无砟轨道板精调系统及其精调方法

摘要

本发明公开了自动控制技术领域中的一种无砟轨道板精调系统及其精调方法。系统包括顺序相连的全站仪、工控机、可编程控制器、伺服电机驱动器和伺服电机精调器；方法是全站仪测量无砟轨道板的当前方位和偏移量，并发送给工控机；工控机辨识无砟轨道板的位姿，并计算无砟轨道板的调整量，然后发送给可编程控制器；可编程控制器产生脉冲信号，并发送给伺服电机驱动器；伺服电机驱动器产生控制信号并发送给伺服电机精调器；伺服电机精调器带动精调器螺母套筒旋转并控制旋转的转数。本发明提高了轨道板铺设的效率和精确度。

说明书

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种无砟轨道板精调系统及其精调方法。

背景技术

目前，对于高速铁路无砟轨道板的精调作业，国内外均采取仪器测量加手工调整的方式。图1是轨道板示意图，图1中的轨道板1的下方总共有三对精调爪支撑，轨道板1两端的两对精调爪2为A型精调爪，轨道板1中间的一对精调爪3为B型精调爪。图2是精调爪结构图，其中，(a)是A型精调爪结构图，(b)是B型精调爪结构图。图2中，对于无砟轨道板的精调作业，通过调整A型精调爪的调整螺母5调节轨道板的上下位置和左右位置，和/或通过调整B型精调爪的调整螺母5调节轨道板的上下位置实现。在进行调节前，需要使用全站仪测量轨道板棱镜架4上的棱镜5的坐标，并由操作人员根据测得的坐标，调节精调爪，完成轨道板的精调作业。这种精调方式劳动强度大、铺设效率低、且铺设质量完全取决于操作人员的经验和熟练程度，施工精度受到了限制。设计一种无砟轨道板精调系统，对高速铁路无砟轨道板进行自动、精细作业，有利于提高无砟轨道板铺设质量和铺设效率。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种无砟轨道板精调系统及其精调方法，用于解决目前高速铁路无砟轨道板铺设作业劳动强度大、铺设效率低、铺设质量难以满足要求的问题。

技术方案是，一种无砟轨道板精调系统，其特征是所述系统包括顺序相连的全站仪、工控机、可编程控制器、伺服电机驱动器和伺服电机精调器；

所述伺服电机精调器包括顺序连接的伺服电机、第一连接头、减速器、第二连接头、精调器螺母套筒杆和精调器螺母套筒；

所述全站仪用于测量无砟轨道板的当前方位和偏移量，并将测得的当前方位和偏移量发送给工控机；

所述工控机用于根据无砟轨道板的当前方位和偏移量辨识无砟轨道板的位姿，并根据无砟轨道板的位姿计算无砟轨道板的调整量，然后将计算出无砟轨道板的调整量发送给可编程控制器；

所述可编程控制器用于根据无砟轨道板的调整量产生脉冲信号，并将脉冲信号发送给伺服电机驱动器；

所述伺服电机驱动器用于根据获得的脉冲信号和自身设定参数，产生控制信号并发送给伺服电机精调器；

伺服电机精调器用于根据控制信号带动精调器螺母套筒旋转并控制旋转的转数。

所述减速器为精密行星减速器。

一种无砟轨道板精调方法，其特征是所述方法包括：

步骤101：将伺服电机精调器的精调器螺母套筒对准套入无砟轨道板的一对精调爪的调整螺母；

步骤102：利用全站仪测量无砟轨道板的当前方位和偏移量，并将测得的当前方位和偏移量发送给工控机；

步骤103：工控机根据接收到的无砟轨道板的当前方位和偏移量，辨识无砟轨道板的位姿，并根据无砟轨道板的位姿计算无砟轨道板的调整量，然后将计算出无砟轨道板的调整量发送给可编程控制器；

步骤104：可编程控制器根据无砟轨道板的调整量产生脉冲信号，并将脉冲信号发送给伺服电机驱动器；

步骤105：伺服电机驱动器用于根据获得的脉冲信号和自身设定参数，产生控制信号并发送给伺服电机精调器；

步骤106：伺服电机精调器用于根据控制信号带动精调器螺母套筒旋转并控制旋转的转数；

步骤107：利用全站仪测量无砟轨道板的调整后的方位；

步骤108：判断定位精度是否满足要求，如果是，则对下一对精调爪进行调整；否则，返回步骤102，重复步骤102～108。

所述自身设定参数包括控制模式和电子齿轮比例数。

所述判断定位精度是否满足要求具体是，利用全站仪计算无砟轨道板的平面度，当平面度小于等于设定值时，则判断定位精度满足要求。

本发明通过精调系统实施无砟轨道板精调作业，提高了轨道板铺设的效率和精确度。

附图说明

图1是轨道板示意图；

图2是精调爪结构图；其中，(a)是A型精调爪结构图，(b)是B型精调爪结构图；

图3是无砟轨道板精调系统结构图；

图4是伺服电机精调器结构图；

图5是无砟轨道板精调方法流程图；

图6是无砟轨道板的偏移量测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图3是无砟轨道板精调系统结构图。图3中，无砟轨道板精调系统包括顺序相连的全站仪、工控机、可编程控制器、伺服电机驱动器和伺服电机精调器。

全站仪用于测量无砟轨道板的当前方位和偏移量，并将测得的当前方位和偏移量发送给工控机。

工控机用于根据无砟轨道板的当前方位和偏移量辨识无砟轨道板的位姿，并根据无砟轨道板的位姿计算无砟轨道板的调整量，然后将计算出无砟轨道板的调整量发送给可编程控制器。

可编程控制器用于根据无砟轨道板的调整量产生脉冲信号，并将脉冲信号发送给伺服电机驱动器。

伺服电机驱动器用于根据获得的脉冲信号和自身设定参数，产生控制信号并发送给伺服电机精调器。

伺服电机精调器用于根据控制信号带动精调器螺母套筒旋转并控制旋转的转数。

图4是伺服电机精调器结构图，图4中，伺服电机精调器包括顺序连接的伺服电机7、第一连接头8、减速器9、第二连接头10、精调器螺母套筒杆11和精调器螺母套筒12。为了便于手持操作，伺服电机精调器还包括手柄13。

伺服电机精调器的减速器优选为精密行星减速器。

图5是无砟轨道板精调方法流程图。图5中，无砟轨道板精调方法包括下列步骤：

步骤101：将伺服电机精调器的精调器螺母套筒对准套入无砟轨道板的一对精调爪的调整螺母。

伺服电机精调器的精调器螺母套筒用于套入无砟轨道板的精调爪的调整螺母。实施过程中，对无砟轨道板同侧或者中间的一对精调爪同时进行调整。精调器螺母套筒会在伺服电机的控制下旋转设定的圈数，并带动精调爪的调整螺母旋转设定圈数。

步骤102：利用全站仪测量无砟轨道板的当前方位和偏移量，并将测得的当前方位和偏移量发送给工控机。

无砟轨道板上共有6个棱镜，每个精调爪附近会有一个棱镜，用于测量无砟轨道板的方位和偏移量。利用全站仪测量无砟轨道板上6个棱镜的空间直角坐标，并将其转换为角度坐标。

图6是无砟轨道板的偏移量测量示意图，图6中，在获得6个棱镜的角度坐标后，利用全站仪测量无砟轨道板的偏移量，其过程是用已调整好的另一块无砟轨道板上的2个棱镜作为基准参考点，对已得到的无砟轨道板上6个棱镜的角度坐标进行校核，得到无砟轨道板的偏移量。上述计算过程全部在全站仪中进行。

步骤103：工控机根据接收到的无砟轨道板的当前方位和偏移量，辨识无砟轨道板的位姿，并根据无砟轨道板的位姿计算无砟轨道板的调整量，然后将计算出无砟轨道板的调整量发送给可编程控制器。

以无砟轨道板的中心建立连体坐标系，无砟轨道板两端的4个棱镜角度坐标可以表示为

$p_1=\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\\ 1\end{array}\right),$$p_2=\left(\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\\ z_2\\ 1\end{array}\right),$$p_3=\left(\begin{array}{c}{x}_3\\ y_3\\ z_3\\ 1\end{array}\right),$$p_4=\left(\begin{array}{c}{x}_4\\ y_4\\ z_4\\ 1\end{array}\right);$

设全站仪测得的偏移量为Δp₁、Δp₂、Δp₃、Δp₄，则实测棱镜坐标应为Δp₁+p₁、Δp₂+p₂、Δp₃+p₃、Δp₄+p₄

那么有如下方程：

Δp₁+p₁＝Tp₁

Δp₂+p₂＝Tp₂

Δp₃+p₃＝Tp₃

Δp₄+p₄＝Tp₄    (1)

式中T为旋转矩阵，根据此方程可以将矩阵T求解得到，即得到了轨道板的位姿。

假设在无砟轨道板坐标系里，欲调整的最终坐标为q₁、q₂、q₃、q₄，设当无砟轨道板处于理想位置时调整点的偏移量为Δq₁、Δq₂、Δq₃、Δq₄，则有如下方程

Δq₁+q₁＝Tq₁

Δq₂+q₂＝Tq₂

Δq₃+q₃＝Tq₃

Δq₄+q₄＝Tq₄    (2)

求解方程得到Δq₁、Δq₂、Δq₃、Δq₄，那么各调整点需要的调整量为-Δq₁、-Δq₂、-Δq₃、-Δq₄。由于前进方向的坐标误差影响很小，且不需要调整，因此只取调整量的y、z分量进行调整即可。

步骤104：可编程控制器根据无砟轨道板的调整量产生脉冲信号，并将脉冲信号发送给伺服电机驱动器。

可编程控制器根据无砟轨道板的调整量(具体是y、z方向上的分量)，产生脉冲信号。

步骤105：伺服电机驱动器用于根据获得的脉冲信号和自身设定参数，产生控制信号并发送给伺服电机精调器。

在本实施例中，使用北京意美德科技发展有限公司的SED系列的伺服电机驱动器。该系列伺服电机驱动器自身设定参数包括控制模式和电子齿轮比例数。控制模式用于设定伺服电机驱动器的工作方式，在本实施例中，设定为“位置”方式，其对应的设定值为‘1’。这样设定后，该伺服电机驱动器会以输入脉冲信号为指令进行运转。电子齿轮比决定电机转动圈数对应的控制信号个数，其具体关系式如下：

经过上述设定，产生控制伺服电机精调器的控制信号。

步骤106：伺服电机精调器用于根据控制信号带动精调器螺母套筒旋转并控制旋转的转数。

伺服电机精调器的伺服电机根据控制信号带动精调器螺母套筒旋转，并由此带动精调爪的调整螺母旋转设定圈数，从而实现无砟轨道板的位置精调。

步骤107：利用全站仪测量无砟轨道板的调整后的方位。

步骤108：判断定位精度是否满足要求，如果是，则对下一对精调爪进行调整；否则，返回步骤102，重复步骤102～108。

判断定位精度是否满足要求具体是，利用全站仪计算无砟轨道板的平面度，判断平面度是否满足CRTS II轨道板施工设计要求，即空间定位精度要小于等于0.3毫米的要求，如果定位精度要小于等于0.3毫米，则判断定位精度满足要求。否则，返回步骤102，重复步骤102～108。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。