鋼軌軌底焊縫自動磨削機床數控系統研發

張 凱 侯守全

（內蒙古工業大學機械學院，內蒙古呼和浩特 010051）

目前，鋼軌的焊縫打磨基本上都是人工完成，費時費力并且工作效率低，磨削質量不高，并且人工磨削出的鋼軌焊縫處在列車經過時還會產生難以消除的巨大噪聲。因此，鋼軌焊縫磨削機床的研發意義重大，對我國鐵路的發展，尤其是列車的提速和優化我國鐵路的路網結構起著舉足輕重的作用。

25 m短軌焊接成長軌后，要對軌頂和軌底的焊縫高點進行打磨。軌頂打磨采用液壓或電伺服靠模原理，在國內焊軌廠已得到普遍應用。目前，國內有11個百米鋼軌焊接基地。軌底打磨采用兩種方法:一種是靠人工打磨，因為人眼睛不能直接觀察打磨過程，所以人為因素影響較大，打磨質量不能保證，常發生磨傷母材;另一種是靠機器打磨，打磨質量得到了很大提高，但機器自動化水平較差，特別是砂輪進給靠人工操作，由于環境粉塵較大，加之沒有自動測量平直度裝置，人為因素造成打磨質量超差也時有發生，軌底打磨質量不能得到完全保證，對鐵路安全行車造成隱患。

加速我國高速鐵路的發展，要在鐵軌上尋求降低噪聲，并且能保證在列車行駛安全的前提下提速才是根本?！颁撥壾壍缀缚p磨削專用機床”的研發，要解決兩大方面的問題:一要解決磨削質量的問題;二要解決工作效率的問題。鋼軌焊縫自動磨削機床的研發成功，既提高了工作效率，又可以保證工作的可靠性。

1 系統總體研究方案

縱觀系統的整體方案，考慮系統結構，應從以下幾個方面入手:磨削火花的檢測;自動控制系統的編程;監測和控制;記錄歷史數據。綜合以上幾個方面，初步確定方案如下。

1．1 火花檢測

鋼軌磨削的火花檢測問題，關系到整個程序是否能實現自動化的關鍵。

該控制系統初步確定檢測的方案:要用到兩個光電傳感器GB5－A1DPH，通過光導纖維電纜檢測到火花信號后使第一個光電傳感器接通，使LED發光二極管發光。通過一個LED發光二極管將光信號傳輸到另一個光電傳感器中，外加電壓為±5 V，控制電磁繼電器MY－2NJ，并且在繼電器兩端并聯一個續流二極管，以短路繼電器線圈斷電瞬間其感應電動勢對電路中的元件產生反向電壓，當反向電壓高于元件的反向擊穿電壓時，會把元件如三極管等擊穿，造成破壞，從而起到保護電路中元件的作用。通常情況下，LED發光二極管的工作電流是20～30 mA。但是在本項目中用到的LED發光二極管只需2～3 mA，所以不需要放大電路。用兩個光電傳感器的原因是:因為砂輪磨削鋼軌的光不是持續的光，并且需要及時地接受光信號，所以第一個光電傳感器迅速的捕捉光信號并將光信號傳輸進來，第二個光電傳感器受到光照后，接通電路，控制一個小型繼電器。在光電傳感器與小型繼電器之間需要接一個放大器，需要將光信號放大，所以選用一個放大器9013。如圖1所示。

用小型繼電器的常開觸點來控制程序是否開始運行。也就是說砂輪向上移動，當接觸到鋼軌磨削出火花后，光電傳感器檢測到火花信號，小型繼電器常開觸點閉合，砂輪停止移動，然后由磁致伸縮位移傳感器來測焊縫高度，再按每次進給量進行磨削。所以說光電傳感器的檢測準確度至關重要。為了防止外界光的干擾，還要把發光二極管和光電傳感器用一個黑色的熱縮管包起來。

1．2 主機設計

主機由磨頭、三坐標工作臺等組成（圖2）。碗型砂輪直接通過螺紋聯接在電動機輸出軸上，電動機安裝在Z軸移動臺面上。Z軸垂直于被打磨鋼軌底面。Z軸移動臺采用滾動直線導軌導向，由安裝在Z軸底座上的伺服電動機和滾珠絲桿驅動實現砂輪的Z軸進給。Z軸底座安裝在Y軸移動臺面上，Y軸垂直于鋼軌縱斷面，與鋼軌底面平行。Y軸移動臺采用滾動直線導軌導向，由安裝在Y軸底座上的伺服電動機和滾珠絲桿驅動實現砂輪的Y軸進給。X軸移動臺與Y軸底座為一體，X軸平行于鋼軌縱斷面，與鋼軌底面平行。X軸移動臺采用滾動直線導軌導向，由安裝在X軸底座上的伺服電動機和滾珠絲桿驅動實現砂輪的X軸移動。X軸底座固定在除塵車上，除塵車可以沿鋼軌縱向移動。

焊縫平直度自動測量裝置設計:打磨機必須具有焊縫平直度自動測量功能，以測量數據判斷打磨質量是否合格以及下一步的進給量，這樣才能實現自動化作業。焊縫平直度自動測量裝置包括氣缸、測量頭和位移傳感器等。氣缸固定在Z軸移動臺面上，活塞桿中心線垂直于鋼軌底面，測量頭固定在活塞桿的端部。測量時壓縮空氣推動活塞桿，使測量頭頂住鋼軌底面;這時X軸移動，測量頭隨著X軸移動通過軌底焊縫;因為X軸平行于鋼軌底面而壓縮空氣相當于氣體彈簧，所以軌底的不平導致活塞桿上下微動;位移傳感器可以測出活塞桿上下微動的數據，數據送入計算機處理，實現焊縫平直度自動測量。

1．3 控制部分

控制方式初步定為3種方案:一是單片機控制;二是運動控制卡;三是可編程邏輯控制器。使用單片機控制雖然也能實現目的，但是需要開發的內容過多，對本項目來說不是最優方案。運動控制卡能實現多軸聯動，可以實現較為復雜的運動控制，但成本相對較高。本項目需要實現的是簡單的三軸聯動，動作簡單，并且要實現順序控制，而可編程邏輯控制器可以實現，并且成本相對來說不算太高，屬于最優方案。

該控制系統選用三菱FX2N－48MR的PLC，以及其擴展模塊。其擴展模塊有:通訊模塊 FX2N－485ADP;2個模數轉換模塊FX2N－2AD;3個FX2N－10PG脈沖輸出模塊。通訊模塊FX2N－485ADP用于實現計算機和PLC之間的數據交換。圖3是PLC主模塊及其擴展模塊的排序，把每個模塊編號定義為PLC編程做基礎。

模數轉換模塊FX2N－2AD其中的一個通道用來采集磁致伸縮位移傳感器的信息。磁致伸縮位移傳感器測量焊縫的高度，通過FX2N－2AD模塊把采集回來的模擬量轉換為數字量傳輸進PLC中，模擬通道可接受的輸入為0～10 VDC，0～5 VDC，或者4～20 mA。因為FX2N－2AD模塊的兩個通道要使用相同的偏移量和增益值，所以兩個通道所設置的模擬輸入必須一致。故本課題將模擬輸入通道設為4～20 mA，使用FROM/TO指令與PLC進行數據傳輸。如圖4所示。

說明:第一行，通道的選擇程序，用TO語句將b0=0寫入0號模塊的#17緩存區，即選擇A/D輸入通道CH1;第二行，輸入通道CH1轉換開始;第三行，輸入數據的當前值，當前數據以二進制形式存儲，將數據（低八位）寫入M40～M47中;第四行，將數據高端四位存儲到M48～M51中;第五行，將0000賦予高四位M52～M55中;第六行，將M40～M55的值傳送到寄存器D2中。PLC把采集回來的數字量經過程序控制轉化為Z軸的位移，也就是實際需要磨削的量。

FX2N－10PG脈沖輸出模塊是最大輸出1 MHz脈沖列并且驅動單軸的步進電動機和伺服電動機的特殊模塊。這里用來驅動伺服電動機來進行位置控制，即對X、Y、Z三個軸的位置控制。FX2N－10PG脈沖輸出模塊是通過使用FROM/TO指令對所連接的PLC進行數據讀寫。這里用PLC的模數轉換模塊FX2N－2AD與FX2N－10PG進行數據交換。FX2N－10PG的輸入電壓為24 VDC，速度和位移由緩沖存儲器來設定，定位程序由PLC的程序來實現定位，占用的I/O點數是8點，如圖5所示。

伺服驅動器使用三菱MR－J3－100A來控制交流伺服電動機HF－SP102B。交流伺服電動機HFSP102B的功率是1．0 kW，轉速為2 000 r/min。

整個PLC控制圖如圖6所示。

1．4 世紀星監控組態

組態軟件是數據采集與過程控制的專用軟件，實時數據庫是組態軟件的關鍵部分。實時數據庫系統處于工控系統各功能模塊數據交換的中心位置，在組態系統進入運行環境時，工業現場的生產情況將實時地反映在變量的數值中，操作者用計算機發布的指令也要迅速送達生產現場，所有這一切都是以實時數據庫系統為中介。同時實時數據庫系統又是事務調度中心，數據采集事務、圖形顯示事務、報警事務和歷史存盤事務等都由實時數據庫系統中的事務調度系統完成，從而達到監控的實時性、正確性和一致性。

此控制系統所用世紀星監控組態軟件的關鍵問題是各參數設置以及變量數據庫的標定，進給速度的設定，磨削量的設定，數據庫的建立及應用命令語言的編寫等。磁致伸縮位移傳感器的標定是控制系統能否順利進行的關鍵。磁致伸縮位移傳感器所測的焊縫的高度，也就是需要磨削的量，由此才能確定Z軸的進給量。只有準確地測量出焊縫的高度，才能磨削至所需要的精度;磨削結束后再進行一次檢測，目的是檢測焊縫是否符合要求。

2 現場實驗

2．1 光電傳感器檢測

在磨削火花過程中，第一個光電傳感器GB5－A1DPH可以接收光的信號并把光信號轉換為電信號使LED發光二極管發光，使第二個光電傳感器GB5－A1DPH受光照后導通，小型繼電器工作。這樣就大大提高了傳輸信號的穩定性，使PLC接收到準確的信號。

2．2 PLC程序調試

在進行PLC程序調試時，需要分步進行。該控制系統采用步進梯形圖指令的方式進行磨削。使用步進梯形圖指令對鋼軌焊縫的磨削優點是焊縫磨削需要循環進行，并且磨削過程需要分步進行。調試程序時，先調試前半部分，讓每個軸按照程序都準確運行，包括位置和速度。程序后半部分是磨削部分，也是程序的主體部分。在實驗室現有的條件下（無鋼軌），磁致伸縮位移傳感器無法檢測焊縫的高度，所以要確定Z軸的步進狀況，須先設定焊縫高度，然后調試Z軸的運行軌跡是否符合要求。在磨削結束后，需要磁致伸縮位移傳感器再檢測一次焊縫的高度，與所設定的精度進行比較，看是否符合要求。

2．3 世紀星監控組態軟件調試

世紀星監控組態軟件的調試與PLC程序的調試需要同時進行。首先要調試圖形界面上的各個按鈕是否能實現與PLC程序所要求的一一對應，并且還要計算數據庫所顯示的值與實際的X、Y、Z三軸運行的位移是否一致。其次，焊縫高度的測量與世紀星監控組態中的變量數據庫是否建立一一對應的關系，因為磁致伸縮位移傳感器在數據庫中標定的精度關系到焊縫的磨削精度，所以要把標定的精度調到盡可能的高。

在實驗中，通過調A/D模塊的增益和偏移來調整位移傳感器與數據庫的對應關系。但是在調增益和偏移的過程中，總是有誤差超出所要求的精度范圍，并且調試太慢，效率不高，因此，采用電流表測電流的方法來調整。因為在最低點處磁致伸縮位移傳感器的位移量設定為0.00 mm，相對應的電流是4.000 mA，而在位移傳感器到達最高點時實際高度是98.50 mm，對應的電流是16.404 mA，數據庫中的I/O變量與對應的位移量呈現線性關系，同時與對應的電流值也是線性的關系。經過調整后，實際位移量0.00～98.50 mm對應的I/O量是32～3 300，誤差縮小到0.02 mm，實際磨削精度是0.10 mm，所以這個誤差就達到了所要求的范圍。

當測頭測量焊縫高度后，還需要在程序中實現磨削的值，同時世紀星組態的應用命令語言中計算出總磨削量單位轉換值，以及一次磨削單位轉換值。

3 結語

基于三菱PLC和世紀星監控組態軟件的鋼軌軌底焊縫全自動磨削機床數控系統，利用抗干擾能力強，實現可編程邏輯控制，適合工業現場作業的特點，依靠世紀星監控組態軟件的實時監測和控制，并且記錄歷史數據，為后續工作做到有據可依，實現了大大提高磨削質量和提高工作效率的目的。

目前，鋼軌軌底焊縫全自動磨削機床已經投入生產，效果良好，并且準備把設備推廣到全國范圍內使用。

［1］北京世紀長秋科技有限公司．世紀星通用工業自動化監控組態軟件用戶手冊［Z］．北京:北京世紀長秋科技有限公司，2007．

［2］郝蕓．傳感器原理與應用［M］．北京:電子工業出版社，2001．

［3］程子華．PLC原理與編程實例分析［M］．北京:國防工業出版社，2007．

［4］馬國華．監控組態軟件及其應用［M］．北京:清華大學出版社，2005．

［5］晁陽，胡軍，熊偉．可編程控制器原理應用與實例解析［M］．北京:清華大學出版社，2007．

［6］蔡亦剛．流體傳輸管道動力學［M］．杭州:浙江大學出版社，1989．

［7］Mitsubishi FX2N －485ADP Communication Adapter User's Guide［Z］．Mitsubishi Electric Crop．

［8］Mitsubishi FX2N －2A/D Special Function Block User's Guide［Z］．Mitsubishi Electric Crop．