CN112388812B - 一种半地下坑式预制轨枕全自动码模系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半地下坑式预制轨枕全自动码模系统，包括控制系统与码模装置，其特征在于：所述控制系统包括人机交互单元、逻辑控制单元、执行控制单元、位置检测单元和网络通信单元；所述码模装置包括码模车架、A区码模机、B区码模机、摆渡小车和过渡平台，所述码模装置通过所述网络通信单元与所述控制系统通信，所述码模装置根据所述控制系统下发的指令做出相应动作，该半地下坑式预制轨枕全自动码模系统可自行判断存取模台现有状态、智能计算目标位置，并根据目标位置进行路径最优化分析，通过两台码模机之间的无障碍协同作业，可实现半地下坑式预制轨枕码模机的全自动智能化运行，提升了生产效率。

Description

一种半地下坑式预制轨枕全自动码模系统

技术领域

本发明涉及预制轨枕生产与养护技术领域，特别是半地下坑式预制轨枕全自动码模系统及控制方法。

背景技术

我国高速铁路技术发展迅猛，对轨枕的需求量日趋增大，现阶段国内轨枕的生产过程中，通过半地下坑式蒸养配合温控系统可以快速准确的完成养护过程，因为结构的特殊性，往蒸养窑中存取模台成为轨枕生产线上的关键工序，目前国内主要靠人工控制天车操作，对操作工素质要求较高，存在很大的安全隐患，并且存取速度缓慢，无法满足生产需求，生产效率低下，所以半地下坑式蒸养窑急需采用全自动码模方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种半地下坑式预制轨枕全自动码模系统与控制方法，智能动态设计码模装置运动路线，通过变频器技术、编码器与光电开关组合的位置传感系统完成X、Y、Z三个方向的精准快速定位，实现半地下坑式预制轨枕码模的全自动智能化运行。

为实现上述目的，本发明采取的技术手段是：一种半地下坑式预制轨枕全自动码模系统，包括控制系统与码模装置，其特征在于：所述控制系统包括人机交互单元、逻辑控制单元、执行控制单元、位置检测单元和网络通信单元；所述码模装置包括码模车架、A区码模机、B区码模机、摆渡小车和过渡平台和蒸养窑。

在某些实施例中：所述人机交互单元包括工控机、上位机和触摸屏；所述逻辑控制单元包括PLC主站、A区子站和B区子站；所述执行控制单元包括变频器、液压控制器、伺服驱动器；所述位置检测单元包括编码器、光电开关和伺服传感器；所述网络通信单元为通过SCALANCE模块组成的无线Profinet网络。

在某些实施例中：所述的码模装置包括码模车架、A区码模机、B区码模机、摆渡小车、过渡平台和蒸养窑，A区码模机和B区码模机架在码模车架上方，分别用于A区和B区的码模作业，A区码模机和B区码模机具有相同的码模机结构，摆渡小车由所述伺服驱动器控制，在过渡平台上进行往复运动，用于A区和B区模台的交互。

在某些实施例中：所述蒸养窑包括窑位、来料工位和送料工位。

在某些实施例中：所述的码模机结构包括X向走行装置、Y向走行装置、Z向提升装置和模台抓取装置，X向走行装置安装在X向轨道上，进行X向往复运动，Y向走行装置安装在Y向轨道上，进行Y向往复运动，Z向提升装置安装在X向走行装置下方，进行Z向提升与下降，模台抓取装置安装在 Z向提升装置下端，由所述液压控制器控制，用于抓取模台。

在某些实施例中：所述的X向走行装置，包括X向变频器驱动走行电机、X向旋转编码器和X向定位光电开关，X向旋转编码器安装在X向变频器驱动走行电机的中心轴上，用于记录X向走行装置的实时位置，X向定位光电开关安装在X向变频器驱动走行电机侧边，配合X向旋转编码器标记出每一个半地下坑式蒸养窑精准的X坐标。

在某些实施例中：所述的Y向走行装置，包括Y向变频驱动走行电机、Y向旋转编码器和Y向定位光电开关，Y向旋转编码器安装在Y向变频驱动走行电机的中心轴上，用于记录Y向走行装置的实时位置，Y向定位光电开关安装在X向变频器驱动走行电机的侧边，配合Y向旋转编码器标记出每一个半地下坑式蒸养窑精准的Y坐标。

在某些实施例中：所述的Z向提升装置包括Z向变频驱动提升电机、Z向拉绳编码器，所述Z向提升装置与模台抓取装置通过钢丝绳连接，Z向拉绳编码器安装在X向走行装置的下方，拉绳另一端固定在模台抓取装置上，标记出半地下坑式蒸养窑中每一层模台的精准的Z坐标。

在某些实施例中：一种半地下坑式预制轨枕全自动码模控制方法，包括以下步骤：

第一步，准备工作：在所述工控机或所述触摸屏上点击自动开始按钮。

第二步，存取模台判断：PLC控制逻辑采用从生产线取模台优先原则，如果来料工位就绪且有窑在存料就绪状态，则执行存模台操作；若不满足存模台条件，则判断送料工位是否就绪且有窑在取料就绪状态，是则执行取模台操作；如果存取模台条件都不满足则码模机在原位待机，PLC循环判断存取条件。

第三步，计算目标位置：PLC经过逻辑判断，确定可以执行存或取模台时，按照设定好的顺序依次扫描各个半地下坑式蒸养窑的每一层，直到找到满足存模台或者取模台的窑位，确定其X、Y、Z坐标。

第四步，执行动作：码模机的动作可以分解为移动、抓取和放下，移动是将模台抓取装置移动至目标坐标点，首先Z向变频驱动提升电机执行提升动作，将模台抓取装置提升至最高点，确保模台抓取装置最下沿高于半地下坑式蒸养窑的最上沿，然后X向变频驱动走行电机和Y向变频驱动走行电机同时动作，PLC通过旋转编码器读取X向和Y向的实时位置信息，当X向走行装置接近目标坐标时，开始减速，以低速运行，当X向旋转编码器读取的位置信息与目标X坐标点一致，且感应到相应的X向定位光电时，X向走行装置停止运行；当Y向走行装置接近目标坐标时，开始减速，以低速运行，当Y向旋转编码器读取的位置信息与目标Y坐标点一致，且感应到相应的Y向定位光电时，X向走行装置停止运行；当X向和Y向都打到目标坐标点后，Z向变频驱动提升电机执行降下动作，PLC通过Z向拉绳编码器读取模台抓取装置的实时位置信息，当接近目标Z坐标时，Z向变频驱动提升电机开始减速，以低速运行，当Z向拉绳编码器读取的位置信息与目标Z坐标点一致时，Z向变频驱动提升电机停止运行，移动动作完成；码模机移动到目标位置后，通过液压控制器控制模台抓取装置抓取或者放下模台。

经过第二步和第三步程序的逻辑计算，码模装置会执行四种动作流程。1.往目标为A区的半地下坑式蒸养窑内存模台：A区码模机移动至来料工位，由模台抓取装置抓取模台，再移动至目标窑位，将模台放下；2.往目标为B区的半地下坑式蒸养窑内存模台：A区码模机移动至来料工位，由模台抓取装置抓取模台，再移动至A区过渡平台，将模台放下，摆渡小车将模台运输至B区过渡平台，B区码模机从B区过渡平台抓取模台后，移动至目标窑位，将模台放下；当存模台的目标窑满垛时，开始蒸养程序，蒸养完成后该窑转换为取料就绪状态；3.从目标为A区的半地下坑式蒸养窑内取模台：A区码模机移动至目标窑位，由模台抓取装置抓取模台，再移动至送料工位，将模台放下；4.从目标为B区的半地下坑式蒸养窑内取模台：B区码模机移动至目标窑位，由模台抓取装置抓取模台，再移动至B区过渡平台，将模台放下，摆渡小车将模台运输至A区过渡平台，A区码模机从A区过渡平台抓取模台后，再移动至送料工位，将模台放下；当取模台的目标窑空垛时，该窑转换为存料就绪状态；

第五步，循环执行：当码模装置完成第四步后，自动返回第二步，继续执行全自动码模。

本发明的有益效果是：PLC控制器根据各个半地下坑式蒸养窑的实时状态计算码模装置的运动路线，两台码模机协同运行使模台的存取过程更加高效，码模机X、Y、Z三个方向的运动机构和编码器的实时数据反馈保证了三个自由度控制的精准性，实现了半地下坑式预制轨枕码模机的全自动智能化运行。

附图说明

图1是本发明控制系统结构示意图；

图2是本发明中码模装置的结构示意图；

图3是图2的局部放大图；

图4是本发明的控制方法的流程示意图。

1-码模车架、2-A区码模机、3-B区码模机、4-摆渡小车、5-过渡平台、6-蒸养窑、601-窑位、602-来料工位、603-送料工位、9-钢丝绳、10-码模机结构、101-X向走行装置、102-Y向走行装置、103-Z向提升装置、104-模台抓取装置、10101-X向变频器驱动走行电机、10102-X向旋转编码器、10103-X向定位光电开关、10201-Y向变频器驱动走行电机、10202-Y向旋转编码器、10203-Y向定位光电开关；10301-Z向变频驱动提升电机、10302-Z向拉绳编码器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：

具体实施例中，如图1所示，半地下坑式预制轨枕全自动码模系统，包括控制系统和码模装置，关键在于：所述控制系统包括操作人机交互单元、逻辑控制单元、执行控制单元、位置检测单元和网络通信单元。所述人机交互单元包括工控机、上位机和触摸屏，上位机采用WINCC7.4组态软件，触摸屏采用MCGS10寸屏；所述逻辑控制单元包括PLC主站、A区子站和B区子站，PLC主站的CPU采用西门子1500系列的1513-1PN，A区子站和B区子站采用ET200M的IM153-4模块；所述执行控制单元包括变频器、液压控制器、伺服驱动器，变频器控制X轴走行、Y轴走行和Z轴提升，液压控制器控制抓取装置，S120伺服驱动器控制摆渡小车；所述位置检测单元包括编码器、光电开关和伺服传感器；所述网络通信单元为通过SCALANCE模块组成的无线Profinet网络。所述码模装置通过所述网络通信单元与所述控制系统通信连接。

如图2所示，具体实施例中，码模装置包括码模车架1、A区码模机2、B区码模机3、摆渡小车4、过渡平台5和蒸养窑6，A区码模机2和B区码模机3架在码模车架1上方，分别用于A区和B区的码模作业，A区码模机和B区码模机具有相同的码模机结构10，摆渡小车4由所述伺服驱动器控制，在过渡平台5上进行往复运动，用于A区和B区模台的交互。

具体实施例中，所述蒸养窑6包括窑位601、来料工位602和送料工位603。

具体实施例中，所述的码模机结构10包括X向走行装置101、Y向走行装置102、Z向提升装置103和模台抓取装置104，X向走行装置101安装在X向轨道上，进行X向往复运动，Y向走行装置102安装在Y向轨道上，进行Y向往复运动，Z向提升装置103安装在X向走行装置下方，进行Z向提升与下降，模台抓取装置104安装在 Z向提升装置下端，由所述液压控制器控制，用于抓取模台。

如图3所示，具体实施例中，所述的X向走行装置101，包括X向变频器驱动走行电机10101、X向旋转编码器10102和X向定位光电开关10103，X向旋转编码器10102安装在X向变频器驱动走行电机10101的中心轴上，用于记录X向走行装置101的实时位置，X向定位光电开关10103安装在X向变频器驱动走行电机10101侧边，配合X向旋转编码器10102标记出每一个半地下坑式蒸养窑6精准的X坐标。

具体实施例中，所述的X向走行装置，包括X向变频器驱动走行电机、X向旋转编码器和X向定位光电开关，电机采用西门子2.2KW 1LE0001系列，由西门子M440变频器驱动，旋转编码器和光电开关采用倍加福系列。

如图3所示，具体实施例中，所述的Y向走行装置102，包括Y向变频驱动走行电机10201、Y向旋转编码器10202和Y向定位光电开关10203，Y向旋转编码器10202安装在Y向变频驱动走行电机10201的中心轴上，用于记录Y向走行装置102的实时位置，Y向定位光电开关10203安装在Y向变频驱动走行电机10201侧边，配合Y向旋转编码器10202标记出每一个半地下坑式蒸养窑6精准的Y坐标。

具体实施例中，所述的Y向走行装置，包括Y向变频驱动走行电机、Y向旋转编码器和Y向定位光电开关，走行电机采用西门子4KW 1LE0001系列，由西门子M440变频器驱动，旋转编码器和光电开关采用倍加福系列。

如图3所示，在某些实施例中：所述的Z向提升装置103包括Z向变频驱动提升电机10301、Z向拉绳编码器10302，所述Z向提升装置103与模台抓取装置104通过钢丝绳9连接，Z向拉绳编码器10302安装在X向走行装置101的下方，拉绳另一端固定在模台抓取装置104上，标记出半地下坑式蒸养窑6中每一层模台的精准的Z坐标。

具体实施例中，所述的Z向提升装置包括Z向变频驱动提升电机、Z向拉绳编码器，提升电机采用西门子45KW 1LE0001系列，由西门子M440变频器驱动，拉绳编码器采用倍加福系列。

如图4所示，具体实施例中，一种半地下坑式预制轨枕全自动码模控制方法，包括以下步骤：

第一步，准备工作：启用工控机和上位机，在所述工控机或所述触摸屏上点击自动开始按钮。

第二步，存取模台判断：PLC控制逻辑采用从生产线取模台优先原则，如果来料工位602就绪且有窑在存料就绪状态，则执行存模台操作；若不满足存模台条件，则判断送料工位603是否就绪且有窑在取料就绪状态，是则执行取模台操作；如果存取模台条件都不满足则码模机在原位待机，PLC循环判断存取条件。

第三步，计算目标位置：PLC经过逻辑判断，确定可以执行存或取模台时，按照设定好的顺序依次扫描各个半地下坑式蒸养窑6的每一层，直到找到满足存模台或者取模台的窑位，确定其X、Y、Z坐标。

第四步，执行动作：码模机的动作可以分解为移动、抓取和放下，移动是将模台抓取装置104移动至目标坐标点，首先Z向变频驱动提升电机10301以20Hz的运行频率执行提升动作，将模台抓取装置104提升至最高点后停止，确保模台抓取装置104最下沿高于半地下坑式蒸养窑的最上沿，然后X向变频驱动走行电机10101和Y向变频驱动走行电机10201以30Hz的频率同时运行，PLC通过旋转编码器读取X向和Y向的实时位置信息，当X向走行装置101与目标坐标相距15cm时，减速至10Hz，以低速运行，当X向走行装置101与目标坐标相距5cm时，减速至5Hz，以慢速运行，当X向旋转编码器10102读取的位置信息与目标X坐标点一致，且感应到相应的X向定位光电时，X向走行装置101停止运行；当Y向走行装置102与目标坐标相距15cm时，减速至10Hz，以低速运行，当Y向走行装置102与目标坐标相距5cm时，减速至3Hz，以慢速运行，当Y向旋转编码器10202读取的位置信息与目标Y坐标点一致，且感应到相应的Y向定位光电时，X向走行装置101停止运行；当X向和Y向都打到目标坐标点后，Z向变频驱动提升电机10301以30Hz的运行频率执行降下动作，PLC通过Z向拉绳编码器10302读取模台抓取装置104的实时位置信息，当抓取装置104与目标坐标相距8cm时，Z向变频驱动提升电机10301减速至5Hz，以低速运行，当Z向拉绳编码器10302读取的位置信息与目标Z坐标点一致时，Z向变频驱动提升电机10301停止运行，移动动作完成；码模机移动到目标位置后，通过液压控制器控制模台抓取装置104抓取或者放下模台。

经过第二步和第三步程序的逻辑计算，码模装置会执行四种动作流程：1.往目标为A区的半地下坑式蒸养窑的窑位601内存模台：A区码模机2移动至来料工位602，由模台抓取装置104抓取模台，再移动至目标窑位，将模台放下；2.往目标为B区的半地下坑式蒸养窑的窑位601内存模台：A区码模机2移动至来料工位602，由模台抓取装置104抓取模台，再移动至A区过渡平台5，将模台放下，摆渡小车4将模台运输至B区过渡平台5，B区码模机3从B区过渡平台5抓取模台后，移动至目标窑位，将模台放下；当存模台的目标窑满垛时，开始蒸养程序，蒸养完成后该窑转换为取料就绪状态；3.从目标为A区的半地下坑式蒸养窑的窑位601内取模台：A区码模机2移动至目标窑位，由模台抓取装置104抓取模台，再移动至送料工位603，将模台放下；4.从目标为B区的半地下坑式蒸养窑的窑位601内取模台：B区码模机3移动至目标窑位，由模台抓取装置104抓取模台，再移动至B区过渡平台5，将模台放下，摆渡小车4将模台运输至A区过渡平台5，A区码模机2从A区过渡平台5抓取模台后，再移动至送料工位603，将模台放下；当取模台的目标窑空垛时，该窑转换为存料就绪状态。

第五步，循环执行：当码模装置完成第四步后，自动返回第二步，继续执行全自动码模。

Claims (5)

1.一种半地下坑式预制轨枕全自动码模系统的控制方法，所述码模系统包括控制系统和码模装置，所述控制系统包括人机交互单元、逻辑控制单元、执行控制单元、位置检测单元和网络通信单元；所述人机交互单元包括工控机、上位机和触摸屏；所述逻辑控制单元包括PLC主站、A区子站和B区子站；所述执行控制单元包括变频器、液压控制器、伺服驱动器；所述位置检测单元包括编码器、光电开关和伺服传感器；所述网络通信单元为通过SCALANCE模块组成的无线Profinet网络；所述的码模装置包括码模车架、A区码模机、B区码模机、摆渡小车、过渡平台和蒸养窑，A区码模机和B区码模机架在码模车架上方，分别用于A区和B区的码模作业，A区码模机和B区码模机具有相同的码模机结构，摆渡小车由所述伺服驱动器控制，在过渡平台上进行往复运动，用于A区和B区模台的交互；所述的码模机结构包括X向走行装置、Y向走行装置、Z向提升装置和模台抓取装置，X向走行装置安装在X向轨道上，进行X向往复运动，Y向走行装置安装在Y向轨道上，进行Y向往复运动，Z向提升装置安装在X向走行装置下方，进行Z向提升与下降，模台抓取装置安装在Z向提升装置下端，由所述液压控制器控制，用于抓取模台，所述蒸养窑包括窑位、来料工位和送料工位，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：

第一步，准备工作：在所述工控机或所述触摸屏上点击自动开始按钮；

第二步，存取模台判断：PLC控制逻辑采用从生产线取模台优先原则，如果来料工位就绪且有窑在存料就绪状态，则执行存模台操作；若不满足存模台条件，则判断送料工位是否就绪且有窑在取料就绪状态，是则执行取模台操作；如果存取模台条件都不满足则码模机在原位待机，PLC循环判断存取条件；

第三步，计算目标位置：PLC经过逻辑判断，确定可以执行存或取模台时，按照设定好的顺序依次扫描各个半地下坑式蒸养窑的每一层，直到找到满足存模台或者取模台的窑位，确定其X、Y、Z坐标；

第四步，执行动作：码模机的动作可以分解为移动、抓取和放下，移动是将模台抓取装置移动至目标坐标点，首先Z向变频驱动提升电机执行提升动作，将模台抓取装置提升至最高点，确保模台抓取装置最下沿高于半地下坑式蒸养窑的最上沿，然后X向变频驱动走行电机和Y向变频驱动走行电机同时动作，PLC通过旋转编码器读取X向和Y向的实时位置信息，当X向走行装置接近目标坐标时，开始减速，以低速运行，当X向旋转编码器读取的位置信息与目标X坐标点一致，且感应到相应的X向定位光电时，X向走行装置停止运行；当Y向走行装置接近目标坐标时，开始减速，以低速运行，当Y向旋转编码器读取的位置信息与目标Y坐标点一致，且感应到相应的Y向定位光电时，X向走行装置停止运行；当X向和Y向都打到目标坐标点后，Z向变频驱动提升电机执行降下动作，PLC通过Z向拉绳编码器读取模台抓取装置的实时位置信息，当接近目标Z坐标时，Z向变频驱动提升电机开始减速，以低速运行，当Z向拉绳编码器读取的位置信息与目标Z坐标点一致时，Z向变频驱动提升电机停止运行，移动动作完成；码模机移动到目标位置后，通过液压控制器控制模台抓取装置抓取或者放下模台；

第五步，循环执行：当码模装置完成第四步后，自动返回第二步，继续执行全自动码模。

2.根据权利要求1所述的半地下坑式预制轨枕全自动码模系统的控制方法，其特征在于：所述的X向走行装置，包括X向变频器驱动走行电机、X向旋转编码器和X向定位光电开关，X向旋转编码器安装在X向变频器驱动走行电机的中心轴上，用于记录X向走行装置的实时位置，X向定位光电开关安装在X向变频器驱动走行电机侧边，配合X向旋转编码器标记出每一个半地下坑式蒸养窑精准的X坐标。

3.根据权利要求2所述的半地下坑式预制轨枕全自动码模系统的控制方法，其特征在于：所述的Y向走行装置，包括Y向变频驱动走行电机、Y向旋转编码器和Y向定位光电开关，Y向旋转编码器安装在Y向变频驱动走行电机的中心轴上，用于记录Y向走行装置的实时位置，Y向定位光电开关安装在Y向变频器驱动走行电机侧边，配合Y向旋转编码器标记出每一个半地下坑式蒸养窑精准的Y坐标。

4.根据权利要求3所述的半地下坑式预制轨枕全自动码模系统的控制方法，其特征在于：所述的Z向提升装置包括Z向变频驱动提升电机、Z向拉绳编码器，所述Z向提升装置与模台抓取装置通过钢丝绳连接，Z向拉绳编码器安装在X向走行装置的下方，拉绳另一端固定在模台抓取装置上，标记出半地下坑式蒸养窑中每一层模台的精准的Z坐标。

5.根据权利要求4所述的半地下坑式预制轨枕全自动码模系统的控制方法，其特征在于：所述执行动作可分为四种：1.往目标为A区的半地下坑式蒸养窑的窑位存模台：A区码模机移动至来料工位，由模台抓取装置抓取模台，再移动至目标窑位，将模台放下；2.往目标为B区的半地下坑式蒸养窑的窑位内存模台：A区码模机移动至来料工位，由模台抓取装置抓取模台，再移动至A区过渡平台，将模台放下，摆渡小车将模台运输至B区过渡平台，B区码模机从B区过渡平台抓取模台后，移动至目标窑位，将模台放下；当存模台的目标窑满垛时，开始蒸养程序，蒸养完成后该窑转换为取料就绪状态；3.从目标为A区的半地下坑式蒸养窑内取模台：A区码模机移动至目标窑位，由模台抓取装置抓取模台，再移动至送料工位，将模台放下；4.从目标为B区的半地下坑式蒸养窑内取模台：B区码模机移动至目标窑位，由模台抓取装置抓取模台，再移动至B区过渡平台，将模台放下，摆渡小车将模台运输至A区过渡平台，A区码模机从A区过渡平台抓取模台后，再移动至送料工位，将模台放下；当取模台的目标窑空垛时，该窑转换为存料就绪状态。

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