基于雙機(jī)械手推拉式的長(zhǎng)鋼軌整形進(jìn)給輸送系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

林獻(xiàn)坤，徐 劍，韓世卓

LIN Xian-kun ，XU Jian，HAN Shi-zhuo

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

鋼軌整形是對(duì)鐵道線路大修時(shí)換下的舊軌，進(jìn)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(fù)使用，它對(duì)于提高鋼軌利用率，節(jié)約鐵道線路鋪設(shè)成本和節(jié)能減排具有重要作用。以往對(duì)舊鋼軌整型加工進(jìn)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(xiàn)在兩個(gè)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(guò)程不均勻擾動(dòng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，這種擾動(dòng)會(huì)使?jié)L輪磨損不一致，導(dǎo)致輸送滾輪作用力不均勻，從而導(dǎo)致電機(jī)間負(fù)載不一致，有的甚至超載運(yùn)行，影響系統(tǒng)穩(wěn)定；另一方面，為了提高列車(chē)行駛的平穩(wěn)性和運(yùn)行速度，250m的無(wú)縫焊接鋼軌的使用已得到越來(lái)越重視，但鋼軌變長(zhǎng)使送軌過(guò)程所需推力大，焊接鋼軌不可避免存在焊接頭，導(dǎo)致滾輪的同步輸送控制難度增大。

本文針對(duì)焊接長(zhǎng)鋼軌的整形加工進(jìn)給方式新要求，以SIMODRIVE 611D為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于推拉交替式的雙機(jī)械手鋼軌整形進(jìn)給輸送系統(tǒng)，給出了機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理，探討了推拉過(guò)程中兩機(jī)械手的換手原理，圍繞進(jìn)給過(guò)程的送軌方法展開(kāi)論述，最后給出這種輸送系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)效果。

1 送軌過(guò)程基本原理

1.1 自適應(yīng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為滿足在送軌過(guò)程中自動(dòng)抓取鋼軌的要求，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的自適應(yīng)機(jī)械手。當(dāng)需要抓軌時(shí)，機(jī)械手的上工作臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)，下工作臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)壓軌傳感器檢測(cè)到鋼軌時(shí)，上工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)，左右抓手開(kāi)始動(dòng)作并以設(shè)定的壓力抓住鋼軌，下工作臺(tái)在動(dòng)作一段時(shí)間后停止運(yùn)動(dòng)以鎖定鋼軌。鋼軌的進(jìn)給力為抓手與鋼軌間的靜摩擦力，在靜摩擦系數(shù)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(guò)液壓系統(tǒng)設(shè)定。在送軌時(shí)，若鋼軌出現(xiàn)彎曲，無(wú)法順利在出軌滾道線上送出時(shí)，機(jī)械手與鋼軌即打滑以保護(hù)送軌系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)中伺服電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)齒輪與齒條相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

1.2 SIMODRIVE 611D驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

為了保證送軌過(guò)程的穩(wěn)定可靠，選用SIMODRIVE 611D數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱，611D系統(tǒng)）來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。611D系統(tǒng)是Siemens推出的新一代數(shù)字控制總線驅(qū)動(dòng)的交流驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可與數(shù)控裝置NCU構(gòu)成全數(shù)字式控制系統(tǒng)。

611D系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)包括速度控制環(huán)，電流控制環(huán)，位置控制環(huán)，控制信號(hào)流程是通過(guò)位置環(huán)控制器到速度環(huán)控制器，再到電流環(huán)控制器，最終到伺服電機(jī)；伺服電機(jī)則將電流和速度信號(hào)反饋給電流環(huán)控制器和速度環(huán)控制器，伺服電機(jī)中的編碼器將位置反饋信號(hào)傳給位置環(huán)控制器，通過(guò)這種方式611D系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械手的快速、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的閉環(huán)控制進(jìn)給[2]。為了實(shí)現(xiàn)送軌過(guò)程中對(duì)機(jī)械手速度和位置的監(jiān)控，選用系統(tǒng)中具有MPI通訊接口的監(jiān)控單元PCU50來(lái)實(shí)現(xiàn)其與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

1.3 機(jī)械手同步原理

兩機(jī)械手在換手過(guò)程中必須保持同步運(yùn)動(dòng)以保證換手過(guò)程鋼軌進(jìn)給無(wú)擾動(dòng)。選用611D系統(tǒng)的“耦合運(yùn)動(dòng)TRAILON”功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)兩機(jī)械手的同步。TRAILON指令的基本功能是將幾根軸組成一個(gè)“耦合軸組”，一個(gè)“耦合軸組”可以有一個(gè)主導(dǎo)軸和幾個(gè)耦合軸，主導(dǎo)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，耦合軸跟隨主導(dǎo)軸一起運(yùn)動(dòng)[4]。

611D系統(tǒng)中，耦合指令“TRAILON”、“TRAILOF”是一組模態(tài)指令，它們共同完成一組耦合軸的激活和撤銷(xiāo)。其語(yǔ)法格式為：

TRAILON（耦合軸，主導(dǎo)軸，耦合系數(shù)）

TRAILOF（耦合軸，主導(dǎo)軸，耦合系數(shù)）

在機(jī)械手換手的應(yīng)用中，耦合系數(shù)選為1，即使主導(dǎo)軸與耦合軸綁定為同步軸組。

2 送軌控制原理

2.1 系統(tǒng)的協(xié)作機(jī)制

正常的送軌過(guò)程包含多個(gè)環(huán)節(jié)：1）設(shè)置合理的軌位傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌位置的檢測(cè)；2）機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制；3）夾緊油缸的夾緊與松開(kāi)控制；4）操作指令的干預(yù)等。為實(shí)現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的有效協(xié)同需要系統(tǒng)內(nèi)部有一個(gè)合理的協(xié)作機(jī)制，具體的協(xié)作機(jī)制如圖2所示。

圖2 送軌控制過(guò)程的系統(tǒng)協(xié)作機(jī)制

圖2中所示，軸運(yùn)動(dòng)的NC程序和PLC程序共同組成了送軌程序，兩者之間存在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。611D系統(tǒng)提供了一個(gè)公共存儲(chǔ)器用于NCK和PLC的數(shù)據(jù)交換[3]，對(duì)于這一公共區(qū)域，NCK和PLC都可對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)，該公共區(qū)域即系統(tǒng)變量$A_DBB[n]，PLC程序通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)功能塊FC21可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變量$A_DBB[n]與PLC的M寄存器之間的數(shù)據(jù)交互[5]?；?11D的控制系統(tǒng)可以在PLC程序中讀寫(xiě)NC變量（NCVAR）以實(shí)時(shí)獲取機(jī)械手的坐標(biāo)值和進(jìn)給倍率[6]。PLC程序通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)功能塊FB2將NC變量讀到PLC，通過(guò)調(diào)用FB3改寫(xiě)NC變量[5]。人機(jī)交互指令以DDE（Dynamic Data Exchange）動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換的方式，實(shí)現(xiàn)其與系統(tǒng)R參數(shù)、NC變量和PLC寄存器之間的數(shù)據(jù)通信。

2.2 軌位劃分方法

為了適應(yīng)實(shí)際加工工藝對(duì)質(zhì)量、效率、穩(wěn)定的要求，送軌方法根據(jù)鋼軌位置的不同而不同。圖3給出了輸送系統(tǒng)中鋼軌位置傳感器布置方法，根據(jù)這種布置方法，可把軌位劃分成5個(gè)階段：

階段1 空進(jìn)軌階段：鋼軌通過(guò)Z4夾緊臺(tái)之前的進(jìn)軌，圖中Z4信號(hào)觸發(fā)則空進(jìn)軌結(jié)束。

階段2 初進(jìn)軌階段：空進(jìn)軌結(jié)束到鋼軌通過(guò)N4臺(tái)的進(jìn)軌，圖中傳感器N42信號(hào)觸發(fā)則初進(jìn)軌結(jié)束。

階段3 正常進(jìn)軌階段：初進(jìn)軌結(jié)束到“準(zhǔn)軌尾”出現(xiàn)的進(jìn)軌，圖中傳感器C1信號(hào)消失則正常進(jìn)軌結(jié)束。

階段4 退軌調(diào)整階段：“準(zhǔn)軌尾”出現(xiàn)到“真軌尾”出現(xiàn)的進(jìn)軌，圖中傳感器C2信號(hào)消失則退軌調(diào)整結(jié)束。

階段5 最后出軌階段：“真軌尾”出現(xiàn)到鋼軌離開(kāi)N4臺(tái)的進(jìn)軌，圖中傳感器N42信號(hào)消失則最后出軌結(jié)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(shí)，鋼軌處于“懸臂梁”狀態(tài)，初進(jìn)軌與最后出軌采用小倍率輸送鋼軌以保護(hù)刀具；由于每次加工鋼軌的長(zhǎng)度與進(jìn)給速度可能不同，加上還可能存在不可預(yù)知的故障中途停機(jī)，鋼軌尾部進(jìn)給控制時(shí)，機(jī)械手X2可能來(lái)不及運(yùn)行到合適位置，導(dǎo)致鋼軌無(wú)法拉出銑削區(qū)，故增加出軌調(diào)整階段；出軌調(diào)整階段的作用是調(diào)整X1手與X2手的相對(duì)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(yùn)行的行程內(nèi)將軌尾拉出銑削區(qū)。

2.3 送軌過(guò)程的換手方法

機(jī)械手交替送軌的方法必然存在換手的過(guò)程，不同的軌位對(duì)應(yīng)不同的換手方法具體的換手方法如圖4所示。

圖4 機(jī)械手控制方法

圖4中剖面線的小矩形區(qū)域?yàn)閮蓹C(jī)械手的同步交替接手環(huán)節(jié)，以X2手交替X1手為例，其步驟如下：

1）發(fā)送耦合指令（TRAILON（X2,X1））：機(jī)械手X2作為“耦合軸”跟隨“主導(dǎo)軸”X1同步運(yùn)動(dòng)；

2）當(dāng)耦合完成后（NC信號(hào)反饋），機(jī)械手X2抓軌；

3）機(jī)械手X2已經(jīng)抓住鋼軌（約2秒），機(jī)械手X1松開(kāi)；

4）機(jī)械手X1松開(kāi)后，發(fā)送耦合取消指令（TRAILOF（X2,X1））。

5）當(dāng)耦合解除后（NC信號(hào)反饋），換手步驟完成。

其中每個(gè)軌位階段的具體換手方法如下：

1）初進(jìn)軌：圖中在初進(jìn)軌的初期，鋼軌處于“懸臂梁”狀態(tài)，故機(jī)械手X1自零位開(kāi)始慢速進(jìn)給；當(dāng)鋼軌通過(guò)機(jī)械手X2（圖中交點(diǎn)①）后，開(kāi)始X2接替X1換手步驟；換手步驟完成后，機(jī)械手X2加速以正常加工速度進(jìn)給，機(jī)械手X1回零位等待；當(dāng)X2到達(dá)末端換手位置（圖中交點(diǎn)②），開(kāi)始X1接替X2換手步驟（X2下工作臺(tái)暫不松開(kāi)）；換手步驟完成后，機(jī)械手X2停在末端位置，此時(shí)X2手的下工作臺(tái)保持以繼續(xù)鎖定鋼軌的高度位置；當(dāng)鋼軌順利通過(guò)N4臺(tái)即N42信號(hào)觸發(fā)時(shí)（圖中交點(diǎn)③），機(jī)械手X2松開(kāi)下工作臺(tái)后回零，初進(jìn)軌結(jié)束。

2）正常進(jìn)軌：正常進(jìn)軌采用“最大等待”原則進(jìn)行送軌，即盡可能的由機(jī)械手X2送軌，為出軌爭(zhēng)取最大的可利用資源。如圖機(jī)械手X2回零后立刻開(kāi)始換手步驟，交替機(jī)械手X1送軌；當(dāng)換手步驟完成后，機(jī)械手X1立刻回零等待直到機(jī)械手X2到達(dá)末端換手位置再次開(kāi)始換手動(dòng)作，短暫交替機(jī)械手X2送軌。

3）出軌調(diào)整與最后出軌：根據(jù)傳感器C1信號(hào)消失時(shí)機(jī)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(diào)整。如圖傳感器C1信號(hào)消失時(shí)，機(jī)械手X2若處于區(qū)域I則需要進(jìn)行調(diào)整，處于區(qū)域II不需要調(diào)整，正常送軌即可。調(diào)整方法：“準(zhǔn)軌尾”出現(xiàn)后機(jī)械手X1接替X2手送軌，待機(jī)械手X2回零位后，調(diào)整結(jié)束重新執(zhí)行正常進(jìn)軌步驟。這樣在最后出軌階段，機(jī)械手X1可以在零位交替機(jī)械手X2送軌直到其到達(dá)末端換手位置后由機(jī)械手X2接替X1完成最后的出軌。

3 運(yùn)行實(shí)現(xiàn)效果

該輸送系統(tǒng)在某鐵路局的250m長(zhǎng)鋼軌整形機(jī)中得到了具體應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了如表1所示技術(shù)性能：

表1 技術(shù)性能

圖5 進(jìn)給輸送系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控效果圖

從表中可以看出，機(jī)械手在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了較高的進(jìn)給速度與加速度，且機(jī)械手同步時(shí)間小于2s，說(shuō)明送軌效率較高；另外應(yīng)用激光干涉儀2D時(shí)間基準(zhǔn)功能跟蹤同步誤差，誤差不超過(guò)0.1mm，這說(shuō)明送軌過(guò)程接手比較平穩(wěn)且無(wú)擾動(dòng)。

為了配合在送軌過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手速度和位置的監(jiān)控，在監(jiān)控單元PCU50中開(kāi)發(fā)了如圖5所示人機(jī)交互系統(tǒng)，圖中顯示了進(jìn)軌過(guò)程的監(jiān)控效果，區(qū)域1為機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)的報(bào)警欄；區(qū)域2為輸送系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控區(qū)，顯示傳感器的工作狀態(tài)、換手狀態(tài)及兩機(jī)械手的實(shí)時(shí)坐標(biāo)；區(qū)域3用于監(jiān)視一些輸送系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)長(zhǎng)鋼軌整形加工過(guò)程的進(jìn)給輸送存在問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種支持推拉方式進(jìn)給輸送系統(tǒng)，論述了基于SIMODRIVE 611D系統(tǒng)耦合指令TRAILON的交替換手原理。探討了感測(cè)軌位的傳感器布置和軌位劃分方法，給出了每個(gè)階段中的推拉機(jī)械手的交替方法。通過(guò)對(duì)250米長(zhǎng)鋼軌的整形加工進(jìn)給應(yīng)用，表明給出的基于SIMODRIVE 611D驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)鋼軌雙機(jī)械手推拉交替式進(jìn)給輸送系統(tǒng)，具有送軌速度快、過(guò)程平穩(wěn)和接手無(wú)擾動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

[1]王世順.長(zhǎng)鋼軌平移裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析[J].機(jī)械工程師,2007（5）：58-59.

[2]楊誠(chéng),張為民.西門(mén)子611D驅(qū)動(dòng)工程應(yīng)用的優(yōu)化研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2008（3）：53-56.

[3]顧向清.西門(mén)子802D Sl在磨床上的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)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.