CN104942346B - 一种钢轨铣削作业控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨铣削作业控制系统，包括：铣盘，在作业行走时实现钢轨铣削作业；Z向升降油缸，固定端设置在Y向导轨的底部，活动端与铣盘框架连接，能与铣盘在Z向上下运动；定位靴，设置在Z向升降油缸固定端的后下方，实现铣盘垂向定位；弦线传感器，一端设置在铣盘框架的上部，另一端与Z向升降油缸的固定端相连，用于测量Z向升降油缸的位移；角度传感器，通过固定装置与铣盘的下部相连，能与铣盘一起在Z向和Y向同步运动；侧向定位传感器，通过固定装置与铣盘相连，实现铣盘侧向定位。本发明解决了现有系统难以检测实际切削量，理论切削量下对应的功率难以恒定，铣削作业的精度低、误差大，无法满足线路平顺性要求的技术问题。

Description

一种钢轨铣削作业控制系统

技术领域

本发明涉及铁路养路工程机械电气系统控制领域，尤其是涉及一种应用于钢轨铣磨车的钢轨铣削作业控制系统。

背景技术

钢轨铣磨车是一种适用于钢轨预防性及整治性维护作业的铁路养护机械，通过对钢轨的铣磨作业可以实现以下目标：提高钢轨纵向平顺性和横断面轮廓质量(减少钢轨磨耗，改善轮轨接触几何状态，减少轮轨相对磨耗)；提高钢轨使用寿命；降低钢轨维修成本和再利用成本；降低运行噪音提高路网运行安全和运营效率。钢轨铣磨车是一种移动式铣削和磨削机械，机械本身在自走行过程中通过丝杠、伺服电机、驱动电机等控制单元驱动仿形铣盘、仿形磨盘对线路上固定的钢轨进行铣削和磨削加工。

我国铁路经过多次大提速，列车运行速度已大幅提高，这对钢轨的平顺度等指标提出了苛刻要求。为满足此要求，需定期对钢轨表面进行修复作业，以消除钢轨的侧磨、波磨、碾压层、裂缝、剥离等缺陷，恢复轨头工作部分的设计形状，提高钢轨使用寿命，降低运行噪音，提高列车的运行安全性。传统的大型钢轨整修设备以钢轨打磨列车为主，该车通过以打磨电机和砂轮组成的磨削作业系统进行钢轨整修，存在作业控制不精确，作业精度低，无集尘装置，环境污染严重，只能在干线铁路使用等缺点。用户需求功能更强、效率更高、更环保的解决方案。钢轨铣磨车是在此背景下产生的一种新型钢轨在线整修设备，创新地使用了铣作业与磨作业结合的修复方式，能在运行中对钢轨进行动态铣磨，具有作业控制精确，作业效率高，环境污染较小等优点。

国际上生产制造钢轨铣磨车厂家仅有奥地利的Linsinger公司及MFL公司两家，其整车设计、制造技术对中国进行封锁，只限制出口整车产品到中国市场。整机进口国外钢轨铣磨车的价格昂贵，且无自主知识产权，无法与我国铁路发展趋势相适应，更无法实现钢轨的预防性及整治性维护作业。目前国内尚无相关钢轨铣磨车电气控制系统研发或生产厂商。钢轨铣磨车整车受控对象多、控制精度要求高，内部包含多个子系统，且各子系统之间功能及应用条件不同，因此需采用不同的受控设备及控制方法。国内对钢轨铣磨作业控制技术还处于研究阶段，没有定型的控制方案，目前应用较多的是采用恒功率铣磨作业方案来实现铣削、磨削作业。恒功率控制方案是指铣削或磨削作业过程中将铣削或磨削进给量作为输入，将铣削或磨削作业的主轴电机的输出电流作为反馈信号进行调节输入，当线路有凸起时主电机输出电流增大，需要减小进给量，当线路有凹陷时主电机输出电流减小，需要增大进给量，从而实现铣磨装置的相对钢轨的跟随控制。

恒功率铣磨作业方案从理论上讲可以实现钢轨铣、磨作业时铣、磨装置对钢轨的随动控制，消除短波误差，并保持原有长波轨扩形状，起到钢轨防御性维护的目的。但是恒功率控制有其根本性弊端，一是给定理论切削量后,实际切削量难以检测，造成对应理论切削量下对应的准确功率难以确定；二是在确定理论切削量下对应的准确功率后对采用电流反馈控制理论对控制系统的实时性要求过高，从而在钢轨具有凸起、凹陷时系统响应时间与作业效率形成矛盾，即作业走行慢时系统调节时间充分，实际恒定铣削、磨削功率精度高、误差小，即作业走行快时系统调节时间短，实际恒定铣削、磨削功率精度低、误差大，从而造成波浪铣削、磨削现状，无法满足作业后线路平顺性的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钢轨铣削作业控制系统，解决现有恒功率铣磨作业控制系统难以检测实际切削量，给定理论切削量下功率难以恒定，系统调节响应慢，铣磨作业精度低、误差大，无法满足作业后线路平顺性要求的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种钢轨铣削作业控制系统的技术实现方案，钢轨铣削作业控制系统，包括：

铣盘，通过铣盘框架设置在钢轨铣削作业车的中下部，能在Z轴电机的带动下实现垂向定位，并在Y轴电机的带动下实现侧向定位，在主轴电机的带动下实现旋转，从而在作业行走时实现钢轨铣削作业；

Z向升降油缸，固定端设置在所述钢轨铣削作业车下方的Y向导轨底部，所述Z向升降油缸的活动端与所述铣盘框架连接，所述Z向升降油缸能与所述铣盘在沿垂向上下运动；

定位靴，设置在所述Z向升降油缸的固定端的后下方，用于实现所述铣盘的垂向定位；

弦线传感器，一端设置在所述铣盘框架的上部，另一端与所述Z向升降油缸的固定端相连，用于测量所述Z向升降油缸的位移；

角度传感器，设置在所述铣盘的下部，能与所述的铣盘同步运动；

侧向定位传感器，通过所述固定装置与所述铣盘相连，用于实现所述铣盘的侧向定位。

优选的，所述控制系统还包括用于测量所述钢轨轨廓和轨距的激光检测传感器，所述激光检测传感器设置在所述固定装置上。

优选的，所述控制系统还包括用于检测铣削作业前后所述钢轨高度差的前高度定位传感器和后高度定位传感器。所述前高度定位传感器和后高度定位传感器通过所述固定装置与所述铣盘的下部相连，并位于所述铣盘沿所述钢轨水平方向的两侧。

优选的，所述定位靴上还设置有前定位靴压力传感器和后定位靴压力传感器，所述前定位靴压力传感器和后定位靴压力传感器用于检测所述铣盘压在所述钢轨表面的压力。

优选的，所述控制系统还包括油缸控制模块和伺服机构一，由所述油缸控制模块控制所述伺服机构一驱动所述Z向升降油缸输出恒定的压力，所述前定位靴压力传感器和后定位靴压力传感器将所述定位靴的垂向位移转换为压力。所述油缸控制模块根据设定的压力值和铣削作业过程中所述Z向升降油缸输出的压力值进行PID调节。当所述钢轨上存在有凸起或凹陷时，所述Z向升降油缸的垂向位移变化引起所述前定位靴压力传感器和后定位靴压力传感器的位移变化，所述前定位靴压力传感器和后定位靴压力传感器检测压力值的变化，并通过所述油缸控制模块调节所述伺服机构一的输出，进而使所述Z向升降油缸输出恒定的压力。

优选的，所述控制系统还包括运动控制模块、单电机驱动模块和主轴电机，由所述运动控制模块控制所述单电机驱动模块驱动所述主轴电机维持恒定的转速，所述主轴电机带动所述铣盘对所述钢轨进行铣削作业。所述运动控制模块根据设定的转速值、进给速度值以及铣削作业过程中所述主轴电机反馈的转速值进行PID调节，所述主轴电机恒线速度运行。当设定的转速值、进给量增加时，所述主轴电机的输出功率下降，所述主轴电机的转速上升。当设定的转速值、进给量减小时，所述主轴电机的输出功率上升，所述主轴电机的转速下降。

优选的，所述控制系统还包括双电机驱动模块和伺服机构二，由所述运动控制模块控制所述双电机驱动模块驱动所述伺服机构二维持恒定的铣削量。所述油缸控制模块根据设定的进给量、钢轨的不平顺度，以及伺服机构二的铣削量反馈值进行PID调节。所述双电机驱动模块通过所述伺服机构二分别控制Z轴电机和Y轴电机。所述伺服机构二输出的垂向铣削量通过所述前高度定位传感器和后高度定位传感器进行反馈，所述伺服机构二输出的侧向铣削量通过所述侧向定位传感器进行反馈。

优选的，所述弦线传感器测量所述Z向升降油缸的伸长位移，确定所述铣盘的下降距离，并将测量结果反馈至铣削作业主控制器，再由所述铣削作业主控制器控制电液伺服阀，实现所述铣盘的垂向运动。当所述铣盘下降到所述钢轨轨面上方设定的高度时，在所述伺服机构一的带动下，钢轨铣削作业控制系统控制所述激光检测传感器对所述钢轨进行扫描。当所述激光检测传感器检测到所述钢轨的内侧时输出一个开关信号，当所述激光检测传感器检测到所述钢轨的外侧时输出一个开关信号，通过对所述伺服机构二的运动进行编码确定所述钢轨的轨廓和轨距。

优选的，当所述钢轨铣削作业控制系统完成所述钢轨的轨廓和轨距测量后，所述铣盘与所述Z向升降油缸同步下降，所述角度传感器打开并压在所述钢轨上，所述角度传感器在所述铣盘带动下同步下降，当所述弦线传感器检测到定位靴离所述钢轨的轨面达到设定距离时，所述Z向升降油缸停止下降。所述伺服机构二驱动所述铣盘在Y向向所述钢轨的内侧移动，在此过程中所述角度传感器一直压在所述钢轨的轨面上并滑过所述钢轨的整个R型钢轨表面。当所述角度传感器滑至所述钢轨的内侧刚好产生突变时，所述铣盘则停止Y向移动，所述角度传感器收回。

优选的，所述铣盘在所述伺服机构二的带动下沿垂向下降至所述铣盘的下边缘到轨面的高度达到设定距离时，所述铣盘垂向停止运动，实现垂向定位。在垂向定位完成后，所述铣盘沿Y向向外移动，至所述侧向定位传感器的中位，则Y向定位完成，并完成对所述铣盘的最终定位。

通过实施上述本发明提供的钢轨铣削作业控制系统，具有如下有益效果：

(1)本发明能够解决现有恒功率铣磨作业控制系统难以检测实际切削量，对应理论切削量下切削功率难以恒定，系统调节响应慢，作业精度低、误差大，无法满足作业后线路平顺性要求的技术问题；

(2)本发明解决了铣削作业后有效消除线路短波误差的技术问题，并保持原有线路长波轨廓形状，起到了钢轨防御性维护的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是本发明钢轨铣削作业控制系统一种具体实施方式的系统控制结构框图；

图2是本发明钢轨铣削作业控制系统一种具体实施方式的系统结构组成示意图；

图3是图2中钢轨铣削作业控制系统的局部放大结构示意图；

图4是本发明钢轨铣削作业控制系统一种具体实施方式中恒压力控制单元的系统控制原理框图；

图5是本发明钢轨铣削作业控制系统一种具体实施方式中主电机转速控制单元的系统控制原理框图；

图6是本发明钢轨铣削作业控制系统一种具体实施方式中进给量跟随控制单元的系统控制原理框图；

图中：1-铣盘，2-后高度定位传感器，3-激光检测传感器，4-前高度定位传感器，5-侧向定位传感器，6-铣盘框架，7-角度传感器，8-定位靴，9-后定位靴压力传感器，10-前定位靴压力传感器，11-弦线传感器，12-Z向升降油缸，13-钢轨，14-固定装置，15-Y向导轨，16-油缸控制模块，17-伺服机构一，18-运动控制模块，19-单电机驱动模块，20-主轴电机，21-双电机驱动模块，22-伺服机构二，23-固定端，24-活动端。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

PC：Personal Computer，个人计算机的简称；

PLC：Programmable Logic Controller，可编程式逻辑控制器的简称；

IO：Input Output，输入输出的简称；

PROFINET：一种基于工业以太网技术的自动化总线标准；

CAN：Controller Area Network，控制器局域网总线的简称；

PROFIBUS-DP：PROFIBUS-Decentralized Periphery，一种高速、低成本，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信标准；

PID：Proportional-Integral-Derivative，比例积分微分控制的简称；

钢轨铣磨车：能够为自身提供走行动力，车体上集成铣、磨单元，对钢轨表面进行修复作业的一种铁路大型养路机械设备，通过铣、磨作业可以消除钢轨的侧磨、波磨、碾压层、裂缝、剥离等缺陷，恢复轨头工作部分的设计形状，提高钢轨使用寿命、降低运行噪音、提高列车的运行安全性；

钢轨铣削作业控制系统：此系统能够控制左右铣削作业装置，左右铣削作业装置在低恒速稳定移动时能够通过仿形铣盘对钢轨进行在线修复，提高钢轨纵向平顺性和横断面轮廓质量。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图6所示，给出了本发明钢轨铣削作业控制系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示，钢轨铣削作业控制系统包括铣削作业监控模块、铣削作业主控制器和左、右共两套铣削作业控制单元。铣削作业监控模块采用工业PC机，具有PROFINET及CAN总线接口，铣削作业主控制器采用西门子公司的故障安全型PLC，其型号可以是S7 317F-2PN/DP，或更强性能的PLC。铣削作业监控模块通过PROFINET总线与铣削作业主控制器相连，同时铣削作业主控制器通过PROFIBUS_DP总线与左、右铣削作业控制单元的网络节点相连。铣削作业运动控制模块一和运动控制模块二采用西门子公司高性能的运动控制器，其型号可以是SIMOTION D 435-2 PN/DP或其他更强性能的运动控制器，驱动输出采用S120系列伺服驱动器实现铣削作业时的多轴伺服驱动控制。铣盘定位控制包括Z(垂)向定位和Y向定位，Z(垂)向粗定位由液压驱动来实现，Z向精定位由Z向伺服电机来实现，Y向粗定位及精定位由Y向伺服电机驱动实现。

如附图2所示，一种钢轨铣削作业控制系统的具体实施例，包括：

铣盘1，通过铣盘框架设置在钢轨铣削作业车的中下部，能在Z轴电机的带动下实现垂向定位，并在Y轴电机的带动下实现侧向定位，在主轴电机20的带动下实现旋转，从而在作业行走时实现对钢轨13的铣削作业；

Z向升降油缸12，固定端23设置在钢轨铣削作业车下方Y向导轨15的底部，Z向升降油缸12的活动端24与铣盘框架6连接，Z向升降油缸12能与铣盘1沿Z(垂)向上下运动；Z向升降油缸12的上端为活动端24，Z向升降油缸12的下端为固定端23；

定位靴8，设置在Z向升降油缸12的固定端23的后下方，用于实现铣盘1的垂向(Z向)定位；

弦线传感器11，一端设置在铣盘框架6的上部，另一端与Z向升降油缸12的固定端23相连，用于测量Z向升降油缸12的位移；

角度传感器7，设置在铣盘的下部，能与铣盘同步运动；作为本发明一种典型的具体实施例，角度传感器7进一步通过固定装置14与铣盘1的下部相连，能与铣盘1一起在Z向和Y向同步运动；

侧向定位传感器5，通过固定装置14与铣盘1相连，用于实现铣盘1的侧向(Y向)定位。

如附图3所示，作为本发明一种较佳的具体实施例，控制系统还进一步包括用于测量钢轨13轨廓和轨距的激光检测传感器3，激光检测传感器3设置在固定装置14上。

如附图3所示，作为本发明一种较佳的具体实施例，控制系统还进一步包括用于检测铣削作业前后钢轨13高度差的前高度定位传感器4和后高度定位传感器2。前高度定位传感器4和后高度定位传感器2通过固定装置14与铣盘1的下部相连，并位于铣盘1沿钢轨13水平方向的两侧。

如附图3所示，作为本发明一种较佳的具体实施例，定位靴8上还进一步设置有前定位靴压力传感器10和后定位靴压力传感器9，前定位靴压力传感器10和后定位靴压力传感器9用于检测铣盘1压在钢轨13表面的压力。

当铣盘框架6的Z向锁定装置解锁后，角度传感器7第一次打开并向下执行一次摆动动作，同时伺服机构一16驱动Z向升降油缸12沿垂向运动，弦线传感器11测量Z向升降油缸12的伸长位移，确定铣盘1的下降距离，并将测量结果反馈至铣削作业主控制器，再由铣削作业主控制器控制电液伺服阀，实现铣盘1的垂向运动。当铣盘1下降到钢轨13轨面上方130mm高度处时，在伺服机构二22(Y向伺服机构)的带动下，钢轨铣削作业控制系统控制激光检测传感器3对钢轨13的左轨进行扫描，当激光检测传感器3检测到钢轨13的内侧时输出一个开关信号由Profibus DP总线采集，当激光检测传感器3检测到钢轨13的外侧时输出一个开关信号由Profibus DP总线采集，通过对伺服机构二22的运动进行编码可以确定钢轨13的轨廓。然后以相同方式进行钢轨13的右轨扫描，确定钢轨13的轨廓和轨距。通过对钢轨13的轨廓和轨距进行检测，可以确定钢轨13是否符合铣削作业的要求。如果钢轨13的轨廓和轨距不符合要求，钢轨铣削作业装置则停止下降。

当钢轨铣削作业控制系统完成钢轨13的轨廓和轨距测量后，铣盘1与Z向升降油缸12同步下降，角度传感器7第二次打开并压在钢轨13上，角度传感器7在铣盘1的带动下同步下降。当弦线传感器11检测到定位靴(仿形靴)8距离钢轨13的轨面5mm左右时，Z向升降油缸12停止下降。伺服机构二22驱动铣盘1在Y向向钢轨13的内侧移动，在此过程中角度传感器7一直压在钢轨13的轨面上并滑过钢轨13的整个R型钢轨表面。当角度传感器7滑至钢轨13的内侧刚好产生突变时，铣盘1则停止Y向移动，角度传感器7收回。钢轨铣削作业控制系统通过前高度定位传感器4、后高度定位传感器2和侧向定位传感器5进行Y向和Z向的最终定位。铣盘1在伺服机构二22的带动下沿垂(Z)向下降至铣盘1的下边缘到轨面的距离为4mm左右时，铣盘1在Z向停止运动，实现Z向定位。在Z向定位完成后，铣盘1沿Y向向外移动，至侧向定位传感器5的中位，则Y向定位完成，并完成对铣盘1的最终定位。

如附图4所示，控制系统还进一步包括油缸控制模块16和伺服机构一17，由油缸控制模块16控制伺服机构一17驱动Z向升降油缸12输出恒定的压力，前定位靴压力传感器10和后定位靴压力传感器9将定位靴8的垂向位移转换为压力。为了减少线路凸起或凹陷对铣削作业的质量影响，作业过程中要保持定位靴8的压力恒定，进而保证Z向位移恒定。油缸控制模块16根据设定的压力值和铣削作业过程中Z向升降油缸12输出的压力值进行PID调节。当钢轨13上存在有凸起或凹陷时，Z向升降油缸12的垂向位移变化引起前定位靴压力传感器10和后定位靴压力传感器9的位移变化，前定位靴压力传感器10和后定位靴压力传感器9检测压力值的变化，并通过油缸控制模块16调节伺服机构一17的输出，进而使Z向升降油缸12输出恒定的压力。压力恒定目的主要是实现铣削Z向起始点的定位，也可以称为Z向铣削零点。定位靴8的长度为400mm左右，这样波长小于400mm的短波长就会被消除，而波长大于400mm的波磨则不能被消除，从而保证了钢轨的平顺性并达到将危害较大的短波长波磨消除的效果。

如附图5所示，控制系统还进一步包括运动控制模块18、单电机驱动模块19和主轴电机20，由运动控制模块18控制单电机驱动模块19驱动主轴电机20维持恒定的转速，主轴电机20带动铣盘1对钢轨13进行铣削作业。运动控制模块18根据设定的转速值、进给速度值以及铣削作业过程中主轴电机20反馈的转速值进行PID调节，主轴电机20恒线速度运行。当设定的转速值、进给量增加时，主轴电机20的输出功率下降，主轴电机20的转速上升。当设定的转速值、进给量减小时，主轴电机20的输出功率上升，主轴电机20的转速下降。

主轴电机20恒线速度运行，当进给量和作业速度增加时，为了保证恒线速度，主轴电机20的功率就会增加。为了保证作业质量，可以通过调节进给量和作业速度来实现总功率稳定在60％以下，使得输出功率与速度、进给量相匹配。否则，长时间功率过大，将会造成钢轨13的铣削面发蓝。铣削作业控制主要是控制铣刀的切削点线速度，保证钢轨13铣削的光洁和连续。主轴电机20旋转带动铣盘1旋转，铣刀固定在铣盘1上，在很高的线速度下，能够对钢轨13的相应部位进行铣削。铣削的恒线速度控制主要是控制主轴电机20的转速，在转速恒定的情况下，可以忽略铣刀的磨耗带来的变化。作为本发明一种较佳的具体实施例，主轴电机20采用恒线速度的控制方式，当钢轨铣削作业车的作业走行速度≥1.0km/h时，主轴电机20的线速度为260m/min。当钢轨铣削作业车的作业走行速度＜1.0km/h时，主轴电机20的线速度为180m/min，线速度可以手动设定，每次改变量为5m/min。恒定线速度控制主要是由驱动控制器S120来驱动主轴电机20实现的。如附图1所示，驱动控制器S120由线性整流模块和电机驱动模块组成。驱动控制器S120是一种带有矢量控制和伺服控制的模块化传动控制模块，同时可以实现带运动控制的多轴传动，以及所有传动轴的转速控制和扭矩控制。

如附图6所示，控制系统还进一步包括双电机驱动模块21和伺服机构二22，由运动控制模块18控制双电机驱动模块21驱动伺服机构二22维持恒定的铣削量。油缸控制模块16根据设定的进给量、钢轨13的不平顺度，以及伺服机构二22的铣削量反馈值进行PID调节。双电机驱动模块21通过伺服机构二22分别控制Z轴电机和Y轴电机。伺服机构二22输出的垂向铣削量通过前高度定位传感器4和后高度定位传感器2进行反馈，伺服机构二22输出的侧向铣削量通过侧向定位传感器5进行反馈。

在作业过程中，铣削作业点是在作业零点的基础上根据操作员设定的进给量后确定的铣削作业下刀点在钢轨13上的位置，是进给量和零点位置的叠加。在作业的过程中，由于钢轨13表面的起伏变化，零点位置也应该随时变化，以保证切削进给量的一致，跟随钢轨13表面的起伏变化进行变化的控制称为随动控制。作业操作人员在作业前可以手动设定铣削作业的进给量，走行过程中也可以根据实际情况，手动调整进给量，进给量包括Z向进给量和Y向偏移量，其中Z向进给量以0.1mm为单位进行调整，Y向偏移量以1mm为单位进行设置。通过前定位靴压力传感器10、后定位靴压力传感器9和侧向定位传感器5确定钢轨13的起伏变化，经过处理确定作业零点，驱动Y向、Z向伺服电机动作，调整作业点的相对位置。其中，Y向的跟随零点由侧向定位传感器5进行测量，并以0.1mm的精度实施调整Y向铣削量的跟随调整，Z向的跟随零点由前高度定位传感器4和后高度定位传感器2检测。

上述发明具体实施例描述的钢轨铣削作业控制系统设计步骤为：

A：根据铣削作业要求，采用输出信号为0～20mA电流，精度1mA的电液伺服阀进行设计，实现铣盘1可以在Z向移动，检测Z向的弦线传感器11的输出值以确定垂向的实际位移；并设计激光检测传感器3对钢轨13的Y向轨廓进行扫描定位；

B：通过前定位靴压力传感器10、后定位靴压力传感器9检测定位靴8受到的压力，设计基于PID控制算法的闭环控制系统对定位靴8的压力进行调节，实现定位靴8的压力恒定；

C：设计基于S120伺服驱动器的伺服驱动控制系统，编写S7 317及SIMOTION D435-2控制程序实现对Z向、Y向伺服驱动控制及主轴电机20的旋转控制；

D：根据前高度定位传感器4和后高度定位传感器2，以及侧向定位传感器5检测的实时值调节Z向伺服驱动系统，调节Z向和Y向伺服驱动机构实现仿型铣盘1的Z/Y向跟随控制。

本发明钢轨铣削作业控制系统不仅适用于轨道仿形铣削控制，同时适用于轨道仿形磨削控制系统。

通过实施本发明具体实施例描述的钢轨铣削作业控制系统，能够达到以下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的钢轨铣削作业控制系统能够解决现有恒功率铣磨作业控制系统难以检测实际切削量，对应理论切削量下对应的准确功率难以确定，磨削功率精度低、误差大，无法满足作业后线路平顺性要求的技术问题；

(2)本发明具体实施例描述的钢轨铣削作业控制系统解决了铣削作业后有效消除线路短波误差的技术问题，并保持原有线路长波轨廓形状，起到了钢轨防御性维护的要求；

(3)本发明具体实施例描述的钢轨铣削作业控制系统铣削控制采用西门子SIMOTION+S120的运动控制系统方案，通过将逻辑控制、驱动控制控制融为一体，使用同一平台同一软件，使得各部分可相互直接访问而无需中转或解析，系统的效率和稳定性得到进一步的提高；

(4)本发明具体实施例描述的钢轨铣削作业控制系统采用故障安全型PLC与故障安全型分布式IO，通过硬件冗余及软件冗余机制最大限度的保证在铣削作业程中人员与设备的安全并稳定高效的运行；

(5)本发明具体实施例描述的钢轨铣削作业控制系统控制器之间采用PROFINET网络通信协议，该协议在更适合较大的数据量传输，方便在主控器与铣、磨系统进行数据交换，也不会因此影响力控制层设备的运行；左、右铣削控制器与其子站间通过PROFIBUS-DP工业现场总线进行网络通信，保证数据的实时性与安全性，更有效的保证了整个系统的稳定性和可靠性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种钢轨铣削作业控制系统，其特征在于，包括：

铣盘(1)，通过铣盘框架(6)设置在钢轨铣削作业车的中下部，能在Z轴电机的带动下实现垂向定位，并在Y轴电机的带动下实现侧向定位，在主轴电机(20)的带动下实现旋转，从而在作业行走时实现对钢轨(13)的铣削作业；

Z向升降油缸(12)，固定端(23)设置在所述钢轨铣削作业车下方的Y向导轨(15)底部，所述Z向升降油缸(12)的活动端(24)与所述铣盘框架(6)连接，所述Z向升降油缸(12)能与所述铣盘(1)沿垂向上下运动；

定位靴(8)，设置在所述Z向升降油缸(12)的固定端(23)的后下方，用于实现所述铣盘(1)的垂向定位；

弦线传感器(11)，一端设置在所述铣盘框架(6)的上部，另一端与所述Z向升降油缸(12)的固定端(23)相连，用于测量所述Z向升降油缸(12)的位移；

角度传感器(7)，设置在所述铣盘(1)的下部，能与所述铣盘(1)同步运动；

侧向定位传感器(5)，通过所述固定装置(14)与所述铣盘(1)相连，用于实现所述铣盘(1)的侧向定位；

所述控制系统还包括用于检测铣削作业后所述钢轨(13)高度差的前高度定位传感器(4)和后高度定位传感器(2)；所述前高度定位传感器(4)和后高度定位传感器(2)通过所述固定装置(14)与所述铣盘(1)的下部相连，并位于所述铣盘(1)沿所述钢轨(13)水平方向的两侧。

2.根据权利要求1所述的钢轨铣削作业控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括用于测量所述钢轨(13)轨廓和轨距的激光检测传感器(3)，所述激光检测传感器(3)设置在所述固定装置(14)上。

3.根据权利要求2所述的钢轨铣削作业控制系统，其特征在于：所述定位靴(8)上还设置有前定位靴压力传感器(10)和后定位靴压力传感器(9)，所述前定位靴压力传感器(10)和后定位靴压力传感器(9)用于检测所述铣盘(1)压在所述钢轨(13)表面的压力。

4.根据权利要求3所述的钢轨铣削作业控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括油缸控制模块(16)和伺服机构一(17)，由所述油缸控制模块(16)控制所述伺服机构一(17)驱动所述Z向升降油缸(12)输出恒定的压力，所述前定位靴压力传感器(10)和后定位靴压力传感器(9)将所述定位靴(8)的垂向位移转换为压力；所述油缸控制模块(16)根据设定的压力值和铣削作业过程中所述Z向升降油缸(12)输出的压力值进行PID调节；当所述钢轨(13)上存在有凸起或凹陷时，所述Z向升降油缸(12)的垂向位移变化引起所述前定位靴压力传感器(10)和后定位靴压力传感器(9)的位移变化，所述前定位靴压力传感器(10)和后定位靴压力传感器(9)检测压力值的变化，并通过所述油缸控制模块(16)调节所述伺服机构一(17)的输出，进而使所述Z向升降油缸(12)输出恒定的压力。

5.根据权利要求3或4所述的钢轨铣削作业控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括运动控制模块(18)、单电机驱动模块(19)和主轴电机(20)，由所述运动控制模块(18)控制所述单电机驱动模块(19)驱动所述主轴电机(20)维持恒定的转速，所述主轴电机(20)带动所述铣盘(1)对所述钢轨(13)进行铣削作业；所述运动控制模块(18)根据设定的转速值、进给速度值以及铣削作业过程中所述主轴电机(20)反馈的转速值进行PID调节，所述主轴电机(20)恒线速度运行，当设定的转速值、进给量增加时，所述主轴电机(20)的输出功率下降，所述主轴电机(20)的转速上升；当设定的转速值、进给量减小时，所述主轴电机(20)的输出功率上升，所述主轴电机(20)的转速下降。

6.根据权利要求5所述的钢轨铣削作业控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括双电机驱动模块(21)和伺服机构二(22)，由所述运动控制模块(18)控制所述双电机驱动模块(21)驱动所述伺服机构二(22)维持恒定的铣削量；所述油缸控制模块(16)根据设定的进给量、钢轨(13)的不平顺度，以及伺服机构二(22)的铣削量反馈值进行PID调节；所述双电机驱动模块(21)通过所述伺服机构二(22)分别控制Z轴电机和Y轴电机；所述伺服机构二(22)输出的垂向铣削量通过所述前高度定位传感器(4)和后高度定位传感器(2)进行反馈，所述伺服机构二(22)输出的侧向铣削量通过所述侧向定位传感器(5)进行反馈。

7.根据权利要求4或6所述的钢轨铣削作业控制系统，其特征在于：所述弦线传感器(11)测量所述Z向升降油缸(12)的伸长位移，确定所述铣盘(1)的下降距离，并将测量结果反馈至铣削作业主控制器，再由所述铣削作业主控制器控制电液伺服阀，实现所述铣盘(1)的垂向运动；当所述铣盘(1)下降到所述钢轨(13)轨面上方设定的高度时，在所述伺服机构一(17)的带动下，钢轨铣削作业控制系统控制所述激光检测传感器(3)对所述钢轨(13)进行扫描；当所述激光检测传感器(3)检测到所述钢轨(13)的内侧时输出一个开关信号，当所述激光检测传感器(3)检测到所述钢轨(13)的外侧时输出一个开关信号，通过对所述伺服机构二(22)的运动进行编码确定所述钢轨(13)的轨廓和轨距。

8.根据权利要求7所述的钢轨铣削作业控制系统，其特征在于：当所述钢轨铣削作业控制系统完成所述钢轨(13)轨廓和轨距的测量后，所述铣盘(1)与所述Z向升降油缸(12)同步下降，所述角度传感器(7)打开并压在所述钢轨(13)上，所述角度传感器(7)在所述铣盘(1)的带动下同步下降；当所述弦线传感器(11)检测到定位靴(8)离所述钢轨(13)的轨面达到设定距离时，所述Z向升降油缸(12)停止下降；所述伺服机构二(22)驱动所述铣盘(1)在Y向向所述钢轨(13)的内侧移动，在此过程中所述角度传感器(7)一直压在所述钢轨(13)的轨面上并滑过所述钢轨(13)的整个R型钢轨表面；当所述角度传感器(7)滑至所述钢轨(13)的内侧刚好产生突变时，所述铣盘(1)则停止Y向移动，所述角度传感器(7)收回。

9.根据权利要求8所述的钢轨铣削作业控制系统，其特征在于：所述铣盘(1)在所述伺服机构二(22)的带动下沿垂向下降至所述铣盘(1)的下边缘到轨面的高度达到设定距离时，所述铣盘(1)在垂向停止运动，实现垂向定位；在垂向定位完成后，所述铣盘(1)沿Y向向外移动，至所述侧向定位传感器(5)的中位，则Y向定位完成，并完成对所述铣盘(1)的最终定位。