基于雙機械手推拉式的長鋼軌整形進給輸送系統開發

林獻坤，徐 劍，韓世卓

LIN Xian-kun ，XU Jian，HAN Shi-zhuo

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引言

鋼軌整形是對鐵道線路大修時換下的舊軌，進行去除表面疲勞層的一種切削加工工藝，這種工藝可使舊軌得到重復使用，它對于提高鋼軌利用率，節約鐵道線路鋪設成本和節能減排具有重要作用。以往對舊鋼軌整型加工進給的輸送，多采用多軸滾輪同步輸送的方式[1]，這種輸送方式存在較多不足，主要體現在兩個方面：一方面，若軌底存在浮銹或軌身不均勻，容易引起送軌過程不均勻擾動，經過長期運行，這種擾動會使滾輪磨損不一致，導致輸送滾輪作用力不均勻，從而導致電機間負載不一致，有的甚至超載運行，影響系統穩定；另一方面，為了提高列車行駛的平穩性和運行速度，250m的無縫焊接鋼軌的使用已得到越來越重視，但鋼軌變長使送軌過程所需推力大，焊接鋼軌不可避免存在焊接頭，導致滾輪的同步輸送控制難度增大。

本文針對焊接長鋼軌的整形加工進給方式新要求，以SIMODRIVE 611D為電機驅動控制系統，設計了一種基于推拉交替式的雙機械手鋼軌整形進給輸送系統，給出了機械手結構原理，探討了推拉過程中兩機械手的換手原理，圍繞進給過程的送軌方法展開論述，最后給出這種輸送系統具體實現效果。

1 送軌過程基本原理

1.1 自適應機械手結構

圖1 機械手結構簡圖

為滿足在送軌過程中自動抓取鋼軌的要求，本文設計了如圖1所示的自適應機械手。當需要抓軌時，機械手的上工作臺向下運動，下工作臺向上運動，當壓軌傳感器檢測到鋼軌時，上工作臺停止運動，左右抓手開始動作并以設定的壓力抓住鋼軌，下工作臺在動作一段時間后停止運動以鎖定鋼軌。鋼軌的進給力為抓手與鋼軌間的靜摩擦力，在靜摩擦系數不變的情況下，靜摩擦力取決于抓手與鋼軌間的正壓力，該壓力可通過液壓系統設定。在送軌時，若鋼軌出現彎曲，無法順利在出軌滾道線上送出時，機械手與鋼軌即打滑以保護送軌系統。結構中伺服電機通過減速器帶動齒輪與齒條相對轉動，實現機械手進給運動。

1.2 SIMODRIVE 611D驅動系統

為了保證送軌過程的穩定可靠，選用SIMODRIVE 611D數字驅動系統（簡稱，611D系統）來驅動機械手。611D系統是Siemens推出的新一代數字控制總線驅動的交流驅動，該驅動系統可與數控裝置NCU構成全數字式控制系統。

611D系統的伺服驅動控制實現包括速度控制環，電流控制環，位置控制環，控制信號流程是通過位置環控制器到速度環控制器，再到電流環控制器，最終到伺服電機；伺服電機則將電流和速度信號反饋給電流環控制器和速度環控制器，伺服電機中的編碼器將位置反饋信號傳給位置環控制器，通過這種方式611D系統實現了對機械手的快速、準確和實時的閉環控制進給[2]。為了實現送軌過程中對機械手速度和位置的監控，選用系統中具有MPI通訊接口的監控單元PCU50來實現其與控制系統的數據交互。

1.3 機械手同步原理

兩機械手在換手過程中必須保持同步運動以保證換手過程鋼軌進給無擾動。選用611D系統的“耦合運動TRAILON”功能，來實現兩機械手的同步。TRAILON指令的基本功能是將幾根軸組成一個“耦合軸組”，一個“耦合軸組”可以有一個主導軸和幾個耦合軸，主導軸運動時，耦合軸跟隨主導軸一起運動[4]。

611D系統中，耦合指令“TRAILON”、“TRAILOF”是一組模態指令，它們共同完成一組耦合軸的激活和撤銷。其語法格式為：

TRAILON（耦合軸，主導軸，耦合系數）

TRAILOF（耦合軸，主導軸，耦合系數）

在機械手換手的應用中，耦合系數選為1，即使主導軸與耦合軸綁定為同步軸組。

2 送軌控制原理

2.1 系統的協作機制

正常的送軌過程包含多個環節：1）設置合理的軌位傳感器，實現對鋼軌位置的檢測；2）機械手的運動控制；3）夾緊油缸的夾緊與松開控制；4）操作指令的干預等。為實現這些環節的有效協同需要系統內部有一個合理的協作機制，具體的協作機制如圖2所示。

圖2 送軌控制過程的系統協作機制

圖2中所示，軸運動的NC程序和PLC程序共同組成了送軌程序，兩者之間存在實時數據交互。611D系統提供了一個公共存儲器用于NCK和PLC的數據交換[3]，對于這一公共區域，NCK和PLC都可對其進行讀寫訪問，該公共區域即系統變量$A_DBB[n]，PLC程序通過調用系統功能塊FC21可以實現系統變量$A_DBB[n]與PLC的M寄存器之間的數據交互[5]。基于611D的控制系統可以在PLC程序中讀寫NC變量（NCVAR）以實時獲取機械手的坐標值和進給倍率[6]。PLC程序通過調用系統功能塊FB2將NC變量讀到PLC，通過調用FB3改寫NC變量[5]。人機交互指令以DDE（Dynamic Data Exchange）動態數據交換的方式，實現其與系統R參數、NC變量和PLC寄存器之間的數據通信。

2.2 軌位劃分方法

為了適應實際加工工藝對質量、效率、穩定的要求，送軌方法根據鋼軌位置的不同而不同。圖3給出了輸送系統中鋼軌位置傳感器布置方法，根據這種布置方法，可把軌位劃分成5個階段：

階段1 空進軌階段：鋼軌通過Z4夾緊臺之前的進軌，圖中Z4信號觸發則空進軌結束。

階段2 初進軌階段：空進軌結束到鋼軌通過N4臺的進軌，圖中傳感器N42信號觸發則初進軌結束。

階段3 正常進軌階段：初進軌結束到“準軌尾”出現的進軌，圖中傳感器C1信號消失則正常進軌結束。

階段4 退軌調整階段：“準軌尾”出現到“真軌尾”出現的進軌，圖中傳感器C2信號消失則退軌調整結束。

階段5 最后出軌階段：“真軌尾”出現到鋼軌離開N4臺的進軌，圖中傳感器N42信號消失則最后出軌結束。

圖3 傳感器布置原理圖

如圖3所示，在加工鋼軌的頭部與尾部時，鋼軌處于“懸臂梁”狀態，初進軌與最后出軌采用小倍率輸送鋼軌以保護刀具；由于每次加工鋼軌的長度與進給速度可能不同，加上還可能存在不可預知的故障中途停機，鋼軌尾部進給控制時，機械手X2可能來不及運行到合適位置，導致鋼軌無法拉出銑削區，故增加出軌調整階段；出軌調整階段的作用是調整X1手與X2手的相對位置，保證在最后出軌階段，X1手能在零位抓住鋼軌尾部，從而保證X2手在可運行的行程內將軌尾拉出銑削區。

2.3 送軌過程的換手方法

機械手交替送軌的方法必然存在換手的過程，不同的軌位對應不同的換手方法具體的換手方法如圖4所示。

圖4 機械手控制方法

圖4中剖面線的小矩形區域為兩機械手的同步交替接手環節，以X2手交替X1手為例，其步驟如下：

1）發送耦合指令（TRAILON（X2,X1））：機械手X2作為“耦合軸”跟隨“主導軸”X1同步運動；

2）當耦合完成后（NC信號反饋），機械手X2抓軌；

3）機械手X2已經抓住鋼軌（約2秒），機械手X1松開；

4）機械手X1松開后，發送耦合取消指令（TRAILOF（X2,X1））。

5）當耦合解除后（NC信號反饋），換手步驟完成。

其中每個軌位階段的具體換手方法如下：

1）初進軌：圖中在初進軌的初期，鋼軌處于“懸臂梁”狀態，故機械手X1自零位開始慢速進給；當鋼軌通過機械手X2（圖中交點①）后，開始X2接替X1換手步驟；換手步驟完成后，機械手X2加速以正常加工速度進給，機械手X1回零位等待；當X2到達末端換手位置（圖中交點②），開始X1接替X2換手步驟（X2下工作臺暫不松開）；換手步驟完成后，機械手X2停在末端位置，此時X2手的下工作臺保持以繼續鎖定鋼軌的高度位置；當鋼軌順利通過N4臺即N42信號觸發時（圖中交點③），機械手X2松開下工作臺后回零，初進軌結束。

2）正常進軌：正常進軌采用“最大等待”原則進行送軌，即盡可能的由機械手X2送軌，為出軌爭取最大的可利用資源。如圖機械手X2回零后立刻開始換手步驟，交替機械手X1送軌；當換手步驟完成后，機械手X1立刻回零等待直到機械手X2到達末端換手位置再次開始換手動作，短暫交替機械手X2送軌。

3）出軌調整與最后出軌：根據傳感器C1信號消失時機械手X2是否在中間決策位與末端換手位之間送軌，判斷是否需要調整。如圖傳感器C1信號消失時，機械手X2若處于區域I則需要進行調整，處于區域II不需要調整，正常送軌即可。調整方法：“準軌尾”出現后機械手X1接替X2手送軌，待機械手X2回零位后，調整結束重新執行正常進軌步驟。這樣在最后出軌階段，機械手X1可以在零位交替機械手X2送軌直到其到達末端換手位置后由機械手X2接替X1完成最后的出軌。

3 運行實現效果

該輸送系統在某鐵路局的250m長鋼軌整形機中得到了具體應用，實現了如表1所示技術性能：

表1 技術性能

圖5 進給輸送系統運行監控效果圖

從表中可以看出，機械手在實際應用中達到了較高的進給速度與加速度，且機械手同步時間小于2s，說明送軌效率較高；另外應用激光干涉儀2D時間基準功能跟蹤同步誤差，誤差不超過0.1mm，這說明送軌過程接手比較平穩且無擾動。

為了配合在送軌過程中系統對機械手速度和位置的監控，在監控單元PCU50中開發了如圖5所示人機交互系統，圖中顯示了進軌過程的監控效果，區域1為機械手運行狀態的報警欄；區域2為輸送系統運行狀態監控區，顯示傳感器的工作狀態、換手狀態及兩機械手的實時坐標；區域3用于監視一些輸送系統運行參數。

4 結論

本文針對長鋼軌整形加工過程的進給輸送存在問題，設計了一種支持推拉方式進給輸送系統，論述了基于SIMODRIVE 611D系統耦合指令TRAILON的交替換手原理。探討了感測軌位的傳感器布置和軌位劃分方法，給出了每個階段中的推拉機械手的交替方法。通過對250米長鋼軌的整形加工進給應用，表明給出的基于SIMODRIVE 611D驅動的長鋼軌雙機械手推拉交替式進給輸送系統，具有送軌速度快、過程平穩和接手無擾動等優點。

[1]王世順.長鋼軌平移裝置傳動機構的設計分析[J].機械工程師,2007（5）：58-59.

[2]楊誠,張為民.西門子611D驅動工程應用的優化研究[J].制造技術與機床,2008（3）：53-56.

[3]顧向清.西門子802D Sl在磨床上的應用[J].制造技術與機床,2009（6）：138-141.

[4]SINUMERIK 840D/840Di/810D Synchronized Actions，Siemens,2006.

[5]SINUMERIK 840D sl/840Di sl/840D/840Di Basic Functions,Siemens,2006.

[6]SINUMERIK、SIMODRIVE、SINAMICS Lists2,Siemens，2006.