鋼軌銑削作業(yè)控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)

岳紅強(qiáng)，劉 博，劉青松

（北京拓博爾軌道維護(hù)技術(shù)有限公司，北京 100085）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)地鐵和鐵路的大規(guī)模興建，鋼軌的維護(hù)和保養(yǎng)越來(lái)越被鐵路運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)部門重視。鋼軌銑磨車是專門鋼軌維護(hù)的重大智能裝備，能有效修復(fù)鋼軌波浪磨耗、魚鱗紋等損傷，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于鐵路的維護(hù)中。

而鋼軌銑磨作業(yè)控制系統(tǒng)是整個(gè)鋼軌銑磨車的大腦，整個(gè)銑磨車的銑削精度和銑削性能在很大程度上取決于鋼軌銑磨作業(yè)控制系統(tǒng)。鋼軌銑磨作業(yè)控制系統(tǒng)主要是通過(guò)多種傳感器實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)鋼軌輪廓，并判斷損傷狀況、確定加工基準(zhǔn)、計(jì)算切削量，進(jìn)而控制伺服進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋼軌的精確加工。可以根據(jù)高精度傳感器檢測(cè)感知軌道輪廓的變化，通過(guò)智能控制算法生產(chǎn)控制指令，控制刀盤精確地對(duì)鋼軌進(jìn)行銑削加工。本文以西門子Sinumerik 840D SL為核心數(shù)控系統(tǒng)，介紹了一種鋼軌銑削作業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

1 作業(yè)單元工作原理及組成

本文以西門子Sinumerik 840D SL為核心數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一種鋼軌銑削作業(yè)控制系統(tǒng)，能夠?qū)︿撥夁M(jìn)行高精度的銑削作業(yè)，如圖1、圖2所示。其具體組成介紹如下：

圖1 鋼軌銑削裝置實(shí)物圖Fig.1 The real object of the rail m illing device

圖2 鋼軌銑削效果圖Fig.2 The actual effect of railm illing

1.1 Sinumerik 840D SL數(shù)控系統(tǒng)

鋼軌銑削作業(yè)控制系統(tǒng)基于西門子Sinumerik 840D SL數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，Sinumerik 840D SL為操作、編程和可視化提供了模塊化的開放、靈活并且統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)。它提供了具有先進(jìn)功能的系統(tǒng)平臺(tái)，幾乎可用于所有的工藝。Sinumerik 840D SL通過(guò)與Sinamics S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成，并配合SIMATIC S7-300自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成了完整的數(shù)字化系統(tǒng)，非常適合中高級(jí)性能水平的應(yīng)用。其包括NCU（數(shù)控驅(qū)動(dòng)單元）、PCU（人機(jī)交互系統(tǒng)）、PLC三個(gè)部分。其中，PCU相當(dāng)于一臺(tái)工控機(jī)，主要儲(chǔ)存人機(jī)界面程序和保存數(shù)據(jù)。NCU負(fù)責(zé)NC的所有功能、機(jī)床的邏輯控制，還有和PCU的通訊。

1.2 鋼軌銑削作業(yè)控制系統(tǒng)整體框架

鋼軌銑削作業(yè)控制系統(tǒng)的硬件連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。控制系統(tǒng)主要功能包括作業(yè)控制功能、與機(jī)車通訊功能、遠(yuǎn)程調(diào)試功能、數(shù)據(jù)處理儲(chǔ)存功能及其他輔助功能等。輔助功能又包括監(jiān)視控制集屑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、測(cè)速輪、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。核心性能為數(shù)據(jù)采集和傳遞的實(shí)時(shí)性，以及多設(shè)備間的實(shí)時(shí)通訊。

圖3 基于硬件連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topology based on hardware connections

1.3 控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成

鋼軌銑削作業(yè)控制軟件系統(tǒng)可劃分為如圖4所示的5個(gè)模塊：①通訊及數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)從數(shù)控系統(tǒng)以及列車控制監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)成通訊協(xié)議，實(shí)時(shí)讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)將讀取的數(shù)據(jù)，例如主軸轉(zhuǎn)速、傳感器狀態(tài)等，進(jìn)行保存修改管理；③鋼軌銑削控制模塊主要負(fù)責(zé)鋼軌銑削模塊的初始化、啟動(dòng)、自動(dòng)控制等一系列智能控制；④緊急情況處理模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的異常狀態(tài)并做相應(yīng)的異常處理；⑤可視化模塊是人界交互界面。

圖4 模塊劃分Fig.4Module division

2 銑削作業(yè)流程

2.1 作業(yè)單元初始化

鋼軌銑磨車在進(jìn)入工作區(qū)域后停車，工作人員進(jìn)入銑磨作業(yè)單元操作區(qū)域。同時(shí)，機(jī)車也由行駛狀態(tài)進(jìn)入銑磨作業(yè)狀態(tài)。車輛的行駛控制也由作業(yè)單元控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)。

工作人員登錄銑削作業(yè)單元控制系統(tǒng)后，首先進(jìn)行工作參數(shù)設(shè)置。在參數(shù)設(shè)置窗口中確定各項(xiàng)參數(shù)后，進(jìn)入輪廓掃描窗口。點(diǎn)擊輪廓掃描開始后，對(duì)銑削作業(yè)單元進(jìn)行自檢、啟動(dòng)主軸銑削電機(jī)以及對(duì)參數(shù)的檢查確認(rèn)，如果有參數(shù)變動(dòng)，跟隨參數(shù)。

銑削作業(yè)系統(tǒng)的初始化主要是自檢驗(yàn)、參數(shù)調(diào)整和輪廓掃描。自檢驗(yàn)包括數(shù)控系統(tǒng)的檢驗(yàn)、銑削作業(yè)各軸電機(jī)的的檢驗(yàn)、外部設(shè)備檢驗(yàn)、列車的檢驗(yàn)。

數(shù)控系統(tǒng)檢驗(yàn)主要有各模塊是否正常工作、通訊是否正常、數(shù)控程序是否正常等。

銑削作業(yè)單元檢驗(yàn)有位置是否正確、主軸是否過(guò)熱、傳感器是否在正確位置等。

外部設(shè)備的檢驗(yàn)有液壓系統(tǒng)是否啟動(dòng)、壓力和溫度是否正常、集屑裝置集屑量是否超過(guò)閾值、測(cè)速輪是否正常等。

列車的檢驗(yàn)有列車速度是否為零、列車控制系統(tǒng)通訊是否正常等。

2.2 對(duì)刀過(guò)程

在完成輪廓掃描后，作業(yè)單元進(jìn)入等待狀態(tài)。進(jìn)入“工作狀況”界面，先要開啟外部設(shè)備，再通過(guò)“開始”，進(jìn)入作業(yè)單元對(duì)刀過(guò)程。對(duì)刀和銑削作業(yè)是兩步進(jìn)行的。

刀盤移動(dòng)前，操作者要手動(dòng)啟動(dòng)各外部設(shè)備，各外部設(shè)備全部啟動(dòng)完畢并檢查沒(méi)有問(wèn)題后方可開始移動(dòng)橫向和縱向軸。

對(duì)刀過(guò)程可以用 “橫向靠近-垂向下降-橫向靠近-垂向下降”來(lái)描述。前兩步是粗調(diào)過(guò)程，后兩步為微調(diào)過(guò)程。在移動(dòng)過(guò)程中由行程開關(guān)和電機(jī)編碼器來(lái)控制移動(dòng)位置和移動(dòng)速度。

進(jìn)入“工作狀況”界面，當(dāng)用戶按下各外部設(shè)備的啟動(dòng)按鈕后（不分順序），各把外部設(shè)備就緒，再按下“開始”，作業(yè)單元將開始移動(dòng)位置。直到根據(jù)輪廓掃描中設(shè)定到達(dá)默認(rèn)的位置，主軸開始工作，監(jiān)視主軸功率，然后窗口中彈出等待信息，等待用戶的操作，進(jìn)入下一過(guò)程。

2.3 銑削作業(yè)

進(jìn)入銑削作業(yè)狀態(tài)需要用戶操作物理按鈕。按下鈕按之前，機(jī)車必須以設(shè)定速度前進(jìn)。銑削作業(yè)狀態(tài)又分為順坡切入和自動(dòng)銑削兩個(gè)階段。

（1）順坡切入。銑削控制系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得出切入進(jìn)給速度，垂向、橫向傳感器分別檢測(cè)達(dá)到設(shè)定切深后，進(jìn)行穩(wěn)定作業(yè)。

（2）自動(dòng)銑削。銑削作業(yè)控制系統(tǒng)根據(jù)鋼軌輪廓檢測(cè)傳感器判斷鋼軌輪廓形狀，給出銑削作業(yè)指令進(jìn)行自動(dòng)銑削，操作者可根據(jù)情況調(diào)節(jié)銑削量、車速、切削深度等。

2.4 停止作業(yè)與緊急停車

下達(dá)停止作業(yè)指令后，銑削作業(yè)控制系統(tǒng)將銑削刀盤順坡切出，主軸保持轉(zhuǎn)動(dòng)，位置停留在工作位置。

緊急停車一般是當(dāng)有設(shè)備出現(xiàn)異常和警告，不能保證機(jī)車正常安全工作時(shí)，自動(dòng)或者手動(dòng)緊急停止。過(guò)程為：先提刀，再停刀停車，后恢復(fù)原位。

3 結(jié)論

本文介紹的鋼軌銑削作業(yè)控制系統(tǒng)基于西門子Sinumerik 840D SL數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠?qū)︿撥夁M(jìn)行高精度的銑削作業(yè)和銑削作業(yè)流程的有效管理，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的銑削作業(yè)效果。