（机械制造及其自动化专业论文）钢轨打磨试验台摇篮角控制研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：钢轨打磨列车是用于铁路钢轨养护维修的专用装备。随着高速重载趋势的 发展，我国铁路运营维修和保养面临着愈加严峻的考验，而钢轨打磨列车所起的 作用也日益凸显。由于国外技术垄断，目前我国还没有掌握大型钢轨打磨列车的 关键技术。为了实现对钢轨打磨技术的自主研发，钢轨打磨试验台的建立势在必 行。 摇篮机构是钢轨打磨试验台的核心部分，其对于探索打磨工艺和打磨模式具 有非常重要的作用。本文以摇篮机构的转角为控制对象，对摇篮控制系统进行设 计，通过采用模糊p 工d 控制算法，实现对摇篮转角的精确控制，为钢轨打磨试验 台的国产化研制提供一定的理论依据。 首先，分析了钢轨打磨试验台的总体结构，并根据摇篮机构的特点，提出其 总体控制方案。 其次，对摇篮控制系统的硬件进行结构分析和需求分析，重点对控制器上、 下位机及关键元器件进行选型，针对p l c 进行了端子配置，并对输入输出信号进 行处理。 再次，建立了摇篮机构运动的数学模型。分析了摇篮机构运动的控制方式， 建立了摇篮控制系统输入输出的传递函数模型。将模糊p i d 控制算法应用到摇篮 控制中，利用m a t l a b 进行仿真试验，验证了系统模型控制有效性。 最后，设计了摇篮控制系统中的软件结构，并对所划分得各功能模块予以初 步的实现，包括人机交互界面和实时控制等内容。 本文的研究证明，通过对试验台摇篮控制系统硬件结构、控制算法和软件结 构的设计及实现初步完成了对摇篮转角的精确控制，对钢轨打磨试验台的国产化 研制具有积极意义。 关键词：铁路维护；钢轨打磨；试验台；控制系统；模糊p i d 分类号：t h 6 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t i t a i lg 血d i i l g 砌ni sm es p e c i a ld e v i c ef o rr a j l w a ym 捌血g w i t l l t h e 慨do fr a i l w a y sh i 曲s p e e da 1 1 dh e a v yd u 劬o u rc o u n 姆sr a i l w a ym a 枷斑i l i n g i s p u tt ot e s t ，a n dm eu s eo fr a i lg 面1 d i i l g 缸a i l li sp r o m i n e n t b e c a u s eo ft h et e c m c a l m o n o p 0 1 ya b r o a d ，w ed on o th o l dt h ek e yt e c h n o l o g ) ，o fr a i l 舒血陆gt r a i l l s o i t s n e c e s s a r yt ob u i l dt l l er a i lg r i n d m gt e s t - b e df o rd e v e l o p i n gr a j l 蛐d i n gt e c l l n o l o g y i 1 1 d e p e n d e n t l y t u 吼t a b l em e c h a i l i s mi s 吐屹p i v o t a lp a no fr a i l 嘶d i n gt e s t - b e d ，谢m l eu s eo f r e s e a r c l l i n g 鳓d i 】1 9m o d e t 1 1 i sp a p e rt a ：k e st h et i l m t 如l e ss w i i l ga sc o n t r o lo b j e c t a r l d d e s i 目! l st h ec o n 仃o ls y s t e mo ft l l m t a _ b l e b yu s i n gm e 如z z yp i d 撕m m e t i ct o c o n 缸o lt l l et i l m 切b l e ss 丽n g ，i ts u p p l i e st h et h e o r e t i c a lf - o 吼d a t i o nf o rd o m e s t i c r e s e a r c ho fm er a i lg 血d i n g 缸n f i r s t l y ，t 1 1 i sp 印e ra i l a l y z e s 也es t r u c t u r eo fr a i l 鲥n d i n gt e s t i b e da n db r i i l g sa c o n t r o lp r o p o s a lb ym ef e a t u r eo f 面n d i n gm e c h 埴1 i s m t h e na i l a l y z et l l es t m c t u r eo ft l l n l 切b l ec o n 仃0 ls y s t e m s a r ea i l dc h o o s et l l e 够p eo fc o n 仃o l l e ra n di m p o n ；a i l tc o m p o n e n t d e p l o yt 1 1 ec o mo fp l ca n dp r o c e s st l l e s i 趴a 1 b u i l dt h em a t l lm o d e lo ft l 】m t a b l es y s t e m sm o t i o n b ya i l a l y z i n gi t sf e 栅，p a p e r b u i l d st h et r a n s f e r - 缸1 c t i o nm o d e lo ft l l m t a b l ec o n t r o ls y s t e m w i t ht h es i m u l a t i o ni n n i a t l a bb ya p p l y i n gt h en l z z yp i dc o n 仃o li nt l _ 1 1 1 1 t a b l e sc o n 缸d l ，p 印e rp r d v e s s y s t e mm o d e l se 伍c i e n c y p a p e rd e s i g i l st h es t m c t u r eo f 吐i es o f h a r eo ft u m t a b l ec o n 仃o ls y s t e ma n dt u m c o n 仃o lf u n c t i o ni n t om a i l ym o d u l e s a c c o m p l i s ht l l o s em o d u l e sa i l dd e s i g n t h e h 啪a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni i l t e r f k e p a p e r sr e s e a r c hp r o v e si ta c m e v e st h ep r e c i s ec o n t r o lo ft u r n t a b l e ss w i n gb y d e s i 萨洫ga i l dr e a l i z i n go ft l ! 屺h a r d w a r e ，m ea i i t l l i n e t i ca n dm es o 小汜nm a k e s s e n s et om ed o m e s t i cr e s e a r c ho ft 1 1 er a i lg r i n d i i 增佩n k e y w o r d s ：r a j l w a ym a i n 切i 1 1 i n g ；r a i l 咖i i i n g ；t e s t - b e d ；c o n t r o ls y s t e m ；m z z y p i d c i a s s n o ：t h 6 致谢 本论文的工作是在我的导师李建勇教授和沈海阔副教授的悉心指导下完成 的，两位老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此 衷心感谢两年来两位老师对我的关心和指导。 李建勇老师在教学上学识渊博、治学严谨，在生活上和蔼可亲，在学习方面 对我严格要求，在生活方面多加关怀，使我能不断的进步成长。在研究生期间， 李老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在论文的选题、撰写过程中遇到的 困难以及论文的修订，都给予了宝贵的意见，保证论文的顺利完成。在此向李建 勇老师表示衷心的谢意。 沈海阔老师在日常的科研和学习中给予我很大的帮助。在日常的学习工作中， 沈老师培养了我的动手能力，教会我很多工程实践的技能，并在论文写作中提出 很多宝贵的意见和建议。在生活上，沈老师也对我多加关怀，在此对沈海阔老师 表示诚挚的感谢。 感谢王纪武、王恒、蔡永林以及王青温老师在我读研期间给予的帮助，在此 向各位老师表达我的感激之情。 感谢实验室聂蒙、郝研博士，张宇、王琪龙、孙华敏硕士在工作、学刊中对 我莫大的帮助，感谢全大鹏、王天杨、智少丹等同学平时的帮助和交流，感谢室 友王建、王伟以及机硕1 0 0 l 班的同学在平时学习和生活上的照顾。 感谢我的家人和亲朋，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 最后感谢所有关心和帮助我的老师及同学。 绪论 第一章绪论 近年来，随着我国经济的高速增长，铁路运输高速重载的趋势日益明显，运 营的压力也越来越大，这对铁路轮轨系统提出了更多更高的要求。高速重载线路 投入运营后，钢轨很快就出现了轨面不平顺的现象，且扩展迅速，最终表现为点 蚀、波浪轨面、马鞍接头和轨头肥边等现象n 引。因此，必须及时对钢轨伤损进 行消除或修复，以避免影响轨道交通运行的安全。这些修复措施包括钢轨涂油、 钢轨打磨等，其中钢轨打磨由于其高效性受到世界各国铁路的广泛应用哺刮。钢 轨打磨列车是钢轨打磨的重要技术设备，随着我国铁路提速战略实施和全国大中 城市轨道交通的兴起，钢轨打磨列车的作用更加明显和突出。因此钢轨打磨列车 的高效性和经济性决定了其具有广阔的发展前景n 0 。1 2 1 。 1 1 引言 钢轨打磨技术起源于上世纪五六十年代，发展至今，已成为世界范围内高速 重载铁路线路的一种常规的养护维修技术，在世界各国的铁路养护维修中得到了 普遍的应用。 钢轨打磨主要是通过打磨机械或打磨列车对钢轨头部滚动表面的打磨，以消 除钢轨表面不平顺、轨头表面缺陷及将轨头轮廓恢复到原始设计要求，从而实现 消除钢轨的波形磨耗和控制钢轨的接触疲劳，防止因接触疲劳而产生片状剥落、 开裂等病害，提高钢轨表面平滑度，进一步达到改善旅客乘车舒适度、降低轮轨 噪音、延长钢轨使用寿命的目的n 3 。1 引。最终通过钢轨打磨能取得如下效果：增加 钢轨5 0 一3 0 0 的使用寿命：减少钢轨失效的风险：减少车轮、轨道部件以及 轨道几何形位的恶化率；允许列车高速运行；降低轮轨噪音n 6 1 7 1 。 目前，国内外应用的钢轨打磨设备主要有钢轨打磨机和钢轨打磨列车。其中 打磨机属于一种小型化设备，由人工操作进行路段的打磨，其设备小、重量轻， 但打磨效率低，打磨质量难以保证n8 | 。钢轨打磨列车是一种全自动化的打磨设备， 是一种结构复杂、控制先进，集机、电、液、气及计算机技术于一体的施工设备。 钢轨打磨列车以其高质量和高效率的打磨优点，发展迅速。 在国外，钢轨打磨己有6 0 多年历史，到目前己达到比较完善的应用阶段n 旷2 1 1 。 由于目前国内都是引进的国外的整车设备，迄今为止还没有研发出拥有自主知识 北京交通大学硕十学位论文 产权的大型打磨列车。相比国外，国内打磨列车技术还比较落后，仍然停留在引 进吸收的阶段。而钢轨打磨试验台的建立，是为了结合我国铁路运行情况与钢轨 损伤特点，对钢轨打磨进行试验研究，从而指导国产化钢轨打磨列车的研制。 1 2 国内外打磨装备现状 钢轨打磨在国外起步较早，最初用于整治波形磨耗。经过多年的应用，钢轨 打磨已经发展成为一种多功能的现代化养路技术。 2 0 世纪6 0 年代s p e n o 公司研制成功了世界上第一列钢轨打磨列车，普遍应 用于铁路干线钢轨打磨和使用再生轨铺设的次要线路上。当前国外主要的打磨列 车为：美国r o t r al r 系列钢轨打磨车；r g 3 0 l 型钢轨打磨列车；p g m 一4 8 3 型钢 轨打磨列车；p g m 一4 8 4 型钢轨打磨列车；j a c k s o n 公司制造的钢轨打磨列车；瑞 士s p e n 0 打磨机车；g 1 】| m i1 0 、2 1 0 、3 2 0 、4 4 0 多用途钢轨打磨车；s b m 2 0 0 型钢 轨打磨车；s b m l ll 型刨平和打磨钢轨两用车等n 6 | 。 美国r o t r al r 系列钢轨打磨车，如图卜1 所示，打磨速度为1 6 k m h ，非 工作状态时行走速度可以达到2 9 k m h ，每次打磨深度为0 0 2 0 1 姗。打磨列车 可以在6 坡度的路段和半径2 5 m 的曲线路段上运行。r g 3 0 l 型钢轨打磨列车，如 图卜2 所示，砂轮可以偏转达4 5 。，装备有3 0 9 k w 和2 2 1 k w 的两种扣4 磨电机， 具有8 4 个打磨砂轮。打磨列车打磨时的灵活度和精度都比较高瞳。 图l 一1 美国r o t r al r 系列钢轨打磨车图图1 2r g 3 0 1 型钢轨打磨列车 f i 9 1 一lu s a r o t r al rr a i lg n d i n gt r a i n f i 9 1 2r g 3 0 1r a i lg r i n d i n gt r a i n 美国p g m 一4 8 钢轨打磨车，如图卜3 所示，是我国与美国h t t 公司合作生产 的铁路大型养路机械设备，主要用于消除钢轨表面磨损、变形和其它缺陷。整列 车由三辆车组成，前、后为动力车，中问。辆为生活车；动力车部分全部为进口 设备，可靠性强，技术性能处于世界先进水平；打磨效率高，每节车装有2 个打 磨小车，每个打磨小车装有8 个打磨头，全车共有4 8 个打磨头；打磨精度高， 2 绪论 全部由计算机控制自动检测和调整打磨量。 图卜3p g m 一4 8 型钢轨打磨夕0 车 f i 9 1 3p g m 一4 8r a i lg r i n d j n gt r a i n s p e n o 公司的u r r 系列打磨车有1 8 、2 4 、3 2 、4 8 个打磨头几种型号，图卜4 所示为u r r 一4 8 型打磨车，有4 8 个打磨头。另外s p e n 0 公司新的r r 3 2 m 3 型钢轨 打磨列车装备了更加先进的横向轮廓激光检测装置。每股钢轨的轨头横断面检测 由8 个激光束来完成。检测头山贮存了打磨模式的电子屏来控制。 图卜4u r r 4 8 型钢轨打磨列车 f i 9 1 - 4u r r 4 8r a 订g r i n d i n gt r a i n 相比较之下，我国的钢轨打磨技术发展较晚，钢轨维修设备水平和打磨技术 曾远远落后于西欧、日本等铁路发达国家心2 。黜1 。我国在1 9 8 9 年引进了s p e n o 公 司的u r r 一4 8 型钢轨打磨车，开始在工务段中投入使用，之后义引进了美国 t t 公司的p g m 4 8 型钢轨打磨列车也扣26 | 。2 0 0 7 年7 月，中国北车集团北京二七轨道 交通装备有限责任公司通过技贸结合的方式，与瑞士s p e n 0 公司合作生产1 0 列 g m c 9 6 新型钢轨打磨列车，如图卜5 所示，2 0 0 9 年1 1 月1 6f j ，世界上作业打磨 头最多、打磨精度最高、自运行速度最快的g m c 9 6 型钢轨打磨列车在北京二：七公 司完成研制，竣：i ：下线瞳7 删。 北京交通人学硕十学位论文 图卜5g m c 9 6 ，诅钢轨打糜列乍 f i g1 - 5g m c 9 6r a 订g r i n d i n gt r a i n 1 3 国内外打磨试验台现状 随着铁路运营压力带来的挑战，钢轨打磨技术也面临着新的挑战，需要不断 的发展改进才能满足铁路系统运营维护保养的需求，而钢轨打磨试验台为研究钢 轨打磨技术提供了试验平台口。 钢轨扣磨试验台主要是用于研究打磨j 艺、打磨模式、确定相关参数，为控 制系统研发、调试提供一定的条件，从而为钢轨打磨列车研发提供试验支撑3 3 引。 钢轨打磨试验台的 ：要作用订： ( 1 ) 模拟试验钢轨打磨机构在打縻作业时的各种动作和i ：况，能够为研究 打磨一i ：艺提供所需的打磨i 乜机转速、打縻瓜力、打磨速度等j j ：艺参数。 ( 2 ) 可以结合现有铁路j ! 干线的运行现状及损火特点，通过工艺试验，摸 索研制符合本田因情的钢轨打縻设备，提高打磨质量和效率。 ( 3 ) 依靠钢轨打磨试验台模拟工况的多样性，针对不同的钢轨缺陷，探索 更丰富和更有效的打磨模式。 ( 4 ) 通过测试打磨试验台在工作时的性能以及打磨效率，为钢轨扣糜列车 的设讨与优化提供参考与依据。 h 前，钢轨打磨技术比较成熟的斟家，如瑞：l ：、美凶、俄罗斯等国家都建立 有自己的钢轨打磨试验台，其多 体情移己| ij 于技术保密，尚未查找到公丌发表的文 献。 4 绪论 而国内尚无有关钢轨打磨的专用试验台，因此建立拥有自主知识产权的钢轨 打磨试验台，结合我国铁路运行情况与钢轨损伤特点，进行钢轨打磨的试验研究， 指导和推进国产化钢轨打磨列车的研制，具有十分重要的意义。 1 4 课题研究意义 钢轨打磨列车是高速重载铁路整修的重要技术装备，随着我国高速铁路和城 市轨道交通建设的迅猛发展，钢轨打磨列车的作用日益体现。受技术水平的限制， 目前我国使用的钢轨打磨列车均由国外引进，虽然部分打磨列车的车体、动力等 分系统实现了国产化设计和生产，但其核心系统一打磨控制系统由于涉及技术领 域多、难度大、保密程度高等原因国外厂商明确不予转让，所以研究、开发国产 打磨列车核心技术具有很大的现实意义。 在钢轨打磨过程中，为提高打磨效率，通常采用多打磨头对钢轨进行包络式 打磨。其中每个打磨头都有自己的角度姿态，对各打磨头的角度姿态的设定即为 对打磨模式的设定。本文通过对试验台的摇篮控制系统进行设计，重点研究摇篮 摆角的多角度姿态的精确控制，研究内容和成果对于试验台的研发以及打磨模式 的探索具有积极的意义。 1 5 论文研究内容及方法 本文主要是以钢轨打磨试验台摇篮机构为研究对象，对摇篮摆角的多角度精 确控制进行研究，通过对摇篮机械结构进行功能分析，建立摇篮转角运动的数学 模型，对控制系统的硬件和软件进行设计，利用模糊p i d 算法进行闭环控制，达 到精确控制的目的。主要研究内容有： ( 1 ) 分析摇篮系统的总体机构，进行功能分析，提出摇篮控制系统的总体 设计方案，并提出摆角控制方案。 ( 2 ) 分析摇篮控制系统的硬件结构，根据设计参数，对控制系统的硬件进 行选型。 ( 3 ) 建立摇篮机构运动的结构简图，并建立其机构运动的数学模型，采用 模糊p i d 控制，利用m a t l a b 工具对其进行仿真，分析控制性能。 ( 4 ) 设计摇篮控制系统的软件结构，并对各功能模块进行实现。 北京交通大学硕士学位论文 本文的章节安排如下： 第一章绪论 主要介绍了国内外钢轨打磨装备及技术的现状，分析了钢轨打磨试验台的作 用、国内外研究现状，提出了论文的研究意义及研究内容。 第二章试验台及摇篮设计方案 主要介绍了打磨试验台的总体结构，重点介绍了摇篮系统机械结构，并对摇 篮系统的控制结构进行分析。 第三章摇篮控制系统硬件构成 对摇篮控制系统硬件结构进行设计，并对控制系统的控制器、电气元件进行 选型，配置相关控制器的接线端子，并介绍系统相关的信号处理。 第四章系统建模与控制算法设计 建立摇篮系统运动的数学模型，并设计控制算法。分析当前主流的现代控制 算法的特点，重点介绍模糊控制相关理论，并建立摇篮系统的模糊p i d 控制模型， 利用m a t l a b 工具对模型进行仿真，验证其高效性和精确性。 第五章系统软件结构设计与实施 对摇篮控制系统软件结构进行设计，划分其功能模块，并对每一模块进行初 步的开发和实现。 第六章总结与展望 总结了论文研究的主要内容，查找其中的不足，并且对需要更加深入研究的 内容做出了展望，指出今后的研究方向。 1 6 本章小结 首先介绍了钢轨打磨的作用、意义，分析当前国内外钢轨打磨技术与钢轨打 磨试验台的发展现状，引出本文的研究内容及意义，并对论文研究的主要内容以 及章节进行了规划。 6 试验台及摇篮设计方案 第二章：试验台及摇篮设计方案 钢轨打磨试验台主要是用于研究打磨工艺、打磨模式和确定相关参数，同时为控制 系统研发、调试提供一定的条件，从而为打磨列车控制系统研发提供试验支撑。其中， 打磨单元是试验台的核心部分，而摇篮机构是打磨单元的重要组成部分。 本文重点是对摇篮机构的多角度精确控制进行研究，从而为打磨试验台实现其重要 功能，打下坚实的基础。 2 1 打磨试验台总体结构 在充分考虑方案的可行性、控制可靠性和制造成本，以及与当前使用的打磨列车的 打磨单元尽可能一致等因素的影响，通过对多种方案进行分析论证，整个试验台的机械 机构确定下来，主要包括3 个部分：打磨单元部分，移动试验小车部分和打磨与运行轨 部分。 试验小车上主要载有打磨单元、检测单元、风源和控制系统等。试验小车在安置其 上的电机驱动下，靠车轮与轮轨间产生的摩擦力运动，运动方向通过车轮轮缘与轨道的 相互作用来控制；驱动电机本身带有编码器和制动器，分别用于测量小车的速度和小车 制动。电源与控制线通过拖链或滑线与小车相连，为小车提供动力和获取小车的运动信 息。小车位置的测量采用两种方式：一是通过分置在轨边的多个传感器进行获取；另一 种是通过采集减速箱输出轴转速，由减速箱输出至驱动轮变速比、运行时间及车轮周长 等参数，计算获取。 打磨控制主要是通过对打磨单元的控制，来实施打磨动作。打磨列车在工作时，为 提高效率，在单轨上安装多打磨头，对轨面进行包络，实施同时打磨，为节约成本和占 地面积，试验台设计通过实现对一个打磨头的多角度高精度控制，从而实现单打磨头对 钢轨多角度包络式打磨。打磨单元结构图如下图2 1 所示，通过伺服电动缸l 可以推动 整个摇篮框沿钢轨横截面方向平动( y 向) ，通过伺服电动缸2 可以推动整个摇篮框绕钢 轨横截面转动( x 轴转动) ，通过气缸可以带动打磨头上下移动( z 向) ，这样就能够使打 磨头能够沿着钢轨横截面的y 方向平动、x 向转动和z 方向的上下运动，实现单打磨头 多角度的位置姿态，从而实现包络式打磨。 7 北京交通人学硕十学位论文 2 2 摇篮机械结构 整个摇篮机构，如图2 2 所示，是由摇篮框、平行四边形机构、伺服电动缸和转动 轴组成。i f 行四边形机构是整个打磨单元的核心，其安装在摇篮框i ：。在气缸带动其上 下运动时，平行【q 边形机构可以绕摇篮框的边l ：转动，从而实现通过气缸带动打磨头的 上下运动。整个摇篮机构是由转动轴支撑，通过摇篮框焊件悬挂在机架卜。 二作时，通 过乖d 服f 乜动缸推动摇篮框，绕转动轴转动，到达指定位胃。 f i 9 2 2 锚揣撬薛鲰媳t u r eo f t u m t a b l e 8 试验台及摇篮设计方案 摇篮的转动，是由伺服电动缸驱动的，该摇篮属于摆块机构，摆角范围为一7 5 。 2 0 。在摇篮的转轴上安装有编码器，用于测量摇篮摆动的转角，并在一8 0 。和2 5 。的 位置处设有转角极限位置传感器，用于进行保护。 2 3 摇篮控制系统 试验台控制系统主要采用上下位机模式，上位机采用p c 做运算控制，下位机采用 p l c 做执行控制。根据需求控制系统又可分为两个部分，一是小车走行进给的运动控制， 其主要功能是牵引小车走行；二是打磨过程的控制，主要是控制打磨头到指定的待打磨 位置和进行指定打磨量的设定。 对于走行小车的进给运动控制主要需要实现小车在两个方向上的运动控制和位置 控制、限位检测以及急停控制等。电机采用码盘做速度反馈，其目的实现小车进给速度 闭环，避免开环控制带来的小车打滑等问题。另外利用电机自有的锁定功能实现急停。 打磨运动主要分解为整个打磨头的平动，摇篮相对于钢轨的上下运动，打磨电机相 对于钢轨横截面的转动以及打磨电机的转动。其中，摇篮相对于钢轨的上下运动以及打 磨电机相对于钢轨截面的转动需要做闭环控制，而其余两项对于控制要求精准度并不 高，所以采用开环控制，但是打磨电机的平动需要必要的限位处理。 本文所研究的内容主要是基于打磨试验台，对摇篮摆角的多角度精确控制进行设计 和实施。通过伺服电动缸驱动摇篮转动，基于模糊p i d 控制算法，采用闭环控制，利用 码盘检测摇篮摆角进行反馈，对于机构的安装误差进行软件补偿，并与p l c 等控制系统 连接，通过采用伺服电动缸和编码器控制的方式，实现高精度运动控制。 如图2 3 工作框图所示，其实际工作过程为：p c 与p l c 通过以太网通信，向其发送 控制指令，同时接受p l c 反馈的编码器传递的当前摇篮位置角度信息。通过人机交互界 面，可以设定摇篮的目标角度，假设此时摇篮机构位于初始位置( 比如0 度) ，p c 机可 以通过模糊p i d 控制算法，根据当前的输入误差和输入误差变化率，进行p i d 参数的实 时整定，对伺服电动缸进行输出控制，从而控制伺服电动缸运动方向及速度。编码器则 实时检测摇篮的角度信息，反馈给p l c ，p l c 通过通信向p c 反馈摇篮的摆角信息，显示 在人机交互界面上。 9 北京交通大学硕士学位论文 2 4 本章小结 图2 3 摇篮控制工作框图 f i 9 2 3t h eb l o c kd i a g 阳mo ft u m t a b l ec o n n 0 l 首先对整个打磨试验台的整体结构进行介绍，然后对摇篮机构的机械机构进行分 析，并对摇篮机构的控制策略进行分析，为后续对摇篮机构的控制研究做好准备。 1 0 摇篮控制系统硬件构成 第三章：摇篮控制系统硬件构成 由于整个摇篮结构体积和质量较大，而且在打磨过程中，温度高、冲击力大， 工作环境比较恶劣，因此在控制系统的硬件选型上应考虑多方面的因素，确保控 制系统能安全、稳定、高效的运行。 3 1 控制系统硬件结构分析 摇篮摆角控制系统的硬件结构设计如图3 1 所示。 图3 一l 控制系统硬件结构 f i 妒一lt h eh a r d w a r eo f c o n n l o ls y s t e m 采用伺服驱动器加p c i 卡控制驱动摇篮框的转动。p c i 卡可以与控制器进行数 据交换，控制器可以向p c i 卡发送指令，以达到控制伺服电动缸推动摇篮转动的 目的。转动轴上安装有编码器，可以测量摇篮转角，并将角度信息传递给控制器， 这样控制器可以通过算法进行闭环控制，达到精确控制摇篮转角的目的。同时为 保证试验安全，在摇篮的极限位置处安装有限位传感器，当摇篮转到极限位置时， 控制器会发出指令，停止其继续转动。 为了确保控制系统安全、稳定、高效的运行，在控制系统的硬件选型上应考 虑多方面的因素，下面将介绍主要部件的选型。 北京交通大学硕士学位论文 3 2 系统控制器的选型 控制器是控制系统的核心，因此在控制系统的设计中，应当首要考虑。 ( 1 ) 可编程逻辑控制器 可编程逻辑控制器，即p l c ( p r o g r a 姗a b l e1 0 9 i cc o n t r o l l e r ) ，专为在工业 环境应用而设计的，是一种数字运算操作的电子系统。它采用一类可编程的存储 器，用于其内部执行逻辑运算、存储程序、顺序控制、定时、计数与算术操作等 面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程 口卜3 5 。p l c 集三电( 电控、电仪、电传) 为一体、性价比高、高可靠性的特点，已 成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，其使用量高居首位。 p l c 的基本功能有：逻辑控制功能、数据处理功能、定时控制功能、计数控制 功能、监控功能、停电记忆功能。其特点是：适应性强，可靠性高，编程方法简 单易学，功能强，性能价格比高，硬件配套齐全，用户使用方便，抗干扰能力强， 系统的设计、安装、调试工作量少，体积小、能耗低，高性能、高速度、大容量、 微型化，维修工作最小，维护方便，分布式i 0 和智能i 0 ，解决远程控制与分 散控制b 6 q 0 。目前市场上著名的p l c 品牌有：德国的西门子( s i e m e n s ) 、a e g 及法 国的t 工公司，美国的a b ( a l l e n b r a d l y ) 、g e ( g e n e r a le l e c t r i c ) 、莫迪康( m o d i c o n ) 公司、德州仪器( t 1 ) 公司、歌德( g o u l d ) 公司、西屋公司，日本的三菱电机 ( m i t s u b i s h ie l e c t r i c ) 、欧姆龙( 0 m r o n ) 、f u j i 。目前国内市场还有韩国、台 湾等p l c 产品；现在市场上出现了系列化的国产p l c ，其价格相对低廉，性价比较 高。 由于p l c 的适应性强、抗干扰能力强、安全性高，维修工作量小，高性能、 高速度，扩展方便，便于远程控制，加之p l c 广泛应用于现有钢轨打磨车上，所 以本课题选择p l c 作为控制器，用于作下位机，对各底层硬件进行驱动控制。 根据课题需要，最终选择的p l c 型号为西门子s 7 3 0 0 可编程逻辑控制器。 s 7 3 0 0 属于模块式p l c ，主要由机架、c p u 模块、信号模块、功能模块、接口模块、 通信处理器、电源模块和编程设备组成，其中c p u 模块都有一个编程用的r s 一4 8 5 接口，有的有p r o f i b u s d p 接口或串行通信接口，可以建立一个m p i ( 多点接口) 网络或d p 网络h h2 j 。图3 2 为s 7 3 0 0 的实体图( 其模块可扩展) 。 1 2 摇篮控制系统硬件构成 5 6 32478 9 1 电源模块2 后备电池3 2 4 v d c 连接器4 模式开关5 状态和故障指示灯 6 存储器 ( c p u3 1 3 以上)7 m p i 多点接口 8 前连接器9 前盖 图3 2 s 7 3 0 0p l c f i 9 3 2s 7 3 0 0p l c 本文根据课题需要选择了适当的电源模块、c p u 模块，数字模拟i 0 模块， 通信模块等。其控制系统如图3 3 所示。 按钮 选择开大 限位开关 i u源 块 输 m 模 块 扩腥机架 通信网络 其他设备ll 其他p l 。( ：il 计算机 接触器 电磁阀 指叫；灯 i 【l 源 图3 3p i 。c 控制系统不总图 f i 9 3 3t h ec o n t r o ls y s t e mo fp l c ( 2 ) 工控机 工控机即工业控制计算机，英文简称i p c ，全称i n d u s t r i a 】p e r s o n a l c o m p u t e r ，亦称产业电脑或工业电脑。 ：控机就是专门为：【：业现场而设计的计算 机，是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中 可靠运行n 3 叫引。 工业现场一般具有强烈的震动，狄尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特 点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算 机相比必须具有以下特点：机箱有较高的防磁、防尘、防冲击的能力，一般采用 钢结构；机箱内有二争用底板，底板上有p c i 和l s a 插槽； 机箱内有专门电源，f 乜 源有较强的抗干扰能力；要求具有连续长时问工作能力；一般采用便于安装的标 1 3 北京交通大学硕士学位论文 准机箱。因此，其技术特点是h 5 删： 采用符合“e i a ”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。 采用总线结构和模块化设计技术。c p u 及各功能模块皆使用插板式结构， 并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。 机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。 配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。 电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。 具有自诊断功能。 可视需要选配i o 模板。 设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。 开放性好，兼容性好，吸收了p c 机的全部功能，可直接运行p c 机的各种 应用软件。 可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。 可采用无源母板( 底板) ，方便系统升级。 工控机相对于其它工业控制器的主要优点是软、硬件资源丰富，可随意选用， 硬件有很多通用的p c i i s a 插槽的板卡，可以实现不同功能，即插即用，十分方 便，省去了硬件开发的时间；工控机上可运行多种通用的程序开发环境，可方便 的进行软件开发；它的外围输入输出资源很多，几乎可以达到无限；它的运算速 度快，可以进行复杂的控制算法编程。它的主要缺点是体积大、成本高。 由于工作环境比较恶劣，对控制系统的抗干扰、防尘、安全性能要求比较高， 加上高速的检测信息采集，对c p u 的速度要求也比较高，因此本课题选择工控机 作为上位机控制器。 根据课题需要，选择的工控机的类型是研祥集团( e v o c ) 的工p c 一8 l o b ，具有 防高温、防震设计，c p u 主频为2 6 g h z ，2 g 内存，1 0 0 g 硬盘，有鼠标及键盘输入、 u s b 接口，带有光盘驱动器及p c i 插槽等，采用1 7 寸l e d 显示器。 综上所述，摇篮控制系统的控制器采用上、下位机模式，下位机采用西门子 p l c ，用于驱动底层设备，并向上位机发送底层设备的状态数据，上位机采用研祥 工控机，用于数据采集及向下位机发送指令，二者共同完成控制任务。 1 4 摇篮控制系统硬件构成 3 3 系统主要电气元件的选型 摇篮控制系统所用的电气元件中较为重要的是伺服电动缸及传感器，下面根 据课题需求，对其进行分析、选型。 3 3 1 伺服电动缸 由于摇篮机构体积、质量均比较大，因此在摇篮转动的驱动动力上，课题选 择了伺服电动缸。伺服电动缸是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，将 伺服电机的旋转运动转换成直线运动，同时将伺服电机最佳优点精确转速控 制、精确转数控制、精确扭矩控制转变成精确速度控制、精确位置控制、精 确推力控制，实现高精度直线运动系列的全新革命性产品h 蛳1 。 伺服电动缸的特点有陆h 3 | ： ( 1 ) 闭环伺服控制，控制精度达到o 0 1 姗；增加压力传感器，控制精度可达 1 ，精密控制推力；很容易与p l c 等控制系统连接，实现高精密运动控制。高刚 性，抗冲击力，超长寿命，长期工作，并且实现高强度，高速度，高精度定位， 运动平稳，低噪音，节能，干净，操作维护简单。伺服电动缸可以在恶劣环境下 无故障，防护等级可以达到i p 6 6 。所以可以广泛的应用在汽车行业，电子行业， 机械自动化行业，造纸行业，化工行业，焊接行业等。 ( 2 ) 低成本维护。在复杂的环境下工作伺服电动缸只需要定期的注脂润滑，并 无易损件需要维护更换，将比液压系统和气压系统减少了大量的售后服务成本。 ( 3 ) 配置灵活性。可以提供非常灵活的安装配置，全系列的安装组件：安装前 法兰，后法兰，侧面法兰，尾部铰接，耳轴安装，导向模块等；可以与伺服电机 直线安装，或者平行安装；可以增加各式附件：限位开关，行星减速机，预紧螺 母等；驱动可以选择交流制动电机、直流电机、步进电机、伺服电机等。 所以课题选择了伺服电动缸作为驱动动力，来代替传统的液压、气动驱动。 根据摇篮结构，画出其运动结构简图，如图3 4 所示，摇篮机构的总质量为 m ，总重量为g ，转动轴圆心为0 2 ，伺服电动缸基座转动圆点为o l ，推杆与摇篮 框铰接的圆心为0 3 ，伺服电动缸在工作过程中承受的推力( 或者拉力) 为f ，假 设杆是刚性的，在运动过程中不会发生形变，设摇篮框初始位置为0 度，推杆的 初始长度为o 1 0 3 = l ，摇篮转动轴中心到运动铰接圆点的距离0 2 0 3 = l 2 ，伺服电动 1 5 北京交通大学硕士学位论文 缸基座转动圆点到摇篮转轴圆点距离为0 1 0 2 = l l 。 图3 4 摇篮运动结构简图 f i 邸一4t h ec o n s 仃l j c t u r ed i 耀即mo f t u m t a b l e sm o v e m e n t 当摇篮框转到角度a 时，设么qd l q = ，么q q q 的初始值为， 按照转矩计算公式可得，摇篮机构相对于转动轴圆心o ：的转矩t ，为： 五= g 厶s i n 口= 毗s i n 口 伺服电动缸的推杆相对于其转矩t ：为： 由转矩平衡可得： 疋= 心s i n 巧= 互 孵乞s i n 口= 码s i n 厶s i i l 。 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 由于m 、l 1 、l 2 是固定值，随着口增大而减小，所以当口取最大值时，f 取 最大值。 同理，当口取最大值时，伺服电动缸达到最大行程，此时其行程为址。 当摇篮处于初始位置时，测得q d 3 = 三z 2 4 0 0 ，q q = 厶= 2 5 8 0 ，目= 5 8 。， m = 1 1 0 0 k g ， 所以此时得到l 的长度为： 1 6 摇篮控制系统硬件构成 三= 上1 2 + 厶2 2 厶三2c o s 曰= 2 3 9 2 ( 3 4 ) 摇篮的极限位置是一2 0 。和7 0 。，设此时l 的长度分别为三和，则： 三= 厶2 + 三2 2 2 厶三2c o s ( 目一2 0 。) = 2 2 7 8 ( 3 5 ) = 厶2 + 三2 2 2 厶上2c o s ( 口+ 7 0 。) = 2 8 4 3 ( 3 6 ) 由此可得： 三= 三”一三= 5 6 5 ( 3 7 ) 当口= 8 0 。时，伺服电动缸推杆力f 取最大值f 嗍，此时有： s i n 口：垒型翌堕：竺堂：o 1 0 9 1 l 2 s 4 3 ( 3 8 ) 所以得： = 苗2 掣筹圳4 0 s 俘9 ， 所以可得伺服电动缸的最大行程为5 6 5 姗，最大推力为1 4 4 0 8 n ，考虑到实际 应用中应留有余量，因此在选型时应选择合适的参数。 根据上述参数要求，课题最终选择的伺服电动缸为北京力姆泰克传动设备有 限公司生产的i m b 4 0 4 5 0 伺服电动缸，其结构尺寸如图3 5 所示。 图3 5 伺服电动缸结构图 f i 9 3 5t h ea p p e a r _ a n c eo f s e r v oe l e c t r i cc y l i n d e r 其使用的是安川伺服电机s g m g h l 3 a c a 6 c ，伺服电机转速为1 5 0 0 r p m ，功率为 1 7 北京交通人学硕+ 学位论文 1 3 k w ，转矩为8 3 4 n m ，电动缸的最大推力为2 2 0 0 0 n ，最大速度为2 8 3 咖s ，最大 行程为1 2 0 0 唧，能很好的满足课题要求。在伺服电机的驱动器上选择的是安川伺 服驱动器s g d m l 5 a d a ，其外形图如图3 6 所示。 图3 6 伺服驱动器外形图 f i 9 3 6t h ea p p e a r a n c eo fs e r v od r i v e 伺服驱动器与电动缸的伺服电机相连，典型的配线图如图3 7 所示。 1 m c c b ：断路器f 1 i 。：干扰过滤器1 m c ：接点 l r y ：继电器 1 p i 。：显示指示灯1 s u p ：浪涌抑制器 1 d ：飞轮二极管 图3 7 伺服驱动器配线图 f i 9 3 7t h ew i r i n go f s e r v od r i v e 通过伺服驱动器的调节控制作用，可以实现伺服电机的平滑运行、高速定位、 自动调谐等功能。 18 摇篮控制系统硬件构成 3 3 2 传感器 虽然伺服电动缸的伺服电机自带编码器单位了实现摇篮转角的精确控制，仍 需考虑应用测量其转角信息及位置信息的传感器。在摇篮的转角信息上，课题采 用光电编码器测量其转角；而在其位置信息上，采用开关传感器，测其极限位置。 光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、 精度高、易于维护、使用可靠、结构简单、体积小、性价比高等优点。近1 0 几年 来，发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、 雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中 得到了广泛的应用瞰。55 i 。典型的光电编码器由码盘( d i s k ) 、检测光栅( m a s k ) 、光 电转换电路( 包括光源、光敏器件、信号转换电路) 、机械部件等组成。一般来说， 根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大 类。 用增量式光电编码器有可能由于外界的干扰产生计数错误，并且在停电或故 障停车后无法找到事故前执行部件的正确位置，采用绝对式光电编码器可以避免 上述缺点，因此课题选择采用绝对式光电编码器作为摇篮转角测量的传感器。绝 对式编码器的特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切 除后位置信息不会丢失；编码器的精度取决于位数；最高运转速度比增量式光电 编码器高。 绝对式光电编码器是由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组 成，其工作原理如图3 8 所示。绝对式光电编码器用不同的数码来分别指示每个 不同的增量位置，是一种直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有 若干同心码道，每条上由透光和不透光的扇形区相问组成，相邻码道的