（机械制造及其自动化专业论文）数控钢轨精磨机左右摆动系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 手葡要 随着社会的不断发展，交通运输方面也在不断发展，铁路是我国重点发展的基础设 施，未来的铁路将朝着高速化，重型化和现代化三个方面发展。钢轨与钢轨之间是通过 焊接技术将两根钢轨连接在一起的，它们之间的连接处就会形成焊瘤，正因为焊瘤的存 在，列车在行车时会使行驶的阻力增大，不利于列车高速行驶，大大降低了机车跟钢轨 的使用寿命，从而会增加铁路的各种费用，因此对于接口焊缝的打磨有了更高精度的要 求。单根铁路钢轨的长度只有2 5 米或者1 0 0 米，必须通过焊接技术将多根钢轨焊接成为 长度为5 0 0 米的钢轨，数控钢轨精磨机通过精磨使接头处的平直度达到使用要求，因此 钢轨精磨机摆动系统结构的设计及左右摆动系统的控制设计对于我国铁路的发展有重大 意义。 本论文着重对数控钢轨精磨机进行总体布局、钢轨焊缝磨削层分析、左右摆动系统 的结构方面以及左右摆动系统控制方面的设计。数控钢轨精磨机的总体方案的设计，主 要考虑了精磨机机架、走行车及整机主体保护、横梁、垂向进给系统和左右摆动系统、 电气控制系统和液压传动系统、还有除尘装置等几个方面。钢轨的磨削层分析主要针对 钢轨焊缝进行分析，包括磨削对象分析、磨削方式分析、磨削过程分析等三个部分；数 控钢轨精磨机的左右摆动系统进行结构的设计主要包括左右摆动系统传动方案的设计及 其各个传动的形式和尺寸的确定；在控制系统上，摆动机构采用了大扭矩三相混合式步 进电机，通过p l c 控制系统发出不同个数以及不同频率的脉冲完成对步进电机转角及速 度的控制，最终实现了摆动机构不同角度和不同速度的进给。 通过对上面几个方面的研究，本文设计的左右摆动系统结构设计及其控制基本符合 预定的要求，改变了比较落后、低效的钢轨精磨技术，使钢轨精磨机能够运安全平稳高 效的运行。 关键词：钢轨精磨；磨削层；左右摆动：p l c 控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i 也t h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h et r a n s p o r t a t i o ni sa l s oi nc o n s t a n t d e v e l o p m e n t r a i l r o a di so u rc o u n t r yf o c u so nt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f i a s t r u c t u r e t h e r a i l w a yo ft h ef u t u r ew i l lb et o w a r d sh i g hs p e e d ，h e a v yi n d u s t r i a l i z a t i o na n dm o d e r n i z a t i o n d e v e l o p m e n ti nt h r e ea r e a s r a i la n dr a i la r ec o n n e c t e dt h r o u g hw e l d i n gt e c h n o l o g yt om a k e t h e mc o n n e c t e dt o g e t h e r , a n do v e r l a pw i l la p p e a ri nt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h et w or a i l t h e s e o v e r l a pc a nt o r e d u c et h er u n n i n gr e s i s t a n c e ，i n c r e a s et h er u n n i n gs p e e do ft h et r a i n s ， 1 0 c o m o t i v e sv e h i c l el i f e 。r e d u c el i n em a i n t e n a n c ea n dr e p a i rc o s t sf o rp a s s e n g e r st op r o v i d ea s m o o t ha n dc o m f o r t a b l et r a v e lc o n d i t i o n sh a v ean e g a t i v ei n f l u e n c e s i n g l er a i ll e n g t hi so n l y 2 5m e t e r so r10 0m e t e r s ，a n di tm u s tb ew e l dt h r o u g hf lp l u r a l i t yo fr a i lw e l d i n gt e c h n o l o g yt o b e5 0 0m e t e r sl o n gs t e e lr a i l ，r e f i n e rm a k ej o i n t sf l a t n e s sr e q u i r e m e n t t h e r e f o r e ，r a i lg r i n d i n g m a c h i n es w i n gs y s t e ms t r u c t u r e d e s i g na n ds w i n gc o n t r o ls y s t e md e s i g n f o rr a i l w a y d e v e l o p m e n ti nc h i n ai so fg r e a ts i g n i f i c a n c e m sp a p e rf o c a s e so nt h en u m e r i c a lc o n t r o lr a i lm i l lo v e r a l ll a y o u t ，t 1 1 es t r u c t u r eo fs w i n g s y s t e ma n dd e s i g no fh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m i nt h ed e s i g np r o c e s so fn u m e r i c a l c o n t r 0 1r a i lr e f i n i n gm i l lo v e r a l lp l a n t h em a i nc o n s i d e r a t i o n sa r et h e s es e v e r a la s p e c t sw h i c h a r e t h em a c h i n ef r a m e ，g od r i v i n ga n dm a c h i n eb o d yp r o t e c t i o n , c r o s sb e a m ，v e r t i c a lf e e d s y s t e ma n dp e n d u l u ms y s t e m ，e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n dh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n d t h ed u s tr e m o v i n gd e v i c e s t h ed e s i g no ft h en u m e r i c a lc o n t r 0 1r a i lg r i n d i n gm a c h i n es e r v o s y s t e mf o rs w i n gs t r u c t u r em a i n l yi n c l u d e st h es w i n gs y s t e mo fl x a n s m i s s i o ns c h e m ed e s i g n a n de a c hd r i v ef o r ma n ds i z ed e t e r m i n a t i o n l a y e ra n a l y s i so fr a i lg r i n d i n gi n c l u d i n gg r i n d i n g o b j e c ta n a l y s i s ，t h eg r i n d i n gm e t h o da n a l y s i sa n dg r i n d i n gp r o c e s sa n a l y s i so ft h r e ep a r t s ；i n t h ec o n t r o ls y s t e m ，t h es w i n gm e c h a n i s ma d o p t st h el a r g et o r q u et h r e e - p h a s eh y b r i ds t e p p i n g m o t o r t h r o u g ht h ep l cc o n t r o ls y s t e ms e n d sad i f f e r e n tn u m b e ra n dd i f f e r e n tf r e q u e n c yp u l s e c o m p l e t et h er o t a t i o na n g l e o ft h e s t e p p i n g m o t o ra n ds p e e dc o n t r 0 1 f i n a l l yt h es w i n g m a c h a n i s mc a l lo p e r a t ew i t hd i f f e r e n ta n g l e sa n dd i f f e r e n ts p e e d b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，t h i sp a p e rd e s i g no ft h es w i n gs y s t e ms t r u c t u r ed e s i g na n di t s c o n t r 0 1s y s t e ma r ei na c c o r d a l i c ew i t hp r e d e t e r m i n e dr e q u i r e m e n t s w h i c hw i l lc h a n g et h e b a c k w a r d i n e 伍c i e n tr a i lg r i n d i n gt e c h n o l o g y , w h a t sm o r ew h a tih a v ed o n em a k e st h er a i l g r i n d i n gm a c h i n ec a nb et r a n s p o r t e ds a f e l ya n ds t a b l yr u n n i n g k e yw o r d s ：r a i lf m eg r i n d i n g ；t h eg r i n d i n gl a y e r ；s w i n gs y s t e m ；p l cc o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着社会的不断的发展，交通运输方面也在不断的发展，铁路是我国重点发展的关 键基础设施。未来铁路发展方向是客货分离，一方面未来提高货运效率货运走向高速重 载；另一方面，人们对于出行的速度和舒适度也提出了更高的要求，大力发展高速铁路 和铁路动车组。未来铁路运输具有运输距离长、安全程度高、耗能较小运输成本低、运 输速度快、运输能力大、对环境的污染程度小等优点，具有很大的开发潜能、有很大的 提升空间，并且受天气条件影响比较小的优势，是公路、水运、航空、管道运输所无法 比拟的【1 1 。 铁路第六次大提速，是铁路上不断的技术突破。钢轨作为轨道交通建设的重要部件 之一，具有直接承受车轮传递的列车及其荷载的重量并引导列车运行方向的作用，是火 车提速的关键【2 j 。而单根钢轨的长度仅为2 5 米或1 0 0 米，必须通过焊接技术来连接成为 5 0 0 米长的钢轨。钢轨焊接接头必须进行加工使接头处平直才能满足实际的使用要求。 在铁路运输系统中，钢轨的使用寿命主要由磨耗和滚动接触疲劳决定要延长钢轨 的使用寿命，需要考虑钢轨制造和养护维修两个方面具体地说，要有高品质的铁路就 必须要有高质量的钢轨做支撑，并且要对钢轨进行有效的润滑和科学的打磨。只有检验 合格的钢轨才能够运至铁路建设现场进行铺设，承担起承载列车的重任。轨的加工处理 是一项十分严谨和重要的工作，需要经历将近十几项工序才能完成最后的加工，期间会 涉及到多项加工技术以及除锈机、焊机、调直机和精磨机等钢轨加工设备。 铁路的养护维修包括除锈、调直、焊接、粗磨、精磨等手段，钢轨精磨只不过是其 中之一，但是我国的钢轨精磨设备主要靠从国外进口，从2 0 世纪8 0 年代我国开始引进 了钢轨打磨设备，目前，我国的钢轨养护设备技术和钢轨的精磨工艺水平大大落后于欧 美地区的一些发达国家，通过对钢轨进行打磨处理，可以降低钢轨磨损程度、减少钢轨 出现裂纹的几率、使接触疲劳在可以承受的范围以内，并且能够有很大的发展前景【3 j 。 主要表现在以下方面： ( 1 ) 打磨能够消除轨道不平顺并且能够减少了轮轨间的振动，可以提高轨道的安全性 和稳定性，降低了线路与机车车辆的维修周期和费用；( 2 ) 钢轨打磨跟涂油结合起来，可 以使钢轨的寿命延长5 0 - 一3 0 0 ，大大减少了铁路钢轨的费用；( 3 ) 通过改善轮轨粘着， 可以减小滚动阻力，提高列车行驶的安全稳定性；( 4 ) 并且能够使列车行驶时的噪声和振 动大大降低，使旅客出行的速度和舒适度得到提高1 4 j 铁路运行速度与运输量的不断增加，这就对铁路系统的要求越来越高自从高速铁 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 路线路投入运行以后，钢轨出现了各种表面伤损，如轨道出行波浪形磨损、轨面擦伤、 轨面剥离、轨侧严重磨损、裂纹和轨头压溃等，并发展速度较快，严重影响了铁路运输 能力和经济效益。因此要延长钢轨的使用寿命，就必须定期对轨道维修，防止破坏以及 进一步恶化，从而保证了行车的安全性和舒适性【5 1 钢轨与钢轨之间是通过焊接技术将两根钢轨连接在一起的，他们之间的连接处就会 形成焊瘤，正因为焊瘤的存在，列车在行车时会使行驶的阻力增大，不利于列车高速行 驶，大大降低了机车跟钢轨的使用寿命，从而会增加铁路的各种费用1 6 ，因此对于接口 焊缝的打磨有了更高精度的要求。 因此，需要有一种对钢轨接口焊缝处的焊瘤进行磨削的设备和工艺方法。本设计是 根据国内焊轨厂在进行钢轨精磨时的实际情况，设计了处理接口焊缝处的数控钢轨精磨 机。该精磨机可以用于焊接厂钢轨生产厂或铺轨基地的生产线上，能够修除焊接时产生 的焊瘤，对于我国铁路的发展有重大意义。 1 2 课题研究的内容和目标 1 2 1 本课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 针对整个钢轨精磨机的整体结构功能进行分析和讨论。设计制定系统的整体方 案： ( 2 ) 为了进行左右摆动系统系统的设计，针对钢轨焊缝磨削层进行了详细分析； ( 3 ) 数控钢轨精磨机的左右摆动系统进行结构的设计主要包括左右摆动系统 传动方案的设计及其各个传动的形式和尺寸的确定； ( 4 ) 针对所设计的左右摆动系统进行控制设计。 1 2 2 本课题研究的主要目标 通过本课题的研究，应该达到以下几个目标： ( 1 ) 精磨机驱动控制必须安全、可靠，实现按一定加工顺序的自动控制； ( 2 ) 精磨机应保证精磨后的钢轨具有一定的光洁度，钢轨表面不能出现打磨灼伤； ( 3 ) 数控钢轨精磨机左右摆动系统结构合理，能够实现钢轨精磨机左右摆动要求； ( 4 ) 数控钢轨精磨机左右摆动系统控制合理，能够完成该部分的任务； ( 5 ) 对钢轨实现效率高、自动化程度高、可靠性高的精磨处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 数控精磨机的发展 在国内，为了使现有的铁道线路有比较大的改善，铁道部已经明确指出要我国要加 快铁路的发展速度，增加养路机械的覆盖面积的战略目标【7 】。在铁路养路机械发展的过 程中，以国产养路机械和引进国外的相关技术相结合为原则，逐步建立起属于我们自己 的机械生产体系，逐步实现钢轨打磨设备的国产化瞵j 。目前已经出现部分精磨机的研发， 例如双电机钢轨平面精磨机和便携式钢轨精磨机等，但因其功能单一，自动化程度低， 连续工作能力差等原因，推广使用比较困难，而且普及面较窄，不能满足我国铁路高速 发展的要求。所以，现在急需国内自主研发和改进的精磨机，不仅能够打破国外产品的 垄断，而且相对来说价格较低，能够达到标准的质量和生产速度，以满足我国铁路高速 发展的要求。 在国外应用中的几种主要打磨机械：美国r g 3 0 1 型钢轨打磨机械，美国r o t r a l r 钢轨打磨机系列，专门为b ct r a n s i t 和b a r t 特制的钢轨打磨机械，美国p g m 4 8 3 型钢轨打磨机械，该机械有二种结构样式，也就是双轮对支撑和单轮对支撑，在加 拿大所采用的由j a c k s o n 公司研制的钢轨打磨机，由j a c k s o n 公司制造的钢轨打磨机械 【9 】。 1 4p l c 知识简介 在本论文中数控钢轨精磨机左右摆动系统控制部分的设计主要是通过p l c 来控制 左右摆动系统的运动情况，因此这里对p l c 知识做下简单介绍。 1 4 1p l c 的分类 在今天p l c 已经发展成多种类型，每种类型的功能不尽相同。一般按照以下原则来 分类。 1 按i o 点数量分类 ( 1 ) 小型机( 含微型机) 该机型点数一般不大于1 2 8 点，主要处理开关量逻辑控制。如今的小型机具有一定 量的模拟量处理能力和比较强的通信能力。该类p l c 具有体积小巧、价格低廉，比较适 用于机电一体化产品的开发以及单机设备的开发。 ( 2 ) 中型机 该机型的i o 点数一般在1 2 8 2 0 4 8 点之间，和小型机相比具有比较强的开关量逻辑 控制功能、强大的模拟处理能力以及通信联网功能以及更丰富的逻辑指令。该类p l c 适 用于连续生产线的过程控制以及复杂的逻辑控制系统。 ( 3 ) 大型机 该机型的i o 点数一般在2 0 4 8 点以上。该机型性能基本上与工业控制计算机相当， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 程序以及数据存储容量最高分别可以达到1 0 m b ，它不仅具有调节、控制以及计算功能 而且还具有很强的网络结构和通信联网能力。部分大型p l c 同时还具有冗余能力。它的 监视系统还能够把过程的动态行程表示出来、各种曲线的记录以及p i d 调节各种参数等； 该机型还装配有多种智能板构成多功能的控制系统。这种系统还可以和上位机相连以及 其他型号的控制器互联，组成一个集中分散生产过程以及产品质量监控系统。该机型通 常适用于过程监控、过程自动化以及设备自动化系统1 4 7 1 。 2 按结构形式分类，p l c 分为整体式和模块式两类。 ( 1 ) 整体式结构 微型和小型p l c 一般做成整体式结构。整体式结构是将p l c 的c p u 板，输入输出 接口、电源板等紧凑地安装在一个标准机壳内做成一个整体而组成p l c 的一个基本单 元。基本单元上设有通过扩展单元和扩展电缆相连的扩展端口。小型p l c 系统还提供很 多模拟量输入输出模块、通信模块、热电阻模块、热电偶模块等专用的特殊功能模块用 来构成不同的配置来完成比较特殊的控制。 ( 2 ) 模块式结构 中、大型p l c 一般做成模块式结构。由于中、大型p l c 要处理比较多的i o 点数， 数百、上千个i o 点数很难集中在一个整体式结构的装置上，因此做成模块式结构比较 适合。模块式结构的p l c 有一些标准模块如输入模块、输出模块、c p u 模块、电源模 块以及各种功能模块等模块单元组成。使用时只需要将这些模块插在相应的基板或者框 架上就可，这些模块具有统一的外形尺寸以及独立的功能，这样可以根据控制对象的需 要比较灵活地进行配置。 模块式结构的p l c 相对于整体式结构每一个i o 点的品均价格要贵些，但是模块式 结构的p l c 整体性能要高些，在小型控制系统中通常采用整体式结构的p l c 。模块式 p l c 的硬件组态方便灵活、功能强，同时输入输出点数的比例、i o 点数的多少、i o 模 块的使用等方面相对整体式结构具有比较大的选择余地。模块式p l c 一般用在要求比较 高、比较复杂的控制系统中1 4 。 1 4 2p l c 的系统组成 p l c 的最小系统有中央处理单元、存储器( 洲、r o m ) 、输入输出单元( i o 接 口) 和电源( 开关式稳压电源) 四部分，其结构框图如图1 1 所示。 1 中央处理单元 中央处理单元是p l c 的核心部件，它依据p l c 中的系统程序所决定的功能控制p l c 的工作，存储器中预先存有用户程序和数据，当p l c 在运行状态时，c p u 按照循环扫 描方式执行用户程序。它一般由集成在一个芯片内的寄存器、运算器、控制器组成。中 央处理单元通过控制总线、地址总线和数据总线与输入输出接口、存储单元接口电路相 连。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 现 场 输 入 信 号 广一一一一一一一一一一一一一一一一一 现 场 输 入 信 号 图1 - 1 可编程序控制器系统的基本组成 中央处理单元是p l c 控制系统的运算控制中心，它在系统程序的控制下主要完成以 下几个任务： a ) 控制从编程器输入的数据和用户程序的接受与存储。 b ) 诊断编程中的语法错误以及电源、p l c 内部电路的工作故障。 c ) 以扫描的方式接受开关量信号( 输入设备的状态) 和模拟量信号( 数据) 。 d ) 执行用户程序、输出控制信号。 e ) 与计算机或者外部设备通信。 不同型号的p l c 具有不同的c p u 芯片。c p u 位数越高运算速度越快，系统处理的 信息量也就越大，c p u 芯片的性能对p l c 处理信号的速度和能力有很大影响。 2 存储器 p l c 的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分，作用是用来存储系统程序和用 户程序与数据。系统程序包括三部分：用户指令解释程序、系统管理程序和标准程序模 块与系统调用管理程序。用户存储器包括用户程序存储器和用户数据存储器两部分。 p l c 使用的存储器类型有三种：只读存储器( r o m ) 、随即存取存储器( r a m ) 、 可电擦除可编程的只读存储器( e e p r o m ) 。 a ) 只读存储器( r o m ) r o m 的内容不能写出只能读出。它断电后能够保存存储存的内容是非易失的。它 一般用来存放p l c 的系统程序。 b ) 随即存取存储器( r a m ) r a m 用来保存p l c 内部器件的实时数据，它是读写存储器，其中的数据实时改 变。断电后，存储的信息将会丢失它是易失性的存储器。r a m 工作速度高，价格便宜。 c ) 可电擦除可编程的只读存储器( e e p r o m ) 可电擦除可编程的只读存储器是非易失性的，具有只读存储器的非易失性以及随机 存取存储器的随机存取优点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 3 输入输出单元 p l c 的输入输出信号类型既可以是开关量也可以是模拟量。输入输出接口单元包 括被控设备相连接的接口电路和输入输出映像寄存器两部分。p l c 的i o 接口是p l c 与现场生产设备直接连接的端口。它用于接收现场如按钮、传感器、行程开关等的输入 信号；输出信号直接或者间接控制或者驱动信号灯、电磁阀、接触器等的现场生产设备。 4 电源 p l c 配有供其内部使用的开关式稳压电源，此种电源比普通电源有电源输入电压范 围宽、抗干扰能力强、重量轻、体积小等优点。某些机型还可以向外提供用于对外部传 感器供电的d c2 4 v 的稳压电源。有利于避免使用不合格电源产品或者电源污染等造成 的故障，提高了系统的可靠性能。 5 扩展接口 扩展接口是为了满足不同控制系统的需要将基本单元与扩展模块或者是功能模块相 连，使p l c 的配置更加灵活。 6 通信接口 有些p l c 配有一定的通信接口，通过这些通信接口可以与打印机、触摸屏、显示设 定单元相连，方便“人一机”对话。也可以与其他的p l c ，计算机以及现场总线网络相 连实现“机一机”对话。 7 编程设备 p l c 最重要的外部设备就是编程器。利用编程器可以编制用户程序、输入程序、检 查修改程序和监视p l c 的工作状态。 在个人计算机上添加设当的硬件接口和配置编程软件包就可以用个人计算机对p l c 编程，并且可以向p l c 输入各种类型的程序。它不仅可以联机编程也可以脱机编程，且 能监视p l c 的运行状态，还可以进行系统仿真4 7 】【4 8 】【4 9 1 。 1 5 本文的工作和结构 全文共分为五章，各章的内容安排如下： 第一章：概述数控钢轨精磨机设计背景，说明本课题设计的意义。 第二章：对整个数控钢轨精磨机进行总体布局设计，并阐明各个辅助结构在整个精 磨机中的工作。 第三章：为了分析和设计左右摆动系统，对钢轨焊缝磨削层分析。 第四章：通过数控钢轨精磨机左右摆动系统部分的结构设计得到各个传动方式的尺 寸。 第五章：针对第四章中所设计的左右摆动系统的结构进行控制设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章数控钢轨精磨机总体设计 数控钢轨精磨机总体设计主要针对钢轨的精磨工作方式进行分析，然后针对该机床 在进行工作时所需要各个部分的功能进行总体布局设计。 2 1 精磨方式 数控钢轨精磨机的工作方式：当钢轨通过输送装置将钢轨与钢轨之间的焊缝输送到 精磨机指定加工1 米的范围以内，通过精磨机走行车系统调整整个精磨机的位置，从而 使焊缝保持在整个精磨机可以加工范围内，然后通过夹紧定位系统的工作将钢轨固定， 横梁在垂向进给伺服系统的带动下垂向移动，在此过程中，磨削部件的磨削砂轮自动依 次对设定磨削长度的两端点进行探位，当完成了两个端点的探位后，计算机通过数值处 理自动调整磨削横梁的高低，与钢轨设定磨削长度两端点连成的直线平行。精磨机的左 右摆动系统带动横梁的转动，从而使磨头能对钢轨进行多个角度的仿形磨削，与此同时， 磨削横梁部件的往复移动带动刀具进行加工，即刀具精磨的过程是横梁的左右摆动运动 与横梁上的刀具沿钢轨输送线方向做往复直线运动的合成。这样可以使钢轨的轨头轨侧 都能够达到磨削要求。数控钢轨精磨机精磨流程如图2 1 所示。 图2 1 数控钢轨精磨机精磨流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 1 焊轨输送 通过如图2 2 的焊轨输送装置将钢轨焊缝通过校直机后输送到一定的位置，使焊缝 出现在能保证磨削到的1 米范围内，然后通过电气控制系统和液压传动系统控制来使定 位夹具和对中夹紧夹具工作。 图2 - 2 焊轨输送装置 2 1 2 钢轨仿形拟合磨削 如图2 3 所示，数控钢轨精磨机在对钢轨进行磨削时，磨削的进给是由程序设定的 或是通过触摸屏进行修正，钢轨磨削采用多段小直线仿形拟合方法，即磨削横梁在左右 摆动系统机构的带动下，绕磨削钢轨轴线旋转，并按照设定的旋转角度和分度值对钢轨 轨面的圆弧进行拟合磨削。 摆动 返回 冬善t 茑= 蔫 霞 图2 3 钢轨仿形磨削简图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 3 定位夹紧系统 当焊轨到达位置后，垂向进给伺服系统带动横梁垂向移动，磨削部件的磨削砂轮自 动依次对设定磨削长度的两端点进行探位，当完成了两个端点的探位后，计算机通过数 值处理自动调整磨削横梁的高低，与钢轨设定磨削长度两端点连成的直线平行。 图2 _ 4 夹紧限位装置 如图2 - 4 所示，当焊轨1 输送到达一定位置后，我们可以利用钢轨自身的重力，运 用下滚筒5 所接触的钢轨面为基面，在钢轨两侧会有两个滚轮6 对中夹紧在轨腰两侧， 夹紧后，磨头4 会依次接触待磨钢轨的头从而调整横梁使横梁跟钢轨平行。 2 2 数控钢轨精磨机的总体布局设计 2 2 1 总体布局设计的基本要求 总体布局设计是指按照工艺要求来决定机床所需的运动，并且确定机床的组成部件 以及确定各个部件的相对运动和相对位置关系，它在机床设计中具有十分重要的意义， 将影响到机床的整体使用性能【l4 1 。尤其是是对数控机床，对自动化程度、效率和精度等 都要求较高，各部件之间如何合理配置更是需要慎重考虑。同时也要确定操纵、控制机 构在几成中的配置。 在进行精磨机的总体布局时，主要考虑两方面： 1 机床的外部因素，如机床的操作和维修、工作时的生产和管理、机床的尺寸形状 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1o 页 和人机关系等来实现机床总体布局的各种要求； 2 依据机床相互之间的关系，来确定各个部件之间的配置。 在进行钢轨精磨机实际的总体布局时，需要注意如下的问题l l5 j ： 1 便于实现系统功能。布局方案的设计要有利于实现所需钢轨精磨功能这个目标。 2 操作、维修、调整方便。在总体布局时应尽量多的减少修理精磨机时工作人员的 位置、信息来源的数目和操作人员的位置并且且尽量使其集中，使修复操作观察尽可能 的方便识别，尽可能的保证人的生理机能的舒适。 3 充分考虑产品系列化发展。机械产品设计时不但要去解决目前存在的问题，还要 考虑今后产品及产品更新换代的适应性和系列化设计的可能性。 4 便于同时操作和观察。恰当的处理好人机关系，充分发挥各自的特点，使人机的 综合效率达到最佳。机床上人机操作界面要人性化，操作者的观察角度和空间要足够， 对互锁能力要有一定的保证必要时都要设置紧停按钮。最好是集所有操作与一个操作板， 以减少误动作。 。 5 夕 形美观。机械产品的外观造型和色彩是给人的第一视觉印象，如果不符合美学 原则，产品很难为用户所接受。所以，在总体布置时应根据美学原则布置得体美观。 6 保证机床各部件或总体上有较好的结构刚度、抗振性和热稳定性。对于机床、精 密机械设备等，为了保证被加工工件的精度及所需的性能指标，总体布局时必须充分考 虑精度、刚度、抗振性及热稳定性的要求。 7 结构紧凑，层次分明。紧凑的结构不但能节约使用空间，也有利于安装调试，而 且给人良好的造型印象。 8 便于排屑和冷却。机床的结构布局要便于排屑，立床身便于排屑，此外还要便于 冷却，防止热积累。 总体布局设计是对整个精磨机进行形态的整体造型设计，而整体造型设计主要有均 衡、简洁、稳定这三个原则们。 均衡主要表现在精磨机的两端不是对称的，但需要一种相对平衡的状态，不能一端 过于笨重，另一端则过于简单。 简洁主要指精磨机的外在形态要适合操作人员的视觉心理特点，不能太过于复杂、 尖锐，这样对人的视觉刺激程度比较大，所以精磨机的箱体形态应该尽量的简单。 稳定在理论上使精磨机的重心尽量低些，形成一种上面部分轻下面部分重的视觉效 果。 2 2 2 总体布局设计的运动、传动和机床支持的选择 ( 一) 运动的分配 根据设计的机床工作方式可知，该机床的运动都有如下几个： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 钢轨的对中夹紧：液压动力驱动； 2 砂轮的转动：使用液压马达驱动； 3 横梁的上下移动：使用垂直液压传动系统驱动； 4 横梁的左右摆动：使用左右摆动系统驱动； 5 定位夹具的松开与夹紧：液压动力驱动； 6 对中夹紧夹具的松开与夹紧：液压动力驱动； 7 走行车的运动：电机驱动。 ( 二) 机床传动形式的选择 机床的传动有机械式、液压式、气动式、电气及其综合式等多种形式【l6 1 。通过分析 机床设计要求，在运动分配完成的基础上，完成机床传动形式选择。该机床采用多种传 动形式相结合的方法，完成对焊缝接通的磨削加工。 ( 三) 机床支承形式的选择 机床中常用的支承件有床身、底座、立柱、横梁、横臂等。这些支承件或单独使用， 或组合使用【1 ”。根据数控钢轨精磨机加工要求，参考现有产品，机床支承形式选择龙门 式支承，龙门式机床的支承件是框形结构，刚度较高，但支承件较多，结构庞大，设计 布局时要注意操作机床的方便性，能够保证机床具有较好的刚度，减小机床的振动，从 而保证磨削的加工精度。 2 2 3 数控钢轨精磨机主参数 机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数包括尺寸参数、运动 参数及动力参数【1 7 j 。 机床主参数是代表机床规格大小，数控钢轨精磨机的尺寸参数整机长度6 4 5 0 m m ， 宽2 6 0 0 m m ，高2 9 0 0 m m 。 运动参数是指机床执行件如主轴、工件安装部件( 工作台、刀架) 的运动速度。磨 头最大转动速度5 2 0 0 r m i n ，磨头往复进刀运动的最大速度0 4 5 m s ，磨头横向绕轴转动 9 0 0 。 动力参数包括机床所驱动的各种电机的功率或扭矩，而机床各传动件的结构参数是 根据动力参数设计计算所得到的。若动力参数取过大，电动机经常处于低负荷情况，功 率因数小，造成电力浪费，同时使传动件及相关零件尺寸设计过大，浪费材料，且机床 笨重。若动力参数过小，则所设计的机床达不到设计提出时候的使用性能要求【1 8 】。 2 2 4 数控钢轨精磨机总体布局 数控钢轨精磨机主要由是控制平台、电气控制系统、精磨装置、除尘装置和液压传 动系统等部分组成。在总体布局设计部分需要将数控钢轨精磨机的各个部分组合到一起， 实现精磨机的功能 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 总体布局的设计可以将整个精磨机分为3 个部分，按照钢轨输送方向可以命名为输 入端布局设计、中间工作部分布局设计和输出端布局设计，通过对这三个部分的布局设 计来整合出整个精磨机的布局设计。以中间工作部分为基准，输入端与输出端左右可以 均衡布置，将这三个箱体按照顺序固定在机架上就形成了整个精磨机。 1 输入端的布局设计 输入端主要有液压系统的液压站及部分输送滚筒、液压元件和除尘系统的部分装置 三部分。该部分箱体的设计主要考虑输入端各个部分的主要作用以及输入端结构的分配。 液压站的作用是保证该机床工作时有充分的工作油液，同时还应该具备散热和逸出 油液中空气的作用t 1 9 而在该部分箱体的除尘装置主要是将机床工作时吸入的磨削碎屑 传送到机床外面。 图2 - 5 输入端布局( 1 一液压系统元件，2 一除尘部分装置) 如图2 5 所示，1 为液压系统元件，2 为除尘的部分装置，以输送的钢轨为中心，操 作人员这一侧为机床的正面，另一侧则为钢轨的背面，为了便于除尘系统的工作，除尘 系统安装在机床的背面，因此在输入端液压系统的元件布置在机床的正面，除尘部分在 输入端部分的背面。 该部分虽然不是对称结构的，但是以输送钢轨为中心处于相对平衡的一种状态，主 要重力部分如液压站等都安装在该部分的下面部分，重心也很低。 2 中间工作部分的布局设计 中间工作部分主要包含精磨机的核心部件，整个精磨工作装置都位于其中：夹紧定 位系统、左右摆动系统、垂向进给系统、横梁及磨头工作系统。精磨的主要工作也是在 这部分中进行。 在精磨过程中会出现很多磨削产生的碎屑，因为精磨机结构比较复杂，如果在精磨 工作间隙再清理这些碎屑不容易清理干净，同时也会大大降低精磨的效率。因此在带动 磨削砂轮的横梁上面，安装一个长一米多的吸气斜坡和橡皮保护挡板，这样磨削产生的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 碎屑在磨削过程中就会沿着轨道进入吸气斜坡，通过传送装置将碎屑传送到精磨机外。 4 7 图2 - 6 中间部分布局 ( 1 一左侧摆动部分，2 右侧摆动部分，3 一定位夹具部分， 4 一左侧垂向进给部分，5 一右侧垂向进给部分，6 横梁，7 一磨头，8 一除尘装置) 如图2 - 6 所示对精磨机工作部分进行具体的布局，以钢轨输送方向为x 轴，以精磨 机横梁的中心线作为假象的对称线为y 轴，垂直纸面向外方向为z 轴，对精磨机中间工 作部分做粗略的平衡估计，左右摆动系统以y 轴为对称轴分部在左右两侧，1 为左侧摆 动部分，2 为右侧摆动部分，同样的垂向进给装置以y 轴为对称轴分部在左右两侧，4 一 左侧垂向进给部分，5 一右侧垂向进给部分，7 磨头根据工作需要安装在横梁上，8 除尘 装置安装在横梁的z 方向上，钢轨输送靠近精磨机的底座机架，定3 位夹紧系统安装在 底座机架上，这样机床整体均衡，让人感觉平稳安全。 3 输出端的布局设计 输出端部分主要由控制面板和电气柜组成，也就是钢轨精磨机的电气控制系统，主 要通过对控制面板的操作来进行钢轨精磨机的工作，并且控制面板有一个显示屏，可以 清楚明了的看到所操作的指令。该部分的布局设计主要考虑操作人员在操作这台精磨机 时最有利的位置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 7 输出端布局( 1 控制面板，2 _ 电气柜) 如图2 7 所示，以钢轨输送方向为对称轴，1 控制面板跟2 电气柜分布在钢轨两端， 不至于是一边过于庞大，而另一边则比较空旷。在电气柜与控制面板中间留有很大的空 间，给钢轨的输送和精磨机的实际接线留下空间。 因为钢轨输送位置不一定总是在可以精磨范围以内，为了能使精磨机能够准确的处 理焊缝，所以这个机架就需要能够在钢轨输送方向上移动，也就是说这个机架是一个移 动机架，为了实现这个功能，在机架下方安装一个走行车系统。 4 精磨机的总体布局设计 通过上面对整个精磨机分成的三个部分进行分别布局，当钢轨精磨机进行工作时， 三个部分之间紧密的联系在一起，再加上最后分析所需要的走行车部分，该布局能使各 个工作环节合有条不紊的进行，最终使精磨机能够正常工作，因此该布局方案在理论上 基本达到了设计及工作要求。 数控钢轨精磨机总体布局图如图2 8 所示，所设计的数控钢轨精磨机主要包括1 一 电气控制系统，2 一左侧摆动系统，3 一左侧垂向进给系统，4 _ 横梁及磨头，5 一右侧垂 向进给系统，6 一右侧摆动系统，7 一除尘系统，8 一液压控制系统，卜走行车系统，1 0 一夹具系统十个部分。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 - 8 数控钢轨精磨机总体布局图如图 ( 1 一电气控制系统，2 一左侧摆动系统，3 一左侧垂向进给系统，4 横粱及磨头，5 一右侧垂向进 给系统，6 一右侧摆动系统，7 一除尘系统，8 一液压控制系统，9 一走行车系统，l o 一夹具系统) 根据精磨机的工作过程，左右摆动系统、左右两侧垂向进给系统、横梁及磨头装置 和夹具系统如图所示布局，以中间精磨机的工作核心装置为基准，电气控制系统和液压 控制系统分布在两侧，使整个精磨机整体均衡。精磨机较重部件安装工作原理尽量布局 在精磨机的下侧，使精磨机的重心保持的尽量低一些。 2 2 5 数控钢轨精磨机各部分在设备中的作用 1 精磨机机架、走行车及整机主体保护 机架作为精磨机的整体承载部分，它是被固定在机床底座上面的。在机架上安装了 横梁、磨头、夹具以及光电传感器等主要工作部分来保证钢轨后期安装能顺利进行。 走行车主要作用是控制精磨机的机架运动。因为焊轨在输送的精磨机的过程中，不 可能每次都恰好将焊缝位置保持在磨削范围以内，这就需要精磨机自身运动，是焊缝出 现在磨削范围以内。 在走行车上必要的装上了一层防护罩，保护车架主体工作部件不受外界干扰，很好 的保证了整机的使用寿命。同时，还需装有至少一个侧面的玻璃防护罩，在保证安全工 作的前提下，还能很好的观察机床内部的工作情况，进而保证较高的工作效率。 2 横梁、垂向进给系统和左右摆动系统 当待磨钢轨输送到位以后，通过垂向进给系统来实现横梁的抬起和落下，以及调整 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 横梁的高度来使磨头跟钢轨平行。磨头跟钢轨平行达到要求后，通过左右摆动系统的转 动，来带动横梁的转动，从而使磨头能够对钢轨轨头两侧及钢轨轨顶进行仿形拟合磨削。 3 电气控制系统和液压传动系统 机床工作主体部分的进给运动是依靠液压回路来驱动的，该回路的反馈响应又是根 据机床上的电信控制而定的。无论是磨削运动，垂向进给系统的垂向运动，还是对中夹 紧定位以及走行车的行程控制，均是由伺服液压回路来控制的。 4 除尘装置 在数控精磨机对钢轨进行加工磨削的现场，难免会产生一定的碎屑。由于碎屑对机 床和环境都有不利影响，因此在磨头处需安装除尘装置。该装置采用大功率的高效旋风 除尘器来吸收粉尘，其工作原理是利用旋转气流所产生的离心力将尘粒从合尘气流中分 离出来的除尘装置。它具有结构简单、体积较小、不需特殊的附属设备、造价较低阻力 中等、器内无运动部件、操作维修方便等优点，除尘效率可达8 0 以上。吸尘器是通过 软管与机床连接的。未吸收的粉尘全部封闭在机床的防护罩内，只需要定期处理就能保 证除尘器全部吸收磨头处的粉尘。这样就解决了粉尘对周围环境的污染问题，同时也保 障了精磨机床操作人员的身体健康。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第3 章钢轨的磨削层分析 数控钢轨精磨机左右摆动系统的运动情况主要是由磨削方式的运动情况决定的，而 磨削方式的运动情况又是由所力n - r - 对象决定的，因此对数控钢轨精磨机的加工对象也就 是所加工的钢轨进行磨削层分析很有必要。钢轨的磨削层分析主要包括磨削对象分析、 磨削方式分析、磨削过程分析三个部分。 3 1 磨削对象分析 磨削对象是数控钢轨精磨机工作的主体， 面了解模型对象。对于数控钢轨精磨机而言， 磨加工的先决条件。 3 1 1 钢轨材料 在确定钢轨精磨机如何工作之前，需要全 钢轨的制造材料，焊缝材料和厚度等是精 与欧洲、日本的相近，我国钢轨的制造材料是高锰钢，因为高锰钢坚硬又富有韧性， 并且生产制造成本很低，因此高锰钢是专为重工业提供使用的一种防磨钢材，在钢中加 入大于1 3 的锰然后经过一系列的工艺制造成了高锰钢【2 。为了使钢轨轨头在保证钢轨 自身硬度的情况下，还要具有一定程度的