（材料加工工程专业论文）钢轨精磨机控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 | l 一一 n 皇寡皇量| 璺_ 摘要 随着高铁技术的快速发展，对钢轨焊接质量尤其是焊接接头平顺性提出了更高的 要求，需要高精度打磨设备对焊接接头进行精磨处理，从而保证焊接接头的平顺性。 目前国内对该设备的研究还处于起步阶段，应用于钢轨实际生产的精磨设备主要还是 依靠进口，但是进口设备价格昂贵，维修保养不方便，因此，研制具有自主知识产权 的国产化钢轨精磨设备就具有极强的现实意义。 本文针对高速铁路对钢轨焊接接头平顺性的要求，参考现有钢轨精磨设备控制的 特点和钢轨焊接生产的工艺流程，提出了钢轨焊接接头精磨机的整体设计方案；在此 基础上，采用模块化设计方法设计了以三菱q 0 2 ( h ) 为控制核心的钢轨焊接接头精磨机 的信号检测与控制硬件系统，包括定位控制、液压驱动单元、气压驱动单元、传感器 单元和继电器单元等，并进行了定位模块、交流伺服系统等硬件系统的选型工作；在 详细分析钢轨的外形尺寸和机构设计的基础上，提出了一套保证钢轨焊接接头外形尺 寸的砂轮运动轨迹算法：在分析国内、外打磨设备焊缝高度检测装置特点的基础上提 出了通过检测空载与磨削两种状态下主轴电机电流获得钢轨探位的基准位置的方法； 在前述工作的基础上，进行了p l c 软件测控程序编写工作，包括主体程序结构设计、 主轴电流数据采集、探位打磨定位程序设计和打磨子程序设计；最后，利用所研制的 精磨机控制系统进行模拟仿真与在线调试。试验结果表明：所设计的控制基本能够实 现钢轨工作面焊接接头打磨，为今后钢轨焊接接头精磨机的继续研究与应用提供了基 础性的设计方案。 关键词：钢轨精磨；控制系统；p l c ；交流伺服 a bs t r a c t k e y w 。r d s ：r a i lp r e c i s i o ng r i n d i n g ；c o n 廿0 ls y s t 唧；p l c ；a c s e r v 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景及现状 第1 章绪论 自秦沈客运专线兴建以来，经过十多年的发展，中国目前已经拥有了全世界最大 规模以及最高运营时速的高速铁路网。一般来说，钢轨由于制造、运输、铺设以及后 期养护等方面的原因，无缝线路的铺设必须采用分步方式进行焊接。通常会在铁路沿 线适当的位置选址建立焊轨基地，将制造厂运来的标准钢轨焊成适宜运输并且铺设机 械装置能够负担的长钢轨，随后运输到现场进行铺设和焊接，连接成跨区间的无缝线 路【i 】。与普通线路相比，无缝线路提高了列车行驶稳定性，延长钢轨寿命同时降低养护 费用，所以成为目前高速铁路线路建设的主要方法。 根据日、法、德、美等国多年的试验研究，在线路方面直接影响行车速度最关键 的因素就是平顺性问题，它是高速铁路线路的核心问题，即使轨道结构的强度完全满 足要求但是平直度不符合标准时，随着行车速度提高，轨道不平顺引起的车辆振动和 轮轨受力会成倍的增大最终导致列车脱轨【2 】。钢轨平直度的影响因素很多：钢轨焊接设 备的刚性、焊接之前工人操作对轨的质量、焊接后的磨削、现场路基状况等，焊接设 备和操作人员确定后，在焊轨厂钢轨平直度主要靠采用高精度的精磨机对焊接接头进 行打磨来保证钢轨平直度，目前国内该种设备的研制还处于起步阶段，大部分焊轨基 地使用的打磨设备主要依靠国外进口，价格昂贵，使用效果不理想，维修困难，这在 一定程度限制了高铁相关技术的应用发展：另外，国内也有单位在研制该种设备，但 结果不是很好：效率较低，磨削质量有待提高。 基于上述原因，立本课题进行研究：采用三菱公司中大型p l c 作为控制核心，进 行该种设备控制系统的研制，有别于国内出现的其他型号精磨机，本课题设计的钢轨 精磨机将钢轨打磨前的平直度检测与高精度打磨进行一体化整合，设计出一种基于高 性能的可编程控制器和高精度的定位模块的新型钢轨焊接接头精磨机控制系统。该系 统具有适应性强、检测速度快、打磨精度高等优点：平直度检测与高精度打磨一体设 计，减小设备占用空间从而减小工件在工位间转移消耗的时间，提高生产效率，降低 设备成本。 随着高速铁路技术的大力发展，亟需钢轨全自动数控精磨机的国产化，发展拥有 自主产权的数控设备，不仅可以节约大笔资金，同时也促进了高铁技术的进一步发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 一i i | 置量量| 鼍舅罾量量量量鲁置量曼量置皇鲁皇皇量曼景曼曼量皇量皇曼| 量皇皇量曼皇量量奠皇量量量曼皇量鼍量皇一 国产化后的设备应该保证打磨精度的同时兼顾到设备的操作、维修和保养的简单易行， 保证产品的质量，降低设备的价格。 1 2 钢轨精磨机的实际运用 随着高速铁路的跨越式发展，为适应铁路建设和铁路提速的需要，铁道部相继建 成1 7 个长钢轨焊接生产基地，用于高速铁路钢轨的生产。对于这些钢轨的生产，技术 标准高，施工质量要求严，所以控制钢轨焊接接头的质量是整个铺轨施工过程中的重 要一环，焊接接头质量的好坏直接影响到工程质量，为保证焊轨质量符合高速铁路建 设标准要求，应运用性能良好、焊轨质量稳定的焊轨设备和焊后处理设备。 长钢轨生产线主要包括选配轨、钢轨焊接、正火、水冷、粗打磨、四相调直、精 磨、探伤等工序。详细流程如图1 - 1 所示： 图1 1 厂焊钢轨工序流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 精磨作为焊轨生产最重要的一道工序，钢轨精磨设备的打磨精度与速度是影响长 钢轨生产的重要指标，由于现有的精磨设备各有自己的不足之处，为此立题研制该设 备的控制系统。 1 3 钢轨精磨机国内外发展现状 高速钢轨在焊轨厂经过焊接、校直后还需要对焊接接头进行精磨，使得接头的平 直度达到相应的标准。为了提高生产率保证生产质量，必须使用先进的自动化设备一 一钢轨焊接接头精磨机。精磨机取代人工打磨机可以提高接头的平直度、光洁度及圆 顺度。 在精磨前需要对钢轨的平直度进行检测。铁道部目前对于无缝钢轨的焊接检测要 求是：1 米长度的检测钢轨上，不允许有下偏差，只允许上偏差，且上偏差值随运行速 度不同要求不一样，京沪高速铁路允许上偏差值小于等于0 2 m m ，进一步提速之后测量 长度要求是1 5 m ，同时直线度的要求也在提高，另外测量应该是在线测量，测量周期 1 5 s f 3 卅。利用非接触激光测量钢轨平直法，检测系统工作稳定可靠、测量精度高、 盲区小，可以满足无缝钢轨生产线上连续作业的要求。 采用精磨机对焊接接头的外形精整，精磨的对象主要是焊筋，精磨的长度越长越 好，但最长不应超过焊缝两侧各4 5 0 r a m 限度：限制打磨长度，目的是保留平直度测量 基准，超范围打磨后，在l m 范围内测量平直度可能是合格的，但是没有消除轨道方向 上的整体不平顺【5 1 ，如图1 2 所示。 图1 - 2 超范围打磨不能消除轨道整体在方向上的不平顺 1 3 1 国外的发展现状 法国吉斯玛公司生产的m a s 1 5 0 系列精磨机是专门用来精磨高速钢轨的全自动数 控机，如图1 3 所示。铁道部于2 0 0 2 年前，陆续为全国铁路十六个焊轨厂引进该种机型， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 用于打磨厂焊接头，提高焊接接头的外观质量。 精磨机主要由三个机架组成并构成一个平台，一个机架是输入机架，支撑着泵站、 带回收和输送小车的除尘器旋风机，一个是输出机架，支撑着电气箱、控制台和两个 输送滚轮，最后一个为中间机架，精磨机是装在这个机架上。精磨机的轴心杯状砂轮 以近乎垂直的方式打磨两根焊接和修整过钢轨的导向垂直面和项面，每边打磨长度为 5 0 0 m m 以上。在每次打磨作业后，整个打磨机机构围绕着钢轨头按一定可调角度转动， 打磨出轨头的轮廓。过程当中砂轮的探位通过声音传感器检测接触时的声音信号，停 止砂轮进给并自动调整横梁与钢轨平行【6 7 1 。 图1 - 3 法国吉斯玛公司m a s 1 5 0 系列精磨机 该设备主要优点在于采用了以焊接接头两端等距离的轨顶作为精磨定位的基准 面，每次采用伺服控制系统的定位功能找准精磨终端的基准线，以此可以消除砂轮的 磨损对打磨精度的影响。 对现在广泛用于各个铁路局的焊轨车间的精磨设备，主要问题有以下几个方面： 1 、对m a s l 5 0 钢轨精磨机在打磨作业时，要求先以两侧起始打磨的钢轨母材为基 准进行打磨作业，而由于机械结构设计的相关原因，导致行程开关安装位置不对，产 生“低接头 现象。 2 、该种设备由于采用声音信号进行相关判断，检测砂轮与钢轨接触采用声发射传 感器，其抗干扰性较差，常受到各种误差信号的干扰，导致机器误动作。 3 、对于砂轮进给系统，原机器中采用电液伺服马达的控制，并且对打磨压力有一 定的限制，由于打磨压力设置不太合理，容易导致打磨中断。 4 、参数修改、设置不方便，人机界面不友好等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 2 国内的发展现状 m a s l 5 0 钢轨精磨机因生产线配套设备及作业环境不同，精磨机上许多系统不适 应国内生产的需要，且价格比较昂贵，因而近年来国内多所研究机构在全自动数控精 磨机上国产化上做了比较多的研究。 上海理工大学近年来研究出一种用于无缝钢轨平直度修复的钢轨数控精磨机。该 机将振动传感器作为探位元件，通过伺服控制系统调整横梁与被测钢轨平行的控制方 法，用于无缝钢轨的平直度修复系统。使用步骤包括修复钢轨焊缝高度的检测，钢轨 焊缝通过校直机后，在焊缝为中的1 米范围内，整体弯曲的变形量不超过0 2 r n m ；探 位调整磨削横梁，在砂轮主轴箱上安装有用于检测砂轮进给探位的高响应振动传感器， 选用的是k e y e n c e 公司的产品，型号为g h 1 3 i a ，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上设定磨削长度两端点连成的直线 平行：钢轨仿型拟合磨削，采用多段小直线仿型拟合方法，即磨削横梁在转动支承机 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【8 9 】。其装置图如图1 4 所示。 图1 - 4 上海理工大学研制m k - 1 0 0 0 钢轨焊缝数控精磨机 与吉斯玛m a s l 5 0 精磨机相比，虽然上海理工大学研制的m k - 1 0 0 0 钢轨数控机的 性能在各个方面都有很大的改善，但是在设计和使用上还存在如下问题： 1 、该设备探位装置采用振动传感器检测，由于振动信号频率不稳定，常导致机器 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 发生误动作。 2 、往复磨削机构采用伺服电机控制，增加了旋转机构的重量，导致整机系统功率 过大。 3 、磨头主轴驱动采用西门子专用驱动系统，价格昂贵，不够经济。 1 4 设计目标与内容 1 4 1 设计目标 设计全新的钢轨精磨机控制系统，在和机械系统配合下能够对钢轨平直度数据自 动采集转换，并执行钢轨的高精度打磨。整个设计主要包括完成控制系统总体设计、 硬件的设计选型、系统软件的编制和调试。 1 4 2 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： l 、收集、调研国内外钢轨焊接接头精磨设备资料，了解现场使用情况，针对其存 在的问题，参与机械结构整体方案的设计，提出解决现有设备问题的系统结构； 2 、结合整机机械结构总体方案，进行控制系统总体方案的设计； 3 、进行控制系统硬件的选型设计，包括选择合适的控制核心和伺服系统并设计合 适的控制方式，设计检测钢轨焊缝高度装置，从而实现钢轨焊缝高度检测和钢轨打磨 控制功能： 4 、鉴于国外机器焊缝高度检测装置抗干扰能力差等缺点，进行高可靠性焊缝高度 检测方法的研究； 5 、进行软件的设计和调试工作：编写相应的程序并进行软件仿真和在线调试，根 据调试结果完善程序，从而初步得到满足设计要求的全自动数控精磨机控制系统。 1 5 本论文的主要结构 本文就该设计的主要内容进行论述，共分为以下几个部分： 第l 章，绪论。在分析课题的研究背景和精磨机国内外发展现状的基础上，提出了 本课题的土要研究内容。 第2 章，总体方案设计。介绍了精磨机的动作流程，对精磨机的机械机构做了介绍 和功能分析，并提出控制系统总体方案。 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第3 章，系统硬件设计。对所选用的硬件进行电气控制系统设计，完成精磨机控制 系统的硬件设计。 第4 章，系统软件设计。设计控制系统软件，编制其p l c 程序。 第5 章，系统调试。根据设计目标，利用相关软件对系统的软硬件设计进行模拟调 试论证。 结论部分，对本文的工作进行分析和总结，并提出完善系统的建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章总体方案设计 为实现铡轨焊接接头精磨的工艺要求，首先根据功能要求对精磨机的机械结构进 行设计，并结合机械结构进行控制系统方案设计。 2 1 精磨机的动作流程 钢轨精磨机是一种用来对工厂钢轨焊接接头进行打磨的高精度打磨的焊后处理设 备。该设备在工作过程中需要完成焊缝高度检测、焊缝磨削和钢轨轮廓仿形等几个功 能，以保证焊后钢轨焊缝的外观质量以及平直度要求。该设备流程如下：精磨机上电， 并开启液压系统，当钢轨到达精磨工位后，操作员手动停止钢轨输送动力系统，采用 手动模式缓缓移动精磨机的小车平台，实现手动对刀，使焊缝处于打磨工作箱的中心 处，然后启动除尘、水冷等辅助装置和钢轨夹持装置，定位钢轨，选择自动模式，执 行自动打磨，磨削结束后，松开夹持机构，停止除尘和冷却系统，当所有打磨任务完 成后，关闭电源并停止液压系统。详细流程如图2 1 所示： 图2 1 精磨机动作流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 机械结构方案设计 2 2 1 精磨机主要技术要求及整体结构方案设计 主要技术要求如下： 1 精度要求：钢轨平直度上偏差值小于等于0 2 m m 2 打磨效率要求：大约2 5 m i n 头 3 打磨面的要求：钢轨轨头两侧面及轨项面 4 钢轨工作踏面及外形尺寸要求：以常用6 0 轨为例，主要由半径为3 0 0 m m 、8 0 m m 和 1 3 r a m 的三段圆弧组成，且三段圆弧的圆心角分别为2 。、l l 。和7 7 。 结合钢轨精磨机所需要完成的控制动作需求，设计相应的机械机构，整体结构如图 2 2 所示，主要由液压除尘机构、打磨工作箱和电气控制柜三部分组成。在焊轨基地完 成5 0 0 m 长轨连接后还需要打磨钢轨焊接接头，钢轨精磨机主要是用来精磨焊接接头的 焊缝，使其表面平顺性达到相应的标准，避免列车运营速度提高后造成行车不稳，使 用寿命降低等现象，所以机械结构的设计需要满足钢轨工作面磨削的相关标准【1 01 。 图2 - 2 精磨机机械结构整体示意图 2 2 2 打磨工作箱结构设计 打磨工作箱是钢轨精磨机整体机械结构的主体，是实现钢轨磨削量的检测以及精确 打磨的重要机构。打磨工作箱结构如图2 3 所示，工作箱主要由砂轮主轴磨削装置、 往复磨削装置和摇臂转动机构三部分组成，钢轨精磨仿形的过程是三种不同运动方式 的有机结合体。主轴磨削装置由三相异步电机提供主要的磨削动力，满足砂轮旋转的 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 一-一!量量皇置量寡鼍曼曼篁曼曼|皇量量|量薯罾量量目量舅一 打磨运动；往复磨削装置主要是为了在钢轨焊缝周围的l m 范围内，实行较为均衡的磨 削量，保证了钢轨焊缝周围的平直度【1 2 】。由于钢轨轮廓具有一定的尺寸标准，却又并 非为一般的几何图形，为了满足钢轨外形的尺寸要求，采用多段小直线拟合磨削的方 式来实现对钢轨的仿形。 1 进给机构与打磨机构设计 精磨机竖直进给与复位机构是实现焊缝高度检测和磨削进给的重要机构，采用双 轴进给，进给结构主要由滑动导轨、旋转铰链、滚珠丝杆和伺服电机构成。回转支承 的功能是将整个打磨工作箱悬挂起来，支撑打磨部分的整体结构，回转支承与打磨工 作箱采用铰连接，以便于探位过程完成后调整打磨横梁与钢轨位置平行。导轨副采用 滑动导轨，减少滑动的摩擦力，且具有保证正确的运动轨迹的功能，整个导轨副都镶 嵌在回转支撑上。进给机构由伺服电机连接滚珠丝杆，执行进给和复位的相关动作， 电机轴直接与丝杆连接，提高进给的运动效率【1 3 1 。 硼吼崭锻蝌箱艴杠 图2 - 3 精磨机进给机构示意图 精磨机打磨工作箱的打磨机构部分满足砂轮主轴磨削和往复运动两个功能。往复 运动机构是机器进行往复磨削的特殊机构，整体安装在磨削横梁上，由无杆气缸、主 轴箱和回转支撑等几部分构成。该装置通过气缸驱动，在l m 的行程内做往复运动。具 体结构为，横梁的一侧安装缸径为8 0 m m ，行程为1 0 0 0 m 的无杆气缸，以此来保证气 缸能在一定的行程内运动。电机座安装在气缸的另一侧，穿过磨削横梁的小槽，与无 杆气缸的滑动联接耳连接，两部分一起做往复运动。砂轮的旋转由磨头主轴电机驱动， 电机安装存电机支窿匕。为了消除电机轴与磨岁；轴的间隙，通过联轴器与一卜轴连接【l 4 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 旋转机构设计 钢轨精磨机旋转机构是钢轨打磨装置的重要组成部分。在钢轨磨削过程中，为了 更好的修复钢轨焊接接头焊缝处的平直度，采用多段小直线拟合的方法，对钢轨进行 仿形磨削。根据铡轨的外形尺寸，可以将钢轨细分成若干段小直线，以这些小直线为 基准来修复钢轨。旋转机构的作用就在于将钢轨砂轮定位在与这些小直线平行的角度 上。该部分的主要结构是采用伺服电机通过蜗轮蜗杆减速器驱动蜗杆末端的小齿轮， 通过小齿轮来驱动旋转支承上的大齿轮，以此对旋转支承做精确的定位。该机构采用 了蜗轮蜗杆传动和齿轮传动相结合的方式。蜗轮蜗杆传动可以对旋转装置产生自锁， 以保证横梁旋转角度的精度1 1 5 】。 解獭粱 图2 4 精磨机旋转机构示意图 2 3 控制系统方案总体设计 2 3 1 精磨机磨削检测方案设计 精磨是钢轨焊接生产最重要的工序之一，所以精磨设备的精度和设备效率就显得尤 为重要。铁道部目前对于无缝钢轨的焊接检测要求是：l 米长度的钢轨上，直线度应为 不超过0 2 m m 。为了保证达到平直度要求，精磨机的磨头一般采用端面磨削的方式， 而磨削前的焊缝高度检测就显得尤为重要。通过对钢轨焊缝高度检测方式的分析和总 结，大概分为两种： 1 、以轨底为基准的检测方式 以轨底为基准检测焊缝高度时，利用夹持机构将钢轨轨项固定，两端采用压紧机构 使钢轨定位在输送滚轮上。此时，将激光位移传感器安装在离钢轨轨底固定高度的磨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 削滑块上，根据钢轨尺寸和激光位移传感器采集的数据等到钢轨焊缝高度，从而计算 出焊接接头焊缝的余高，根据所得的余高确定磨削机构每次磨削的进给量。因为在磨 削的过程中，砂轮会存在一定的磨损，必须在磨完一定数量的焊接接头采用经验公式 对砂轮进行一定的补偿。这种检测方式控制算法简单，动作流程简洁，省略砂轮探位 的过程，且检测速度较快。但是由于在磨削过程中，采用经验公式的方式对砂轮磨损 进行补偿，检测精度会受到一定的影响。 2 、以轨顶为基准的检测方式 以轨顶为检测基准时，当夹紧机构将钢轨轨腰固定，然后利用压紧机构将钢轨固定 在输送滚轮上，在焊缝两端等距离处分别通过交流伺服系统定位功能探测磨头初始位 置到母线的距离，然后将左右两端横梁调整平行，最后得到磨削终点，这种方式我们 称为砂轮的探位。通过探位这种方式可以知道横梁起始位置到钢轨目标位置之间的距 离，从而得出砂轮进给的目标位置。采用这种特殊的磨削方式，有多种打磨行程类型 可以选择，且不必考虑砂轮磨损，打磨精度较高，生产率与合格率也随之提高。 根据对比选择，为了保证磨削精度，本设计采用以轨顶为基准的检测方式，根据该 控制方式要求，分析各部分结构，硬件条件需要满足以下几个要求： ( 1 ) 采用高精度传感器检测主轴电流，实现砂轮探位方法的精确控制，提高机器的 磨削精度； ( 2 ) 对钢轨打磨前，通过砂轮在待打磨钢轨左右两侧表面进行探位，记录探位高度 差随后对输出指令对左右伺服电机进行补偿； ( 3 ) 检测相关信号后，系统能够根据检测自动调整横梁的高度，使其与钢轨平行， 避免打磨时磨削过量破坏钢轨表面的平直度； 2 3 2 控制系统设计方案 在设计机电一体化系统时，必须根据控制要求、体系结构、复杂程度、系统功能， 正确的选用合适的计算机系统。根据计算机系统软件及应用特点，一般讲工业控制计 算机系统分为以下三类【1 6 】： 1 、可编程控制器 可编程控制器( p l c ) 是将继电逻辑控制技术与计算机技术相结合的一种工业控 制计算机系统。它以顺序控制为主，能完成各种逻辑运算、定时、计数、记忆和算术 运算等功能，既能控制开关量，又能控制模拟量，并且采用模块化设计。p l c 把计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 i - 一_ 一一 一一- 一 i i i _ 皇量罾曼置皇暑量曼曼量_ 一 机的功能完善、通用、灵活、只能等特点与继电控制的简单、直观、价格便宜等优点 结合起来，具有控制程序可变、可靠性强、编程简单、功能完善等优点。 2 、工业控制计算机 工业控制计算机具有完善的软硬件平台，易于存储大量的数据，人机界面友好， 与运动控制卡和采集板卡一起完成系统的定位控制和信息采集。但是其成本较高，运 行平台较为固定，不易于更新。 3 、单片机控制 单片机把计算机系统的主要硬件都集成在一个芯片上的微型计算机。单片机具有 灵活性强、易于扩展和控制功能强等优点，但是同时单片机外围电路设计复杂，抗干 扰性差。 本设计中钢轨精磨机是一种用来对焊后的钢轨执行高精度打磨设备。经过该设备 打磨后，使其轨顶面和工作侧面平直度符合铁路t b 厂r1 6 3 2 1 2 0 0 5 标准。控制方式主 要以顺序控制和定位控制为主，含有少量的模拟量和数字量采集，适于采用可编程控 制器作为系统的控制核心，配合伺服电机、气压和液压等驱动系统，实现焊缝高度检 测以及对钢轨精磨功能【1 7 1 。 图2 - 5 精磨机控制系统框图 通过对执行机构的分析，可以将其控制系统分为控制台、定位控制单元、液压控 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 制单元、气压控制单元、传感器单元和继电器单元，控制系统的原理框图如图2 5 所 示。控制台上的按钮、旋钮输入控制信号，经p l c 的顺控程序运行后相应的指示灯发 光，提示运行状态，方便用户操作；液压控制单元控制压紧和夹紧机构，实行对钢轨 的压紧夹紧定位，属于开关量控制；气压控制单元控制气缸中的滑块的来回摆动，在 气缸上通过磁性开关对气缸的运行行程进行限位，并利用气动比例阀控制滑块的摆动 速度。传感器检测单元主要是监测精磨机运行过程当中磨头电机主轴电流，空载时砂 轮主轴电机电流相对稳定，接触钢轨后会存在突变，取得定位控制数据，计算得出焊 缝的高度，从而确定打磨进给量；继电器单元用来控制除尘电机与冷却电机工作，但 要有短路和过载保护措施；驱动单元包括了伺服控制器和变频器，分别控制调整横梁 高度和旋转机构电机的旋转。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 1 | | 皇量量量量量置量量罾皇皇曼曼曼曼量曼曼舅曼蔓曼墨置量曼皇曼量罾量皇鼍詈晕曼葛皇量量量皇舅量量量量蔓量曼量一 第3 章控制系统硬件设计 根据全自动钢轨精磨机的控制系统要求，确定控制系统核心，根据控制要求选用 各种模块、高性能的伺服放大器、伺服电机以及高精度的绝对式磁电编码器，完成了 主电路、控制电路以及各种外围电路的设计及调试工作，并对研发过程中出现的问题 进行深入的探讨，最后得到解决。 3 1 可编程控制器的选型 3 1 1 可编程控制器的结构 可编程控制器( 简称p l c ) 是专为适应工业环境而设计制造的一种计算机。它不 仅具有丰富的f o 接口，而且具有很强的驱动能力【1 8 】。p l c 广泛用于各种工业环境之 中，在实际应用时，其硬件可以根据实际需求来选用配置，灵活性强，其软件也可以 根据控制要求采用不同的语言进行编制【1 9 】。 图3 1 可编程控制器结构图 1 、中央处理器( c p u ) c p u 是整个p l c 控制系统的核心，它按照p l c 系统控制程序执行并反映用户程 序所需要采集的数据和各个输入输出点的状态【2 0 1 。当p l c 程序开始执行后，首先它以 顺序扫描的方式接受到各个输入点的状态，并存入输入映像寄存器，然后从用户编译 程序中逐条读取和执行用户程序，经过命令翻译成机器语言后按指令规定执行相应的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 运算，并将结果储存到输入映像寄存器，等所有编译程序序执行完毕之后，最后将各 个输出映像寄存器的输出状态传送到相应的输出点，如此循环，直到停止运行【2 1 】。 2 、存储器 p l c 的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器、内部数据存储器三类。 系统程序存储器主要用于存储p l c 的监控程序，主要包括系统管理程序、命令解释程 序、系统调用程序等，它是p l c 正常工作的保证。用户程序存储器是主要用来存储控 制各种动作所需要的p l c 程序，该程序由用户自己编制。内部数据存储器主要用来存 储p l c 状态执行的中间状态与信息，执行p l c 程序所需要的输入输出映像、内部继电 器状态、数据寄存器状态等结果均储存于数据寄存器中【2 12 羽。 3 、输入输出接口 输入接口主要是完成外部输入信号到p l c 内部信号的转换。通常来自生产设备或 控制现场的各种输入信号【2 3 】，比如各种按钮、开关、传感器的信号。输出接口的主要 信号是完成p l c 内部信号到外部信号的转换。它主要控制生产设备和控制现场的主要 元件，比如指示灯、电磁阀线圈、继电器等。输入输出信号根据信号的不同，选择不 同类型的输入输出模块和连接方式。 4 、通信接口 通信接口主要功能是实现p l c 与外部设备的数据交换。通过通信接口，p l c 可以 与编程器、人机界面( 如触摸屏) 、显示器等连接，以实现p l c 的数据的输入输出。 也可以与上位机、其它p l c 、远程i o 等实现连接，构成局域网、分布式管理系统或 综合管理系统。通信接口形式多样主要有r s 2 3 2 、r s - 4 2 2 、r s 4 8 5 等标准的串行接口， 接口可以通过多芯电缆、双绞线、同轴电缆、光缆等进行连接2 4 1 。 5 、电源 p l c 的电源在整个系统中起着十分重要的作用，其输入形式有交流输入和直流输 入两种形式，p l c 的电源主要功能是为p l c 内部的t t l 集成电路和集成运算放大器提 供正常工作的电源【2 52 们。对于p l c 输出负载的电源，原则上不应由p l c 提供，应单独 提供负载电源。 3 1 2 可编程控制器的选型 根据钢轨焊缝精磨机控制系统要求，对精磨机控制系统的p l c 实施选型，包含了 c p u 及各个功能模块的选择，主要有p l c 的c p u 模块、输入模块、输出模块、a d 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 模块、d a 模块、基板和电源模块【2 7 1 。对于横梁调整伺服电机的定位，采用定位模块 进行控制。相较运动控制器而言，满足需要的功能外，整体成本也会下降很多。 l 、c p u 模块 q 系列p l c 是三菱公司的中大型p l c 系列产品采用了模块化的结构形式，产品的 组成和规模灵活可变，适应各种复杂机械的控制系统1 2 82 9 1 。本次设计选用q 0 2 h c p u ， q 0 2 h c p u 高性能c p u 主机控制最大i o 点数是4 0 9 6 点，远大于要求点数，且用户存 储是2 8 k 步，处理速度l dx 0 指令是3 4 n s ，m o vd od 1 指令是1 0 2 n s 。可以用r s 2 3 2 或者u s b 接口与外部设备进行通讯连接，在满足控制要求的情况下，比较经济。d c 5 v 消耗电流是0 6 a ，规格参数如表3 1 所示。 表3 1q 0 2 h c p u 主要规格参数 规格c p u 模块q 0 2 h c p u 处理速度l d m o v ( m o v d od 1 ) 恒定扫描 输入输出软元件数 输入输出点数 内部电流消耗5 v d c 3 4 n s 1 0 2 n s 0 5 2 0 0 0 m s 8 1 9 2 点( x o i f f f ) 4 0 9 6 点( x o f f f ) 0 6 4 a 2 、输入输出模块的选型 经过初步统计，钢轨精磨机对焊缝打磨系统输入点有3 4 点左右，为了留有一定的 余量，所以选择6 4 点输入的q x 4 2 型d c 输入模块。该模块占用“点的i o 分配，直 流2 4 v 输入，主要规格参数如表3 2 所示。q x 4 2 输入模块触点属于正公共端型，公共 端接2 4 v 直流电源的正极，并且模块的d c 5 v 内部消耗电流是0 0 9 a 3 们。 表3 2 输入模块q x 4 2 主要规格参数 规格输入模块q x 4 2 ( 正公共端) 分析钢轨精磨机动作过程中实现的功能，统计出控制系统输出点有2 3 点左右，为 了留有一定数量的输出点以作备用，选用q y 4 1 p 型晶体管输出模块。该输出模块有3 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 点，接直流1 2 v 或者2 4 v 电源，0 1 a 晶体管输出，规格参数如表3 3 所示。 表3 3 输出模块q y 4 1 p 主要规格参数 规格输出模块q x 4 1 p ( 漏型) 3 、a d 和d a 模块的选型 根据系统分析可知，需要a d 转换的信号主要有主轴的电流和主轴变频器的频率。 主轴电流通过传感器检测后需要经过a i d 模块将模拟量信号转换成数字量信息存储在 寄存器当中，通过a d 模块实现对系统模拟量的数据采集。为了留有一定的余量，在 后续的系统设计中可能加入激光位移传感器采集钢轨平直度的数据，所以选择q 6 4 a d 模数转换模块，它是4 通道的模拟量输入模块，占用i o 点数是1 6 剧3 ，规格参数如 表3 - 4 所示。 表3 _ 4q 6 4 a d 模块主要规格参数 需要经过d a 模块转换的信号是p l c 输出启动比例控制阀，调整往复磨削时滑块 的速度。选用q 6 4 d a n 转换模块，它是4 通道模拟量( 电压电流) 输出模块，占用1 6 点的i o 点数，规格参数如表3 5 所示【3 2 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 1 1 i 量量量量圈薯量量曼曼量曼量量皇曼曼量曼曼曼量曼量皇鼍_ 皇量量量| 毫| 曹鼍 4 、定位模块的选型 为了实现高精度定位控制，采用定位模块。两个伺服电机对横梁调整加上转动机 构旋转共需要对三个轴实现定位控制，在满足使用性能的情况下，考虑经济性，采用 q d 7 5 p 4 定位模块。可以实现对4 轴的控制，占用u o 点数是3 2 点，内部电流消耗是 0 5 8 a ，规格参数如表3 - 6 所示【3 3 1 。 表3 - 6q d 7 5 p 4 定位模块主要规格参数 规格定位模块q d 7 5 p 4 控制轴数 定位数据 内部电流消耗5 v d c 4 6 0 0 个数据轴 o 5 8 a 5 、土基板的选型 精磨机的p l c 控制系统包括了q c p u 、电源，此外还有输入模块、输出模块、a d 模块、d a 模块、定位模块和高速计数模块等6 个模块。可以选用型号为q 3 8 b 型主 基板，它可以安装8 个模块。d c 5 v 消耗电流是0 11 4 a ，规格参数如表3 7 所示。 表3 7q 3 8 b 型主基板规格参数 规格 基板( q 3 8 b ) 输入输出模块安装个数 d c 5 v 内部消耗电流 8 o 1 1 4 a 6 、电源模块的选型 安装在基板上的所有消耗电流和基板的消耗电流的合计电流不能超过电源模块的 额定输出电流【3 4 1 。如果超过电源模块的额定输出电流，就必须减少主基板上安装的模 块数，使用扩展基板。 整个p l c 控制系统的构成如表3 8 所示。控制系统包含了电源模块q 6 1 p 、c p u 模块q 0 2 h 、输入模块q x 4 2 、输出模块q 4 1 p 、a d 转换模块q 6 4 a d 、d a 转换模块 q 6 4 d a n 、定位模块q d 7 5 p 4 以及基板q 3 8 b 。电源模块和c p u 模块安装在基板上各 自固定的插槽中，输入输出模块和智能功能模块在基板上安装的顺序没有特别的要求， 本设计模块的安装次序是从c p u 插槽右起向左依次安装输入、输出和智能功能模块。 模块内部d c 5 v 电流消耗是判定电源容量的一个重要指标，各个模块直流5 v 电 流消耗的总和不能超过电源的额定电流输出。根据表2 - 9 计算各个模块d c 5 v 电流消 耗：d c 5 v 消耗电流的合计值= 0 6 0 0 + 0 5 8 0 + 0 1 1 4 + 0 0 9 0 + 0 1 0 5 + 0 6 3 0 + 0 3 4 0 = 2 4 5 9 a i i 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 所以p l c 各模块内部的电流消耗量2 4 5 9 a ，选择电源模块q 6 1 p ，能够满足供电 要求的同时也比较经济。电源模块的额定输入电压为a c 2 0 0 2 4 0 v ( + 1 0 - 1 5 ) ，允许 输入电压范围是a c l 7 0 2 6 4 v ；额定输出电流是6 a 。 表3 - 8p l c 模块配置汇总表 电源模块 q 6 1 p c p u 模块 输入模块 输出模块 a d 转换模块 d a 转换模块 定位模块 主基板 q 0 2 ( h ) q x 4 2 q y 4 1 p q 6 4 a d q 6 4 d a n q d 7 5 p 4 q 3 8 b 3 2 交流伺服控制系统选型 3 2 1 交流伺服系统的类型 伺服系统由伺服驱动器和伺服电机组成，高性能的伺服系统一般带有检测装置， 包括反馈编码器等检测装置，反馈实际的输出状态。伺服系统按控制方式分，有开环、 闭环和半闭环3 种类型【3 5 】。开环系统主要由驱动电路、执行元件和被控对象三大部分组 成。常用的执行元件是伺服电机或者步进电机，驱动电路的主要任务是将指令的脉冲 转化为驱动执行元件所需的信号。闭环的系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、 驱动电路和被控对象等几部分组成，其组成框图如图3 3 所示。在闭环系统中，检测元 件将被控对象移动部件的实际位置检测出来并转化为电信号反馈给比较环节。通常把 电机轴端的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统，其精度比闭环系统低。 图3 3 交流伺服控制原坪框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 2 2 交流伺服系统的选型原则 为了使被控制量按照控制指令的要求准确、迅速、精确、可靠地实现对控制对象 的调整与控制，对交流伺服系统选型一般从以下几个方面考虑： l 、稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来 的稳定运行状态，或者在输入的指令信号作用下，能够达到新的稳定运行状态的能力。 稳定性要求是一项最基本的要求，是保证伺服系统能够正常运行的最基本条件。伺服 系统在其工作范围内应该是稳定的，其稳定性主要取决于系统的结构及组成元件的参 数，可采用自动控制理论与系统辨识方面所提供的方法来研究。前者用来研究分析系 统的调节特性；后者用来研究与确定系统各环节的动态参数，并为整个系统的分析研 究提供数据。 2 、精度 伺服系统的精度是指其输出复现输入指令信号的精确程度。系统中各个元件的误 差都会影响系统的精度，如传感器的灵敏度和精度、伺服放大器的零点漂移和死区误 差、机构传动装置中的反向间隙和传动误差、各元器件的非线性因素等。反映在伺服 系统上就会表现为动态误差、稳态误差和静态误差，伺服系统应在比较经济的条件下 达到给定的精度。 3 、响应速度 伺服系统的响应速度是对伺服驱动装置的动态性能要求，它是指系统输出量快速 跟随输入信号变化的能力，比如伺服系统在运行过程中可能会频繁地启动、制动、加 速和减速等。同时，要求伺服系统速度变化时不应有超调。快速响应性主要取决于系 统的阻尼比和固有频率，由系统的上升时间和调整时间来描述。减小阻尼比或增加固 有频率可以提高快速响应性，但对系统的稳定性和最大超调量有不利影响。因此伺服 系统设计时应对两者进行优化，使系统的输出响应速度尽可能快。 4 、灵敏度 系统各元件的参数变化等都会影响系统的性能，系统对这些参数变化的灵敏度要 小，即系统的性能应不因参数的变化而受到太大的影响。对于开环系统，应严格保证 各元件质量：对于闭环系统，输出通道中元件的选择标准可以适当放宽，反馈通道的 各元件必须严格挑选，以改善系统的灵敏度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 一i m 皇墨曼曼皇曼罾量量喜量量罾曼量皇曼皇量量皇皇曹量量皇曼舅曼量曼曼曼曼量薯皇鼍量蔓皇| 置量曼量鼍皇皇曼舅量皇曼曼曼曼曼量| 量量目鼍量量曼量量量_ 3 2 3 伺服电机的选型 伺服电机性能直接影响到机器的工作状态和零件的加工精度。而且，交流伺服电 动机具有没有换向部件，过载能力强、体积小、重量轻等优点，适宜于高速、高精度， 频繁的启动和停止、快速定位等场合，且电动机不需要维护，可以在恶劣环境下可靠 使用。因此，在机器设计的过程中，伺服电机合理选择显得至关重要。 本设计中精磨机主要包括进给电机和横梁旋转电机两种伺服电机。进给系统两个 伺服电机直接驱动滚珠丝杆，带动磨削横梁在竖直方向上的进给与复位。横梁旋转电 机主要功能是通过蜗轮蜗杆的传动，确定仿形磨削中横梁旋转的角度。两种电机功能 示意图如图3 _ 4 所示。下面以进给电机为例，详细介绍电机选型过程： 图3 _ 4 伺服电机示意图 1 、进给电机负载核算 进给电机是控制磨削横梁沿滑轨动作的电机，是精磨机控制系统保证磨削精度的 关键。在本设计中，采用双轴电机同时向下迸给的方式。为了保证焊接接头平直度达 到o o 2 m m 以内，所以每次进给量设定为0 1 m m 。 1 ) 确定伺服电机的反馈脉冲当量 伺服电机的脉冲当量( a i ) 也就是伺服电机每个脉冲所走的行程，它取决于伺服 电机的每转的行程s 和和编码器反馈脉冲数r ，设a l = 0 o l m m ，因为滚珠丝杆直接 与电机连接，伺服电机每转行程为丝杆的螺纹距，那么电子齿轮的设置参数为【3 6 】： 巡=芸pt(3-3)cdx一= = 一心 式中 等一电子齿轮的设置参数 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 2 ) 转速计算 伺服电机的转速是伺服电机选型重要参数之一。查伺服电机使用手册可知： o = i v o 刀 ( 3 - 4 ) 式中只一滚珠丝杆的螺纹距( m m ) 力一传动比 设定线速度v o = 1 0 0 0 0 m m m i n ，因为是电机与滚珠丝杆直接连接传动比n = l ，那 么由式3 5 可以得出： o = 只v o 们了1 0 0 0 0 l = 2 。( ，i i l i n ) ( 3 - 5 ) 3 ) 等效负载转矩计算通过分析可知，横梁整体结构通过滚珠丝杠的作用在导轨 上下滑动，则折算到电机上的负载转矩有： 互= 乃+ 耳= 端+ 糕 ( 3 6 ) 式中形一移动部件的质量( k g ) ； ，7 一机械结构传动效率； 一滚轴丝杆和导轨的摩擦系数； 丛一伺服电机的每转的行程( 姗) ； 已知：整个移动部件( 包括转动横梁、主轴电机、磨头等) 的重力w = 1 5 0 k g ，根 据负载核算公式3 - 6 ，换算到电动机上的转矩t l 得： 五= 乃+ 耳= 踹+ 粼= 羔器糕= 1 5 6 ( n ( 3 - 7 ) 由于整个移动部件的重量较大，为了保证磨削精度，必须对滚珠丝杆副事先预紧， 其预紧力为最大轴向载荷的l 3 倍，其刚度增加2 倍，变形量会减少1 2 【3 7 1 。预紧后摩 擦转矩计算公式如3 - 8 所示： 互= 警( 3 - 8 ) 式中 五一预紧后的摩擦转矩( n m ) 以一螺母内部摩擦系数 互一滚珠丝杆副预紧力( n ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 预紧力鼻= 1 3 w = 5 0 0 ( n ) ，心= 0 3 ，因此滚珠丝杆预紧后的摩擦转矩瓦为： 正= 心警- 0 3 i 5 0 0 x 丽0 0 0 5 = 0 1 2 ( n z 万z j 1 q 在电动机轴上的等效负载t l 为 瓦= 石+ 五= 1 6 8 ( n 朋) 4 ) 等效转动惯量计算 直线运动件换算到电动机轴上的移动体，根据运动惯量换算的动能相等原则【3 8 】， 由3 9 得，j l 为 以：( 尝) ： 上兀 式中形一移动部件的质量( k g ) r 一滚珠丝杆的螺距( m ) 因为整体滚珠丝杠滑块承受着横梁部分的重量， j l 为 ( 3 9 ) 有w = 1 5 0 k g ，则换算到电机轴上 小w ( 2 - 昙- ) 2 = 1 5 0 x ( 而0 0 0 5 ) 2 0 9 5 x 1 0 - 4 ( 姆朋2 ) 在滚珠丝杆副运动过程中，还存在回转运动件，由3 1 0 得，其转动惯量j 2 为 以：1 z p d f 4 1 ( 3 - 1 0 ) 3 2 式中 p 钢的密度 d 一滚珠丝杆直径( m ) ，一滚珠丝杆长度( m ) 丝杠外径为0 0 2 5 m ，长度为0 1 m ，钢的密度为7 8 0 0 k g m 2 ，根据式有 上=zpd41=314x7800 x00254 x o 1 3 2 3 2 0 3 0 x l o 4 ( k g 脚2 ) 据查得联轴器的转动惯量为厶- 0 0 0 0 4 ( k g m 2 ) ，则折算到电机上的总惯量以为 以= 以+ 以+ 厶= 5 2 5 x 1 0 4 ( 姆朋2 ) 2 、进给电机选型 在进给电机负载转矩核算之后，开始选择