CN102189466B - 轨道板数控磨床优化打磨方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道板数控磨床优化打磨方法，可以根据铁路设计数据和数控磨床激光测量系统测量的初始毛坯板数据进行优化处理，大大降低对轨道板进行打磨时的打磨量，提高轨道板打磨速度，同时降低打磨机磨轮的损耗，在铁路所用轨道板打磨过程中产生较大经济效益。本发明所涉及的轨道板数控磨床优化打磨方法的技术步骤包括：获取轨道板标准外形描述坐标值数据、确定轨道板的板内坐标系、计算板内各点坐标值、获取毛坯板坐标值、计算板内坐标系和毛坯板坐标系之间的角度差、上移板内坐标系从而获得最终优化结果、根据优化结果指导磨床进行打磨。
Description
技术领域
本发明涉及高速铁路建造工程，特别是涉及铺设高速铁路轨道板的打磨方法。
背景技术
高速铁路采用无砟轨道技术，将铁轨铺设在经过打磨并紧密排列的轨道板上，使路面平顺性能好，从而确保高速列车在设计时速下行驶不会颠簸、减少维护、降低粉尘。铺设高速铁路，要采用大量的轨道板，轨道板打磨利用数控磨床进行，因此轨道板的打磨成为高速铁路工程建设中的重要方面之一。
目前，利用数控磨床进行轨道板打磨时，采用了打磨量优化技术，但是，经过细致的数学计算发现优化效果不是很理想，会出现打磨量不均匀等缺点，偶尔还会出现细微的优化错误，难以适应我国高速铁路快速发展的需要。
发明内容
针对现有技术利用数控磨床进行轨道板打磨所存在的问题，本发明推出了一种新的优化打磨方法，其目的在于将大地坐标系下轨道板各点坐标值转换为原点在轨道板一端的板内坐标系下的坐标值，进一步提高打磨量优化效果。
本发明所涉及的原始数据来自于铁路设计数据和数控磨床（以下简称打磨机）激光测量系统测量的初始毛坯板（打磨前的轨道板）数据。
本发明所涉及的轨道板数控磨床优化打磨方法技术步骤包括：获取轨道板标准外形描述坐标值数据、确定轨道板的板内坐标系、计算板内各点坐标值、获取毛坯板坐标值、计算板内坐标系和毛坯板坐标系之间的角度差、上移板内坐标系从而获得最终优化结果、根据优化结果指导磨床进行打磨。
1、获取轨道板标准外形描述坐标值数据
从铁路设计数据文件中获得该线路上每块轨道板的标准外形描述坐标值数据，然后将其传输到计算机中去。轨道板的标准外形描述坐标值数据，是轨道板铺设完成后其承轨槽的顶点在全球坐标系中的位置，用于描述轨道板的标准外形。
2、确定轨道板的板内坐标系
由于轨道板在全球坐标系下具有不确定的原点位置、坐标轴方向，因此需针对每块即将打磨的板都建立一个板内坐标系,并使其标准化,即原点在板的一端,X轴平行于板纵向、Y轴平行于板横向、Z轴垂直于板平面。
3、计算板内各点坐标值
在得到板内坐标系后，将板内坐标系坐标轴单位化，并获得从大地坐标系到板内坐标系的转换矩阵。将所有大地坐标值都乘以这个转换矩阵，即计算出了板内各点坐标值。
4、获取毛坯板坐标值
毛坯板进入打磨机床后，打磨机必须先用激光测量仪对其打磨前的外形进行扫描，获得其外形描述坐标值。
5、计算板内坐标系和毛坯板坐标系之间的角度差
打磨优化首先需要通过旋转板内坐标系消除与毛坯板坐标系之间的角度差，因此需根据毛坯板坐标值和板内坐标值，得出板内坐标系在毛坯板坐标系三个坐标轴方向上的旋转角度，然后即可对板内坐标系进行旋转达到和毛坯板平行的效果了。
6、上移板内坐标系从而获得最终优化结果
上一步将板内坐标系和毛坯板坐标系进行平行化处理后，即可通过各点坐标值之间的差额计算出两板之间的平移距离Δx、Δy、Δz，将板内坐标系做相应移动，即可完成整个毛坯板打磨量优化过程。
7、根据优化结果指导磨床进行打磨
经过上述优化过程后，板内坐标值和毛坯板表面各点坐标值之间的差异已经很小，打磨机只需要根据优化完的板内坐标各点坐标值计算磨轮运动路径，使磨轮依次经过优化完的各个板内坐标值，即可将毛坯板打磨成符合铁路铺设要求的成品板，从而完成整个打磨任务。
本发明所涉及的轨道板数控磨床优化打磨方法，根据铁路设计数据及打磨机激光测量系统测量的初始毛坯板数据，依据下述数学算法进行优化处理，大大降低打磨量，提高了打磨速度，降低了磨轮损耗，产生了较大的经济效益。
附图说明
图1为本发明涉及的轨道板数控磨床优化打磨方法总流程图；
图2为本发明涉及的轨道板大地坐标系转板内坐标系算法流程图；
图3为本发明涉及的大地坐标系到板内坐标系的坐标系转换原理图；
图4为本发明涉及的优化前轨道板毛坯板各点坐标值曲线和板内各点坐标值曲线，由图可见两条曲线有较大间距，即打磨量较大；
图5为本发明涉及的优化后轨道板毛坯板各点坐标值曲线和优化板内各点坐标值曲线，由图可见两条曲线间距已经很小了，说明优化后打磨量很小。
具体实施方式
结合附图进一步说明本发明的技术方案。图1显示了本发明所涉及的轨道板优化打磨方法的操作流程，如图1所示，本发明所涉及的轨道板数控磨床优化打磨方法技术步骤包括：获取轨道板标准外形描述坐标值数据、确定轨道板的板内坐标系、计算板内各点坐标值、获取毛坯板坐标值、计算板内坐标系和毛坯板坐标系之间的角度差、上移板内坐标系从而获得最终优化结果、根据优化结果指导磨床进行打磨。
所述获取轨道板标准外形描述坐标值数据，是指从铁路设计数据文件中获得该线路上每块轨道板的标准外形描述坐标值数据（也就是每块板铺设完成后上面每个承轨槽的顶点在全球坐标系中的位置，通过这些坐标值数据描述轨道板的标准外形），然后将其传输到计算机中去。
所述确定轨道板的板内坐标系，是由于轨道板在全球坐标系下具有不确定的原点位置、坐标轴方向，因此需将原点移动到前板缝处、X轴平行于板纵向、Y轴平行于板横向、Z轴垂直于板平面，才可对轨道板进一步处理。前板缝即为轨道板最前端，在第一对承轨槽前长度为L2处，如图3所示。
首先要从轨道板20个坐标点数值中选取部分点，以这些点为基准来构建整个板内坐标系。选取点的标准是它们应该各自相距较远，这样会避免因板局部点的误差而扩大到整个板的范围。我们这里选择轨道板的P4点、P5点，和P26点作为转换参考点，如图3所示。在三维空间中将P5点、P26点确定的向量设为X轴，P5点、P4点确定的向量设为Y轴，X、Y轴右手系叉乘的结果设为Z轴，并对其进行单位化。
所述根据板内坐标系计算出板内各点坐标值，是从上一步得到板内坐标系后，将板内坐标系坐标轴单位化，并获得从大地坐标系到板内坐标系的转换矩阵。将所有大地坐标值都乘以这个转换矩阵，即计算出了板内各点坐标值。
得到以P5点为原点的板内坐标值后，根据轨道板设计标准，由于P5点在第二对承轨槽中，因此前板缝到P5点的距离为前板缝到第一对承轨槽的距离（如图3中L2所示）加上两对承轨槽的标准间距（如图3中L1所示），一共为L1+L2，为了将板内坐标系原点移到前板缝处，即以前板缝为原点的板内坐标系，因此还应在X方向加L1+L2，从而获得板内坐标值。
所述数控磨床用激光测量仪器逐行扫描毛坯板得到毛坯板坐标值，是在毛坯板进入打磨机床后，打磨机必须先用激光测量仪对其打磨前的外形进行扫描，才能确定其在机床空间中的方位，并结合该板打磨前的毛坯板坐标值和打磨后应该具有的标准外形（即前面计算出的板内坐标值），得到它们之间的差别，即需要打磨掉的部分。
所述获得板内坐标系和毛坯板坐标系之间的角度差，是根据毛坯板坐标值和板内坐标值，得出板内坐标系在毛坯板坐标系三个坐标轴方向上的旋转角度。
打磨优化首先需要通过旋转板内坐标系消除与毛坯板坐标系之间的角度差。旋转板内坐标系分为沿X、Y、Z轴三个方向进行。首先分别计算板内坐标X、Y、Z三个坐标轴方向上的偏转角度，再分别计算毛坯板X、Y、Z三个坐标轴方向上的偏转角度，相减获得两者在三个坐标轴方向上的偏转角度差。得到三个旋转角度后，即可对板内坐标系进行旋转达到和毛坯板平行的效果了。
所述向上平移经过平行处理后的板内坐标系从而获得最终优化结果，是指上一步将板内坐标系和毛坯板坐标系进行平行化处理后，即可通过各点坐标值之间的差额计算出两板之间的平移距离Δx、Δy、Δz，将板内坐标系做相应移动，即可完成整个毛坯板打磨量优化过程。首先将板内坐标系进行Y向平移使得两者在同一垂直线上，再向上平移两者所有坐标值之中最接近者之间的距离。
此时Z向两者距离差最小，但毛坯板承轨槽的部分点可能在对应点的板内坐标值外面，因此需要向下移动板内坐标系，每次向下移动一个较小的指定值△z，并检验是否毛坯板所有点均在对应点板内坐标值之里，通常采用以下算法：选取毛坯板上部某点，测试所有毛坯板点和它的连线是否经过所有板内坐标值决定的曲面，如果都不经过则表示毛坯板所有点均在板内坐标系里了，此时停止向下移动板内坐标系，得到最终结果，即板内坐标系沿X、Y、Z轴方向上的平移Δx、Δy、Δz，然后分别绕X、Y、Z轴方向上的旋转上一步计算得到的角度，从而得到优化完的板内坐标系。
所述根据优化完的板内坐标值和毛坯板表面各点坐标值指导磨床进行打磨，是指经过上述优化过程后，板内坐标值和毛坯板表面各点坐标值之间的差异已经很小，打磨机只需要根据优化完的板内坐标各点坐标值计算磨轮运动路径，使磨轮依次经过优化完的各个板内坐标值，即可将毛坯板打磨成符合铁路铺设要求的成品板，从而完成整个打磨任务。
Claims (4)
1.一种轨道板数控磨床优化打磨方法，其特征在于，技术步骤包括：获取轨道板标准外形描述坐标值数据，确定轨道板的板内坐标系，计算板内各点坐标值，获取毛坯板坐标值，计算板内坐标系和毛坯板坐标系之间的角度差，向上平移板内坐标系从而获得最终优化结果，根据优化结果指导磨床进行打磨；确定轨道板的板内坐标系是将坐标原点移动到轨道板前板缝处、X轴平行于板纵向、Y轴平行于板横向、Z轴垂直于板平面；计算板内坐标系和毛坯板坐标系之间的角度差，首先分别计算板内坐标X、Y、Z三个坐标轴方向上的偏转角度，再分别计算毛坯板X、Y、Z三个坐标轴方向上的偏转角度，相减获得两者在三个坐标轴方向上的偏转角度差，然后通过沿X、Y、Z轴三个方向进行旋转板内坐标系消除与毛坯板坐标系之间的角度差，即将板内坐标系和毛坯板坐标系进行平行化处理；向上平移经过平行处理后的板内坐标系从而获得最终优化结果，是指将板内坐标系和毛坯板坐标系进行平行化处理后，通过各点坐标值之间的差额计算出两板之间的平移距离Δx、Δy、Δz，将板内坐标系做相应移动，从而完成整个毛坯板打磨量优化过程。
2.根据权利要求1所述的轨道板数控磨床优化打磨方法，其特征在于，获取轨道板标准外形描述坐标值数据是从铁路设计数据文件中获取，然后将其传输到计算机中。
3.根据权利要求1所述的轨道板数控磨床优化打磨方法，其特征在于，在上移板内坐标系从而获得最终优化结果过程中，必须时刻检验是否毛坯板所有点均在对应点板内坐标值之里，通常采用以下算法：选取毛坯板上部某点，测试所有毛坯板点和它的连线是否经过所有板内坐标值决定的曲面，只要存在经过现象则表示毛坯板有某个坐标点在板内坐标值决定的曲面之外，即优化失败。
4.根据权利要求1所述的轨道板数控磨床优化打磨方法，其特征在于，根据优化结果指导磨床进行打磨,需要根据优化完的板内坐标各点坐标值计算磨轮运动路径，使磨轮依次经过优化完的各个板内坐标值，即可将毛坯板打磨成符合铁路铺设要求的成品板，从而完成整个打磨任务。
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