處達(dá)到的加速度參數(shù)后，作為外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行三次樣條插值，從而得到加速度與時(shí)間的樣條曲線函數(shù)。

將生成的樣條函數(shù)作為驅(qū)動(dòng)，得到機(jī)械手在X、Y、Z方向上移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)如表2所示。

表2 樣條函數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)置

添加對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)后，重新對(duì)剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行仿真分析，得到在S形加減速控制時(shí)，X軸基座在作業(yè)期間的位置偏移曲線如圖6中所示。

圖6 S形加減速時(shí)X軸基座位置偏移曲線

綜合分析結(jié)果，采用S形加減速曲線作為驅(qū)動(dòng)時(shí)，X軸基座在3個(gè)方向上的最大偏移量分別為0.12 mm、0.38 mm、0.35 mm，說(shuō)明由沖擊引起的振動(dòng)幅度明顯減小，規(guī)劃前后執(zhí)行末端的位置偏移曲線如圖7所示。

圖7 規(guī)劃前后執(zhí)行末端位置偏移曲線

可以看出，采用S形加減速曲線作為驅(qū)動(dòng)時(shí)，機(jī)械手執(zhí)行末端的最大位置偏移量由原來(lái)的6.98 mm降至0.39 mm，表明S形速度曲線控制的方式能夠有效降低系統(tǒng)受到的沖擊，提高了機(jī)械手整體運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）采用ADAMS軟件建立了扣件拆裝機(jī)械手的多剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ?，通過(guò)比較2種模型在1個(gè)工作周期內(nèi)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)差異，得出加速度的突變會(huì)使得機(jī)械手整機(jī)受到一定程度的沖擊，影響執(zhí)行末端的運(yùn)動(dòng)精度，剛?cè)狁詈夏Ｐ湍軌蚋訙?zhǔn)確地模擬機(jī)械手在真實(shí)條件下的作業(yè)情況。

2）采用S形速度曲線作為樣條函數(shù)驅(qū)動(dòng)后，剛?cè)狁詈夏Ｐ椭械娜嵝詷?gòu)件產(chǎn)生的彈性變形明顯減小，執(zhí)行末端的位置偏移現(xiàn)象得到控制，有效降低了機(jī)械手整機(jī)受到的沖擊，提高了機(jī)械手運(yùn)行的平穩(wěn)性，為機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制和優(yōu)化提供了參考。