鋼軌軌底焊縫自動磨削機床數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)

張 凱 侯守全

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機械學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

目前，鋼軌的焊縫打磨基本上都是人工完成，費時費力并且工作效率低，磨削質(zhì)量不高，并且人工磨削出的鋼軌焊縫處在列車經(jīng)過時還會產(chǎn)生難以消除的巨大噪聲。因此，鋼軌焊縫磨削機床的研發(fā)意義重大，對我國鐵路的發(fā)展，尤其是列車的提速和優(yōu)化我國鐵路的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)起著舉足輕重的作用。

25 m短軌焊接成長軌后，要對軌頂和軌底的焊縫高點進行打磨。軌頂打磨采用液壓或電伺服靠模原理，在國內(nèi)焊軌廠已得到普遍應(yīng)用。目前，國內(nèi)有11個百米鋼軌焊接基地。軌底打磨采用兩種方法:一種是靠人工打磨，因為人眼睛不能直接觀察打磨過程，所以人為因素影響較大，打磨質(zhì)量不能保證，常發(fā)生磨傷母材;另一種是靠機器打磨，打磨質(zhì)量得到了很大提高，但機器自動化水平較差，特別是砂輪進給靠人工操作，由于環(huán)境粉塵較大，加之沒有自動測量平直度裝置，人為因素造成打磨質(zhì)量超差也時有發(fā)生，軌底打磨質(zhì)量不能得到完全保證，對鐵路安全行車造成隱患。

加速我國高速鐵路的發(fā)展，要在鐵軌上尋求降低噪聲，并且能保證在列車行駛安全的前提下提速才是根本?！颁撥壾壍缀缚p磨削專用機床”的研發(fā)，要解決兩大方面的問題:一要解決磨削質(zhì)量的問題;二要解決工作效率的問題。鋼軌焊縫自動磨削機床的研發(fā)成功，既提高了工作效率，又可以保證工作的可靠性。

1 系統(tǒng)總體研究方案

縱觀系統(tǒng)的整體方案，考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)從以下幾個方面入手:磨削火花的檢測;自動控制系統(tǒng)的編程;監(jiān)測和控制;記錄歷史數(shù)據(jù)。綜合以上幾個方面，初步確定方案如下。

1．1 火花檢測

鋼軌磨削的火花檢測問題，關(guān)系到整個程序是否能實現(xiàn)自動化的關(guān)鍵。

該控制系統(tǒng)初步確定檢測的方案:要用到兩個光電傳感器GB5－A1DPH，通過光導(dǎo)纖維電纜檢測到火花信號后使第一個光電傳感器接通，使LED發(fā)光二極管發(fā)光。通過一個LED發(fā)光二極管將光信號傳輸?shù)搅硪粋€光電傳感器中，外加電壓為±5 V，控制電磁繼電器MY－2NJ，并且在繼電器兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管，以短路繼電器線圈斷電瞬間其感應(yīng)電動勢對電路中的元件產(chǎn)生反向電壓，當反向電壓高于元件的反向擊穿電壓時，會把元件如三極管等擊穿，造成破壞，從而起到保護電路中元件的作用。通常情況下，LED發(fā)光二極管的工作電流是20～30 mA。但是在本項目中用到的LED發(fā)光二極管只需2～3 mA，所以不需要放大電路。用兩個光電傳感器的原因是:因為砂輪磨削鋼軌的光不是持續(xù)的光，并且需要及時地接受光信號，所以第一個光電傳感器迅速的捕捉光信號并將光信號傳輸進來，第二個光電傳感器受到光照后，接通電路，控制一個小型繼電器。在光電傳感器與小型繼電器之間需要接一個放大器，需要將光信號放大，所以選用一個放大器9013。如圖1所示。

用小型繼電器的常開觸點來控制程序是否開始運行。也就是說砂輪向上移動，當接觸到鋼軌磨削出火花后，光電傳感器檢測到火花信號，小型繼電器常開觸點閉合，砂輪停止移動，然后由磁致伸縮位移傳感器來測焊縫高度，再按每次進給量進行磨削。所以說光電傳感器的檢測準確度至關(guān)重要。為了防止外界光的干擾，還要把發(fā)光二極管和光電傳感器用一個黑色的熱縮管包起來。

1．2 主機設(shè)計

主機由磨頭、三坐標工作臺等組成（圖2）。碗型砂輪直接通過螺紋聯(lián)接在電動機輸出軸上，電動機安裝在Z軸移動臺面上。Z軸垂直于被打磨鋼軌底面。Z軸移動臺采用滾動直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，由安裝在Z軸底座上的伺服電動機和滾珠絲桿驅(qū)動實現(xiàn)砂輪的Z軸進給。Z軸底座安裝在Y軸移動臺面上，Y軸垂直于鋼軌縱斷面，與鋼軌底面平行。Y軸移動臺采用滾動直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，由安裝在Y軸底座上的伺服電動機和滾珠絲桿驅(qū)動實現(xiàn)砂輪的Y軸進給。X軸移動臺與Y軸底座為一體，X軸平行于鋼軌縱斷面，與鋼軌底面平行。X軸移動臺采用滾動直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，由安裝在X軸底座上的伺服電動機和滾珠絲桿驅(qū)動實現(xiàn)砂輪的X軸移動。X軸底座固定在除塵車上，除塵車可以沿鋼軌縱向移動。

焊縫平直度自動測量裝置設(shè)計:打磨機必須具有焊縫平直度自動測量功能，以測量數(shù)據(jù)判斷打磨質(zhì)量是否合格以及下一步的進給量，這樣才能實現(xiàn)自動化作業(yè)。焊縫平直度自動測量裝置包括氣缸、測量頭和位移傳感器等。氣缸固定在Z軸移動臺面上，活塞桿中心線垂直于鋼軌底面，測量頭固定在活塞桿的端部。測量時壓縮空氣推動活塞桿，使測量頭頂住鋼軌底面;這時X軸移動，測量頭隨著X軸移動通過軌底焊縫;因為X軸平行于鋼軌底面而壓縮空氣相當于氣體彈簧，所以軌底的不平導(dǎo)致活塞桿上下微動;位移傳感器可以測出活塞桿上下微動的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)送入計算機處理，實現(xiàn)焊縫平直度自動測量。

1．3 控制部分

控制方式初步定為3種方案:一是單片機控制;二是運動控制卡;三是可編程邏輯控制器。使用單片機控制雖然也能實現(xiàn)目的，但是需要開發(fā)的內(nèi)容過多，對本項目來說不是最優(yōu)方案。運動控制卡能實現(xiàn)多軸聯(lián)動，可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的運動控制，但成本相對較高。本項目需要實現(xiàn)的是簡單的三軸聯(lián)動，動作簡單，并且要實現(xiàn)順序控制，而可編程邏輯控制器可以實現(xiàn)，并且成本相對來說不算太高，屬于最優(yōu)方案。

該控制系統(tǒng)選用三菱FX2N－48MR的PLC，以及其擴展模塊。其擴展模塊有:通訊模塊 FX2N－485ADP;2個模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊FX2N－2AD;3個FX2N－10PG脈沖輸出模塊。通訊模塊FX2N－485ADP用于實現(xiàn)計算機和PLC之間的數(shù)據(jù)交換。圖3是PLC主模塊及其擴展模塊的排序，把每個模塊編號定義為PLC編程做基礎(chǔ)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊FX2N－2AD其中的一個通道用來采集磁致伸縮位移傳感器的信息。磁致伸縮位移傳感器測量焊縫的高度，通過FX2N－2AD模塊把采集回來的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸進PLC中，模擬通道可接受的輸入為0～10 VDC，0～5 VDC，或者4～20 mA。因為FX2N－2AD模塊的兩個通道要使用相同的偏移量和增益值，所以兩個通道所設(shè)置的模擬輸入必須一致。故本課題將模擬輸入通道設(shè)為4～20 mA，使用FROM/TO指令與PLC進行數(shù)據(jù)傳輸。如圖4所示。

說明:第一行，通道的選擇程序，用TO語句將b0=0寫入0號模塊的#17緩存區(qū)，即選擇A/D輸入通道CH1;第二行，輸入通道CH1轉(zhuǎn)換開始;第三行，輸入數(shù)據(jù)的當前值，當前數(shù)據(jù)以二進制形式存儲，將數(shù)據(jù)（低八位）寫入M40～M47中;第四行，將數(shù)據(jù)高端四位存儲到M48～M51中;第五行，將0000賦予高四位M52～M55中;第六行，將M40～M55的值傳送到寄存器D2中。PLC把采集回來的數(shù)字量經(jīng)過程序控制轉(zhuǎn)化為Z軸的位移，也就是實際需要磨削的量。

FX2N－10PG脈沖輸出模塊是最大輸出1 MHz脈沖列并且驅(qū)動單軸的步進電動機和伺服電動機的特殊模塊。這里用來驅(qū)動伺服電動機來進行位置控制，即對X、Y、Z三個軸的位置控制。FX2N－10PG脈沖輸出模塊是通過使用FROM/TO指令對所連接的PLC進行數(shù)據(jù)讀寫。這里用PLC的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊FX2N－2AD與FX2N－10PG進行數(shù)據(jù)交換。FX2N－10PG的輸入電壓為24 VDC，速度和位移由緩沖存儲器來設(shè)定，定位程序由PLC的程序來實現(xiàn)定位，占用的I/O點數(shù)是8點，如圖5所示。

伺服驅(qū)動器使用三菱MR－J3－100A來控制交流伺服電動機HF－SP102B。交流伺服電動機HFSP102B的功率是1．0 kW，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。

整個PLC控制圖如圖6所示。

1．4 世紀星監(jiān)控組態(tài)

組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，實時數(shù)據(jù)庫是組態(tài)軟件的關(guān)鍵部分。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)處于工控系統(tǒng)各功能模塊數(shù)據(jù)交換的中心位置，在組態(tài)系統(tǒng)進入運行環(huán)境時，工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)情況將實時地反映在變量的數(shù)值中，操作者用計算機發(fā)布的指令也要迅速送達生產(chǎn)現(xiàn)場，所有這一切都是以實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為中介。同時實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)又是事務(wù)調(diào)度中心，數(shù)據(jù)采集事務(wù)、圖形顯示事務(wù)、報警事務(wù)和歷史存盤事務(wù)等都由實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的事務(wù)調(diào)度系統(tǒng)完成，從而達到監(jiān)控的實時性、正確性和一致性。

此控制系統(tǒng)所用世紀星監(jiān)控組態(tài)軟件的關(guān)鍵問題是各參數(shù)設(shè)置以及變量數(shù)據(jù)庫的標定，進給速度的設(shè)定，磨削量的設(shè)定，數(shù)據(jù)庫的建立及應(yīng)用命令語言的編寫等。磁致伸縮位移傳感器的標定是控制系統(tǒng)能否順利進行的關(guān)鍵。磁致伸縮位移傳感器所測的焊縫的高度，也就是需要磨削的量，由此才能確定Z軸的進給量。只有準確地測量出焊縫的高度，才能磨削至所需要的精度;磨削結(jié)束后再進行一次檢測，目的是檢測焊縫是否符合要求。

2 現(xiàn)場實驗

2．1 光電傳感器檢測

在磨削火花過程中，第一個光電傳感器GB5－A1DPH可以接收光的信號并把光信號轉(zhuǎn)換為電信號使LED發(fā)光二極管發(fā)光，使第二個光電傳感器GB5－A1DPH受光照后導(dǎo)通，小型繼電器工作。這樣就大大提高了傳輸信號的穩(wěn)定性，使PLC接收到準確的信號。

2．2 PLC程序調(diào)試

在進行PLC程序調(diào)試時，需要分步進行。該控制系統(tǒng)采用步進梯形圖指令的方式進行磨削。使用步進梯形圖指令對鋼軌焊縫的磨削優(yōu)點是焊縫磨削需要循環(huán)進行，并且磨削過程需要分步進行。調(diào)試程序時，先調(diào)試前半部分，讓每個軸按照程序都準確運行，包括位置和速度。程序后半部分是磨削部分，也是程序的主體部分。在實驗室現(xiàn)有的條件下（無鋼軌），磁致伸縮位移傳感器無法檢測焊縫的高度，所以要確定Z軸的步進狀況，須先設(shè)定焊縫高度，然后調(diào)試Z軸的運行軌跡是否符合要求。在磨削結(jié)束后，需要磁致伸縮位移傳感器再檢測一次焊縫的高度，與所設(shè)定的精度進行比較，看是否符合要求。

2．3 世紀星監(jiān)控組態(tài)軟件調(diào)試

世紀星監(jiān)控組態(tài)軟件的調(diào)試與PLC程序的調(diào)試需要同時進行。首先要調(diào)試圖形界面上的各個按鈕是否能實現(xiàn)與PLC程序所要求的一一對應(yīng)，并且還要計算數(shù)據(jù)庫所顯示的值與實際的X、Y、Z三軸運行的位移是否一致。其次，焊縫高度的測量與世紀星監(jiān)控組態(tài)中的變量數(shù)據(jù)庫是否建立一一對應(yīng)的關(guān)系，因為磁致伸縮位移傳感器在數(shù)據(jù)庫中標定的精度關(guān)系到焊縫的磨削精度，所以要把標定的精度調(diào)到盡可能的高。

在實驗中，通過調(diào)A/D模塊的增益和偏移來調(diào)整位移傳感器與數(shù)據(jù)庫的對應(yīng)關(guān)系。但是在調(diào)增益和偏移的過程中，總是有誤差超出所要求的精度范圍，并且調(diào)試太慢，效率不高，因此，采用電流表測電流的方法來調(diào)整。因為在最低點處磁致伸縮位移傳感器的位移量設(shè)定為0.00 mm，相對應(yīng)的電流是4.000 mA，而在位移傳感器到達最高點時實際高度是98.50 mm，對應(yīng)的電流是16.404 mA，數(shù)據(jù)庫中的I/O變量與對應(yīng)的位移量呈現(xiàn)線性關(guān)系，同時與對應(yīng)的電流值也是線性的關(guān)系。經(jīng)過調(diào)整后，實際位移量0.00～98.50 mm對應(yīng)的I/O量是32～3 300，誤差縮小到0.02 mm，實際磨削精度是0.10 mm，所以這個誤差就達到了所要求的范圍。

當測頭測量焊縫高度后，還需要在程序中實現(xiàn)磨削的值，同時世紀星組態(tài)的應(yīng)用命令語言中計算出總磨削量單位轉(zhuǎn)換值，以及一次磨削單位轉(zhuǎn)換值。

3 結(jié)語

基于三菱PLC和世紀星監(jiān)控組態(tài)軟件的鋼軌軌底焊縫全自動磨削機床數(shù)控系統(tǒng)，利用抗干擾能力強，實現(xiàn)可編程邏輯控制，適合工業(yè)現(xiàn)場作業(yè)的特點，依靠世紀星監(jiān)控組態(tài)軟件的實時監(jiān)測和控制，并且記錄歷史數(shù)據(jù)，為后續(xù)工作做到有據(jù)可依，實現(xiàn)了大大提高磨削質(zhì)量和提高工作效率的目的。

目前，鋼軌軌底焊縫全自動磨削機床已經(jīng)投入生產(chǎn)，效果良好，并且準備把設(shè)備推廣到全國范圍內(nèi)使用。

［1］北京世紀長秋科技有限公司．世紀星通用工業(yè)自動化監(jiān)控組態(tài)軟件用戶手冊［Z］．北京:北京世紀長秋科技有限公司，2007．

［2］郝蕓．傳感器原理與應(yīng)用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2001．

［3］程子華．PLC原理與編程實例分析［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2007．

［4］馬國華．監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2005．

［5］晁陽，胡軍，熊偉．可編程控制器原理應(yīng)用與實例解析［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2007．

［6］蔡亦剛．流體傳輸管道動力學(xué)［M］．杭州:浙江大學(xué)出版社，1989．

［7］Mitsubishi FX2N －485ADP Communication Adapter User's Guide［Z］．Mitsubishi Electric Crop．

［8］Mitsubishi FX2N －2A/D Special Function Block User's Guide［Z］．Mitsubishi Electric Crop．