随着城市化的大面积覆盖,铁路运输开始不断向通车频繁、高速、重载等方向发展,这也就加剧了钢轨表面及内部诸如波磨、疲劳裂纹等病害的形成。国内外多年的实践表明,钢轨打磨维护技术不但可以提高服役钢轨的寿命降低运营成本,而且可以改善列车的运输平稳性,这就促使了多种多样的钢轨打磨设备地不断涌现。基于此,本文运用工业机器人相关技术实现了一款4-DOF钢轨打磨机器人,重点针对机器人打磨作业“让刀”的问题,基于整体动力学分析,提出了一种Ⅱ型龙门架结构改型方案,并通过加权求和的NSGAⅡ算法进一步优化了该结构的主要零部件,最终提高了整体的系统刚度,大幅降低了作业“让刀”,进而提高了打磨机器人作业时的稳定性,保证了打磨精度与打磨质量。本文主要完成了以下几个方面的研究工作:首先,针对实际打磨需求,确定了钢轨打磨机器人总体技术路线;然后根据实际情况分析确定了机器人的机构构型,建立运动模型并重点研究了钢轨打磨机器人的有效工作空间,并分析得到砂轮端面的接触率达到88.6%,满足轨面全覆盖打磨至少70.56%的要求;最后采用模块化设计方法完成了打磨机器人初步的3D模型设计。然后,基于虚拟样机技术对4-DOF钢轨打磨机器人进行动态特性分析。其中MATLAB与VREP的联合运动学仿真,检验了打磨机器人作业过程中的各运动轴的运转状态以及各模块之间的干涉与否,验证了打磨机器人机构设计的合理性。SW联合ANSYS WB对打磨机器人进行了刚柔耦合的动力学仿真,分析了机器人打磨钢轨时的作业性能。其次,在对打磨机器人及打磨车进行整体动力学建模的基础上,引入波磨正弦函数作为激励扰动,理论分析了打磨机器人的振动特性,分析出打磨机器人出现“让刀”现象的基本原理,得出合理的机器人系统刚度能够有效地保障其在轨面波峰处的打磨能力。基于此分析,本文对机器人的结构进行了 Ⅱ型龙门架结构的改型,并通过加权求和的NSGAⅡ算法进一步优化了 Ⅱ型龙门架的主要零部件,最终提高了整体的系统刚度,打磨作业时的“让刀量”也从初始设计的4mm降为1.42mm,高达71.35%的降幅,进而提高了打磨机器人作业时的稳定性。最后,完成了钢轨打磨机器人实验平台的搭建和打磨实验研究。对钢轨打磨前后进行了粗糙度测试、廓形质量检测、钢轨平顺度测试以及系统作业频率检测。实验结果表明,优化后的钢轨打磨机器人打磨后,轨面的不平顺度得到了明显改善,所有测量点粗糙度均在Ra6.3以下,廓形GQI数值也都在80分以上,打磨作业频率也避开了高频区间段,有效地抑制了共振,这些打磨效果都验证了模型优化的有效性,保障列车能够安全、平稳运行。通过对打磨数据的分析,定性得出了打磨量、打磨角度及打磨功率之间的映射关系,从而为编制打磨模式提供了依据。