[发明专利]一种基于软件靴的钢轨铣削作业装置及控制方法

权利要求书

1.一种基于软件靴的钢轨铣削作业装置，其包括左单元以及右单元，所述左单元与右单元的一侧设置有钢轨铣削装置车体连接板(1)，使得该钢轨铣削装置通过车体连接板(1)与车体连接，所述钢轨铣削装置与车体连接板(1)之间还设置有垂直移动导轨(3)以及水平移动导轨(2)，所述水平移动导轨(2)实现钢轨铣削装置在水平方向上的伺服进给，对钢轨的内侧工作面进行铣削，所述垂直移动导轨(3)实现钢轨铣削装置在垂直方向上的伺服进给调整，对钢轨的顶面工作面进行铣削，使得所述钢轨铣削装置实现横向和垂向铣削，其特征在于：所述左单元与右单元对称设置在钢轨的左右两侧位置，所述左单元对左侧钢轨进行铣削，所述右单元对右侧钢轨进行铣削，所述左单元与右单元的形式与控制系统完全对称；

所述左单元包括铣刀盘(6)、激光扫描组件、压靴(8)、同步带(5)、主轴箱(7)以及主轴电机(4)，所述主轴箱(7)的端面外侧安装有铣刀盘(6)，所述铣刀盘(6)对钢轨直接铣削，且通过控制系统控制水平移动以及垂直移动，所述主轴箱(7)上远离铣刀盘(6)的一侧设置有同步带(5)，使得所述主轴电机(4)通过同步带(5)带动铣刀盘(6)旋转工作，所述主轴电机(4)与同步带(5)之间还设置有减速箱，所述铣刀盘(6)远离主轴箱(7)的一侧端面下方安装有激光扫描组件，所述激光扫描组件对钢轨进行非接触式测量，所述主轴箱(7)的下端面设置有压靴(8)，所述压靴(8)对钢轨铣削装置进行辅助支撑。

2.根据权利要求1所述的一种基于软件靴的钢轨铣削作业装置，其特征在于：所述激光扫描组件包括铣前激光测量系统(9)以及铣后激光测量系统(10)，所述铣前激光测量系统(9)对铣削前的钢轨进行扫描测量，所述铣后激光测量系统(10)对铣削后的钢轨进行扫描测量。

3.根据权利要求2所述的一种基于软件靴的钢轨铣削作业装置，其特征在于：所述铣前激光测量系统(9)包括铣前垂向激光扫描仪(91)以及铣前横向激光扫描仪(92)，所述铣前垂向激光扫描仪(91)对钢轨的顶面进行测量，所述铣前横向激光扫描仪(92)对钢轨的内侧工作面进行测量，并通过测量系统得出铣前钢轨的轮廓数据；所述铣后激光测量系统(10)包括铣后垂向激光扫描仪(101)以及铣后横向激光扫描仪(102)，所述铣后垂向激光扫描仪(101)对钢轨的顶面进行测量，所述铣后横向激光扫描仪(102)对钢轨的内侧工作面进行测量，并通过测量系统得出铣后钢轨的轮廓数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于软件靴的钢轨铣削作业装置，其特征在于：该钢轨铣削装置还包括作业速度控制系统，所述作业速度控制系统包括钢轨铣磨车转架(11)以及作业测速机构，所述作业测速机构测量车辆的实时走行速度以及累计走行距离，并通过测速轮(12)压紧轨面对作业速度、距离数据进行实时高精度测量，将其反馈至作业速度控制系统。

5.一种基于软件靴的钢轨铣削作业的控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤1：传感器及标定；

步骤2：装置跟随控制策略；

步骤3：铣削作业不同阶段下传感器目标值；

步骤4：基于软件靴的钢轨铣削作业数据处理方法；

所述步骤2：装置跟随控制策略中，钢轨铣削装置通过车体连接板与钢轨铣磨车连接，采用单边半悬挂的方式安装在车体上，在铣削作业过程中，钢轨铣削装置通过压靴和液压缸共同构成浮动恒压力系统，控制系统在正式作业前保持钢轨铣削装置在机车行进时跟随钢轨轮廓；

当钢轨铣磨车通过弯道时，控制系统控制钢轨铣削装置跟随目标钢轨变化；当钢轨铣磨车坡道行驶时，控制系统保持钢轨铣削装置与钢轨垂向距离恒定；

用于钢轨轮廓检测的激光扫描仪与钢轨铣削装置机械本体刚性连接，钢轨铣削装置实时跟随即为保持传感器测量数据V_Dst恒定，控制策略可以表达为：

P_i+1＝P_i+(V_i-V_Dst) (1)

式(1)中，P_i为i时刻的电机位置值，V_i为i时刻的传感器的位置值，P_i+1为电机i+1时刻的目标位置值；

所述步骤3：铣削作业不同阶段下传感器目标值中，对作业不同阶段的传感器跟随目标设定如下：

(1)作业跟随阶段：以装置初始位D_IniPos为跟随目标，目标值为：

V_Dst＝V₀+D_IniPos+offset (2)

(2)作业准备阶段：以作业初始位W_IniPos为跟随目标，目标值为：

V_Dst＝V₀+W_IniPos+offset (3)

(3)顺坡切入阶段：顺坡切入阶段，刀盘的切入值实时动态变化，跟随目标值为：

V_Dst＝V₀+W_Inipos+offset-Delta

式中：offset为刀偏，Depth为切深，D_IniPos为装置初始位，W_IniPos为作业初始位，Length为顺坡长度，Bias为切深偏移量，L_i为当前测速轮里程位置，L₀为开始顺坡切入时里程位置；

(4)铣削作业阶段：以设定切深Depth和切深偏移Bias为跟随目标，目标值为：

V_Dst＝V₀+offset-Depth-Bias (5)

(5)顺坡切出阶段：顺坡切出阶段与顺坡切入阶段时相对应，刀盘切入值实时动态变化，目标值为：

式中：L_i为测速轮当前里程位置，L₀为开始顺坡切出时里程位置；

所述步骤4：基于软件靴的钢轨铣削作业数据处理方法中，其方法如下所示：

(1)软件靴算法，在利用软件算法在软件靴长度范围内虚拟出一个移动靴，当检测到短的钢轨的凹陷时，软件靴可直接滑过，不做进刀处理；当检测到钢轨凸起点，软件靴做相应的抬升，并控制刀盘对钢轨进行适量的铣削；

假设设置软件靴的长度为L，铣削作业速度控制系统周期为T，铣削作业的过程中，钢轨铣磨车以低恒速行驶，速度为Vol，则在一个软件靴的长度范围内有N个点；

激光测量系统与钢轨铣削装置主轴箱为刚性连接，横向软件靴长度为L比较短，不超过100mm，可用电机位置值P_i与激光传感器的值V_i之和S_i来表达钢轨的形状轮廓：

S_i＝P_i+V_i (8)

选取软件靴的长度为L范围内的N个点中的最大值作为参考点，求取该点的软件靴值：

V_i′＝V_i+(max(S₁...S_N)-S_i) (9)

(2)铣削作业过程中，测量系统可能会有噪声引入，因此提出分组软件靴的改进算法；分组软件靴是把长度为L软件靴范围内的N个点进行分组，分成m组，求取m个组中每个组的最大值，把所有最大值记为R₁...R_m；

然后在集合R₁...R_m中求取最小值，以此来表达该点的软件靴的值：

V_i′＝V_i+(min(R₁...R_m)-S_i) (10)

引入分组软件靴算法后，对波长一定长度的短波波磨病害直接去除，所能去除的短波长度W为：

(3)平短波功能

铁标中对短波波磨病害铣后精度要求较高，因此对于一定波长W内的钢轨短波波磨病害，算法提出动态调整分组软件靴算法的组数m的思路，以保证波长小于长度为W的凸起钢轨缺陷直接铣削切除：

(4)惯性约束

为防止铣削过程中发生进刀量突变，从而影响铣削的平顺性精度，软件靴算法在在分组软件靴的基础上，引入惯性约束：

V_i″＝α×V_t′+(1-α)×V_i-1′ (13)

α越小，惯量越大，V_i″越平缓，得到的V_i″用于钢轨铣削控制，式(1)就变为：

P_i+1＝P_i+(V_i″-V_Dst) (14);

所述步骤1：传感器及标定中，在设备出厂前，完成传感器及控制系统标定，标定的传感器的数据记为V₀、电机导轨丝杠的读数记为P₀。