应用于轨道车辆喷涂的移动滑台设计及力学分析.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()应用于轨道车辆喷涂的移动滑台设计及力学分析刘客(长春中车轨道车辆有限公司,吉林长春 )摘要:针对轨道车辆等大型需要喷涂的工件,为了满足其对于机器人工作空间的需求,设计了可以水平移动和竖直升降的机械移动滑台.通过C R E O软件建立了移动滑台的有限元模型,应用AN S Y S软件进行了动、静力学分析,得到了结构应力、振动位移、速度和加速度随时间的动态响应特性及变化规律,并验证了结构的稳定性和可行性.关键词:轨道车辆;喷涂;移动滑台;动力学中图分类号:T P U 文献标识码:A收稿日期:;修订日期:作者简介:刘客(),男,吉林长春人,工程师,硕士,从事高铁动车组的检修及相关工作.引言随着我国高铁技术的飞速发展,动车组列车运营数量日益增加,国内外各大城市对动车组列车的需求也迅速增加,同时对轨道客车制造企业的先进制造技术提出了更高的要求,要求产品质量更加稳定,制造过程更加绿色环保.轨道客车制造过程中车体表面涂装是一个重要的生产环节,首先要用涂料补平车身外在的缺陷,如凹处、焊接缝等,进而通过打磨获得平整光滑的表面.此工艺过程一直以来都是采用人工刮涂和打磨方式进行,人工刮磨涂料操作环境恶劣(涂料含有挥发性有毒气体)、刮涂质量不稳定,因此实现喷涂自动化是市场所需.本文以C RH B型车为例,为其高m(m四舍五入取整)、长 m(m四舍五入取整)的动车车体设计了一套可以水平移动、竖直升降的机械装置,用以满足动车车体等大型工件对于喷涂机器人的空间要求.并通过三维设计软件C R E O 与有限元分析软件AN S Y S 的无缝连接,利用专用接口将C R E O建立好的三维模型直接导入到AN S Y S中进行机械结构的力学分析,得到机械装置的结构应力、振动位移、速度和加速度随时间的动态响应特性及变化规律,以验证结构的可行性和稳定性.轨道车辆喷涂移动滑台的设计及三维实体模型的建立 机械移动滑台总体设计该机械移动滑台主要由六轴喷涂机器人(简称喷涂机器人)、水平移动台(X轴方向进给装置)、垂直升降台(Z轴方向进给装置)三大部分构成,主要包括导向轮、垂直升降台、聚氨酯缓冲装置、滑杆、滚珠丝杠轴、自由度喷涂机器人、拖链、地轨、水平移动台、齿轮齿条机构、配重块、伺服电机和减速器等,其结构示意图如图所示.喷涂机器人安装在垂直升降台上,通过接收上位机的信号来调整垂直方向的工作位置;整个滑台落座在地轨上,地轨与滑块通过螺栓连接;动力源由伺服电机提供.垂直升降台设计机械移动滑台的垂直升降台如图所示.垂直升降台通过螺栓与喷涂机器人相连.垂直升降台的左侧孔安装滑杆套和滑杆,滑杆的顶端通过深沟球轴承与垂直升降台相连,滑杆底端通过推力球轴承与地轨相连;右侧孔安装滚珠丝杠,丝杠的顶端通过深沟球轴承与垂直升降台相连,底端通过推力球轴承与地轨相连;伺服电机通过减速器带动丝杠正转或反转,实现对垂直升降台的控制.水平移动台设计机械移动滑台局部剖视图如图所示.伺服电机与减速器均安装在地轨上,安装在减速器上的齿轮与安装在地轨上的齿条构成齿轮齿条滚动副,滑台与齿条上的滑块通过螺栓连接.当滑台需要做水平方向的移动时,伺服电机接收控制器信号,正转或反转,通过减速器将动力源传输到齿轮上,实现机械移动滑台精准的水平移动.仿真分析 模型的简化将机械移动滑台做必要的简化,在最接近实际工作环境的基础上以减小计算量.忽略机器人支架螺栓螺母连接,接触面选择为结合;滑杆与滑杆套、滑杆与机器人支架、滑杆与滑台等接触均选为结合接触.机器人支架升到最高点,并展开处于水平位置时,机械移动滑台整体结构稳定性受到的影响最大,为最危险工况,本文在该工况下进行结构仿真分析.图机械移动滑台结构示意图图机械移动滑台的垂直升降台图机械移动滑台局部剖视图机械移动滑台材料为结构钢;在静力学分析时,地轨与地面的接触面设置为固定约束;动力学分析时,地轨与地面的接触面设置为无摩擦约束;机械移动滑台受到重力的作用,在此加载机械移动滑台自身重力 k g,为了简化计算,默认执行器末端抓取的物料质量为k g.静力学分析通过静力学分析得到的机械移动滑台应力云图如图所示,机械臂末端端点的位移云图如图所示.图机械移动滑台应力云图由图可知:在最危险工况下,机械移动滑台的最大应力为 M P a,远远小于材料的屈服强度 M P a,可以满足强度要求.由图可知:机器人支架升到最高点,并展开处于水平位置时,机械臂产生的弯矩最大,变形量最大,最大变形量为 mm.图机械臂末端端点的位移云图 动力学分析动力学分析时,在滑台的竖直方向和水平方向上各加载 mm/s的加速度,分析得到的机械臂末端端点在竖直方向的位移变化曲线和在水平方向的速度变化曲线如图、图所示,机械移动滑台在水平方向的速度变化曲线和加速度变化曲线如图、图所示.图机械臂末端端点在竖直方向的位移变化曲线由图图可以看出:在最危险工况下,机械移动滑台加速移动过程中,机械臂末端端点会有上下振动,随着时间的延长,振动幅度逐渐减小,在实际生产中,应避免机械臂调整到最大高度进行喷涂作业,且避开加速状态喷涂,当机械臂的位移不超过机械移动滑台的位移极限并且振动幅度趋于平稳之后为机械移动滑台的最佳使用时间.机 械 工 程 与 自 动 化 年第期结语本文设计的机械移动滑台装置是针对轨道车辆等需要喷涂的大型工件,可替代人工在恶劣环境下作业.通过仿真实验,验证了机械移动滑台装置结构强度的可靠性,该装置的应用对提高企业经济效益具有重要的现实意义.图机械臂末端端点在水平方向的图机械移动滑台在水平方向的图机械移动滑台在水平方向的速度变化曲线速度变化曲线加速度变化曲线参考文献:匡涛,秦战生基于AN S Y S的水轮机推力轴承动力学分析J机械制造与自动化,():刘文静,宋学亮,靳岚单梁桥式起重机横梁结构的瞬态动力学研究J机械设计与制造工程,():刘治波,禹宏云 P r o/E、A D AM S与AN S Y S在虚拟设计中的联合应用J机械工程与自动化,():沈斌,麻连荣,宫大基于P r o/E二次开发的零件参数化设计技术J机械设计与制造,():宋浩,薛华夏,俞竹青 S R 型焊接机器人结构的静力学动力学分析和拓扑优化J机械设计与研究,():王国强实用工程数值模拟技术及其在AN S Y S上的实践M西安:西北工业大学出版社,D e s i g na n dM e c h a n i c a lA n a l y s i so fM o b i l eS l i d i n gP l a t f o r mf o rR a i lV e h i c l eS p r a y i n gL I UK e(C h a n g c h u nC R R CR a i l w a yV e h i c l e sC o,L t d,C h a n g c h u n ,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h el a r g ew o r k p i e c e st h a tn e e dt ob es p r a y e d,s u c ha sr a i lv e h i c l e s,i no r d e rt om e e tt h en e e d so ft h er o b o tw o r k s p a c e,am e c h a n i c a lm o b i l es l i d ep l a t f o r m w h i c hc a nm o v eh o r i z o n t a l l ya n dv e r t i c a l l yi sd e s i g n e d T h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h em o v i n gs l i d e i se s t a b l i s h e db yC R E Os o f t w a r e,a n d t h ed y n a m i c a n ds t a t i c a n a l y s i s i s c a r r i e do u t b yu s i n gAN S Y Ss o f t w a r e T h ed y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dv a r i a t i o nr u l e so f s t r u c t u r a l s t r e s s,v i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t,v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nw i t ht i m e l o a da r eo b t a i n e d,a n dt h es t a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h es t r u c t u r ea r ev e r i f i e d K e y w o r d s:r a i l v e h i c l e;s p r a y i n g;m o b i l es l i d ep l a t f o r m;d y n a m i c s(上接第 页)结论为可伸缩带式输送机所配置的自适应张紧装置既需要满足启动、运行和移机三种张力的可调控制,张紧行程符合移机的需求,还需要具备高性价比的优势.变频张紧装置虽能满足功能需求,但是性价比较低.针对该问题,提出了油缸马达式张紧装置方案,详细阐述了系统方案及工作原理.为验证方案及参数设计的可行性,建立了系统的AME S i m模型,并对输送机启动及移机工况进行仿真,结果表明系统满足功能要求,张力精度可达到k N,因此该张紧方案对可伸缩带式输送机可行.参考文献:李天国,周满山,李鹏,等尾滚筒后置式双液压缸推移重型自移机尾J起重运输机械,():综采技术手册 编委会综采技术手册M第版北京:煤炭工业出版社,吴虎城输送机张紧装置大液容系统压力控制研究J机床与液压,():张营章,李辉中长距离带式输送机自适应车式拉紧系统设计J煤炭工程,():杨俊宙,廉自生,袁红兵,等带式输送机新型变频自动张紧装置的动态仿真J煤炭工程,():D e s i g no fH y d r a u l i cT e n s i o n i n gD e v i c eo fP i c k A B a c kB e l t C o n v e y o rWUH u c h e n g(S c h o o l o f I n t e l l i g e n tM a n u f a c t u r i n g,J i a n g s uV o c a t i o n a l I n s t i t u t eo fA r c h i t e c t u r a lT e c h n o l o g y,X u z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:A c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h et e n s i o n i n gd e v i c eo ft h ep i c k a b a c kb e l t c o n v e y o r,t h es c h e m eo ft h ec y l i n d e r m o t o r t e n s i o n i n gd e v i c ei sp u tf o r w a r d,a n dt h es y s t e ms c h e m ea n dh y d r a u l i cs c h e m a t i cd i a g r a m o ft h ec y l i n d e r m o t o rt e n s i o n i n gd e v i c e a r eg i v e n I no r d e r t ov e r i f y t h e c o r r e c t n e s s o f t h e s c h e m e a n d t h ed e s i g no f s y s t e mp a r a m e t e r s,t h eAME S i mm o d e lo f t h es y s t e mi se s t a b l i s h e d,a n dt h et e n s i o nc o n t r o ls i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tu n d e rt h ec o n d i t i o n so fc o n v e y o rs t a r t u pa n dt a i lm o v e m e n t T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h ep r e c i s i o no f t e n s i o nc o n t r o l r e a c h e s k N,w h i c hm e e t s t h eo p e r a t i o nr e q u i r e m e n t so ft h ec o n v e y o r K e y w o r d s:b e l t c o n v e y o r;h y d r a u l i c t e n s i o n i n gd e v i c e;AME S i m 年第期 机 械 工 程 与 自 动 化