扣件拆裝機械手多體系統動力學研究

王縉升 王少華

西南交通大學機械工程學院 成都 610031

0 引言

無砟軌道在高速鐵路軌道中的占比在70%左右，無砟軌道具有平順性好、穩定性高、使用周期長以及抗外界因素干擾能力強等優勢。為確保高速列車的安全平穩運行，針對軌道的日常檢測調整工作不可或缺，然而由于無砟軌道的里程以及使用年限的不斷增長，如此龐大的高速鐵路網絡、巨大的里程基數和增長情況，結合無砟軌道線路需要進行綜合翻修、定期維護以及臨時調整的養護作業模式，使得無砟軌道線路精調的作業量無比巨大，給各鐵路局以及施工單位帶來巨大壓力[1，2]。

扣件的調整是無砟軌道精調作業中的關鍵一環，在精調作業過程中，由于人工的參與，需進行扣件調查、材料準備和現場標記等準備工作，操作現場復雜、混亂，扣件拆裝作業的自動化程度較低，且由于作業人員的技術水平不一，對鋼軌高程以及水平方向調整的精度所有差異，使得整條線路的平順性下降，而高速列車的運行速度較高，對軌道線路的要求很高，軌道動靜態容許偏差值小，人工作業的難度愈發加大。針對軌道精調作業人員的培訓已無法滿足需要，從事相關工作的高水平操作人員越來越少，且人工作業的效率也難以跟上軌道里程的快速增長[3]。

為使扣件拆裝作業步入自動化，提高無砟軌道精調作業的效率，本文設計了一種能夠適用于無砟軌道扣件拆裝作業的機械手。首先利用ADAMS軟件建立機械手的多剛體模型，分析在作業過程中各個方向的運動變化情況，驗證機械手整機方案設計的合理性，然后利用Ansys軟件對機械手主要受力構件進行柔性化處理，建立機械手的剛柔耦合模型，并分析上述2種模型在作業期間的動力學響應差異，最后對機械手運動軌跡的控制進行了優化。通過對機械手在作業期間的動態特性分析，為后續實機的制造提供理論指導。

1 扣件拆裝機械手基本結構

扣件拆裝機械手的三維模型如圖1所示。機械手的基本結構類似于直角坐標型機器人，具有在X、Y、Z方向的直線移動自由度，各軸組件主要由基座、滑動架、直線導軌以及傳動機構組成。這3個方向上的相互運動能實現機械手執行末端在一定空間范圍內的運動要求，當到達作業位置時，末端夾具在氣缸的帶動下實現對扣件相應部分的夾取。

圖1 扣件拆裝機械手模型

2 多體系統動力學分析

2.1 多剛體模型

扣件拆裝機械手是一個復雜的結構，包含的組件數量眾多，若直接導入ADAMS軟件進行分析，需對各部件進行重復的合并或聯合操作，同時還要設置大量的約束，這將會明顯提高仿真工作的復雜程度和計算時間。因此，在導入設計模型前有必要對扣件拆裝機械手進行如下簡化操作[4]：1）將機械手各零件中的部分細節特征如倒角、螺紋孔等刪除；2）為減少約束數量，將機械手模型中固定不動或相對不動的零部件看作一個整體。

將簡化模型導入ADAMS軟件后，機械手各零部件之間原本的配合關系不會被識別出來，需要在零部件之間添加相應的約束關系，使零部件之間具有對應的固定或移動關系[5]。根據實際作業情況對機械手添加相應的約束，在不產生相對運動之間的部件添加固定副，在滑塊和導軌之間添加移動副。通過對機械手實際作業過程的分析，對于機械手的運動路徑來說，其對扣件的拆卸過程與安裝過程是一個互逆的過程，在仿真分析時只需對其中的一個工作歷程進行分析研究即可。

扣件的拆裝工作要求在6 s內完成，通過分析在每秒時間內的運動情況，得到機械手在3個方向移動的Step驅動函數如表1所示。驗證模型的正確性后，設置終止時間為6 s，步長為0.01，開始對機械手進行仿真分析，得到機械手執行末端在作業過程中的運動變化曲線如圖2所示。

圖2 執行末端運動變化曲線

表1 Step驅動函數設置

綜合分析結果可以得出，機械手在1個工作周期內的位移、速度變化曲線連續平穩，沒有出現較大的波動，機械手運動流程與實際作業情況相符，滿足使用要求。然而，機械手在工況轉換的瞬間加速度變化存在突變情況，這是由運動過程中驅動突然啟停造成的，與采用位移Step函數驅動的方式存在關聯，加速度的突變會使機械手整機受到振動和沖擊，影響系統整體的穩定性。為進一步對機械手的運動情況進行評估，還原更加真實的工作情況，需要對機械手中的主要受力構件進行柔性化處理，建立剛柔耦合動力學模型，以研究由于沖擊和振動對機械手整機結構帶來的影響。

2.2 剛柔耦合模型

在拆裝扣件的過程中，機械手3個方向上的基座跨度最大，所以在作業期間的運行精度主要受到X軸、Y軸以及Z軸基座變形的影響，因此將這3個基座進行柔性化處理，其余部件仍視為剛體。

將基座的三維模型導入Ansys APDL，通過建立剛性區域輸出各軸基座的MNF模態中性文件，并導入ADAMS軟件，將生成的柔性體與對應的剛性零件進行替換，從而得到機械手的剛柔耦合動力學模型[6]。重新添加對應的約束關系后，開始對機械手進行仿真分析，得到機械手執行末端的位移變化曲線如圖3所示。

圖3 執行末端位移變化曲線

由圖3可知，藍色實線和紅色虛線分別表示多剛體模型和剛柔耦合模型的位移變化曲線。通過比較分析可得，在一個工作周期內，剛柔耦合模型中機械手執行末端在作業過程中的運動趨勢與多剛體模型基本一致。多剛體模型的位移變化曲線穩定、光滑，沒有出現波動現象，而剛柔耦合模型在運動過程中會出現相對較大的波動，同時出現位置偏移現象，這主要是由于在工作過程中柔性體產生的彈性變形引起的，需進一步分析柔性體構件的變化對機械手的影響。

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€工作周期內，X軸基座在3個方向上均發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較大。

圖4 X軸基座位置偏移曲線

綜合分析結果，與多剛體模型相比，X軸基座在3個方向上的最大偏移量分別為1.27 mm、6.16 mm、5.83 mm，其余柔性體構件也出現了與X軸基座類似的偏移情況，說明機械手在運行過程中受到的沖擊過大，這會導致機械手的運動軌跡產生較大的偏差，故有必要對機械手的運動軌跡進行規劃。

3 基于S形速度曲線的路徑規劃

S形速度曲線的運動過程包括加加速、勻加速、減加速、勻速、加減速、勻減速以及減減速7個階段。如圖5所示，S形速度曲線在不同速度段的銜接處過渡平滑，且加、減速度變化連續，運動過程更具柔性，可有效減少機械手受到的振動和沖擊[7，8]。

圖5 S形速度曲線

假設物體的行程為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)時的表達式為

一般情況下，S形速度曲線都采用區間對稱的規劃方式，即加、減速階段所需的時間相等[9]，故減速階段的計算方法與加速階段類似。根據上述算法，設置間隔時間為0.01 s，計算出每個離散時間點處達到的加速度參數后，作為外部數據導入ADAMS軟件進行三次樣條插值，從而得到加速度與時間的樣條曲線函數。

將生成的樣條函數作為驅動，得到機械手在X、Y、Z方向上移動的驅動函數如表2所示。

表2 樣條函數驅動設置

添加對應的驅動后，重新對剛柔耦合模型進行仿真分析，得到在S形加減速控制時，X軸基座在作業期間的位置偏移曲線如圖6中所示。

圖6 S形加減速時X軸基座位置偏移曲線

綜合分析結果，采用S形加減速曲線作為驅動時，X軸基座在3個方向上的最大偏移量分別為0.12 mm、0.38 mm、0.35 mm，說明由沖擊引起的振動幅度明顯減小，規劃前后執行末端的位置偏移曲線如圖7所示。

圖7 規劃前后執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動時，機械手執行末端的最大位置偏移量由原來的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受到的沖擊，提高了機械手整體運行過程中的穩定性。

4 結論

1）采用ADAMS軟件建立了扣件拆裝機械手的多剛體模型和剛柔耦合模型，通過比較2種模型在1個工作周期內的動力學響應差異，得出加速度的突變會使得機械手整機受到一定程度的沖擊，影響執行末端的運動精度，剛柔耦合模型能夠更加準確地模擬機械手在真實條件下的作業情況。

2）采用S形速度曲線作為樣條函數驅動后，剛柔耦合模型中的柔性構件產生的彈性變形明顯減小，執行末端的位置偏移現象得到控制，有效降低了機械手整機受到的沖擊，提高了機械手運行的平穩性，為機械手的運動控制和優化提供了參考。