徐濟(jì)松,張世紅,高春雷,王發(fā)燈,游彥輝
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081)
道岔作為鐵路的核心要素之一,其加工質(zhì)量直接影響鐵路的總體運(yùn)能和安全性[1]。與正線鋼軌相比,岔區(qū)鋼軌結(jié)構(gòu)和承載方式有所差異。因此,在道岔鋼軌銑削過(guò)程中,強(qiáng)化加工工藝的同時(shí),應(yīng)采用科學(xué)的檢測(cè)技術(shù)和手段,嚴(yán)格控制和管理道岔鋼軌的斷面尺寸參數(shù)[2]。目前,國(guó)內(nèi)道岔裝備廠家對(duì)道岔鋼軌的加工主要采用數(shù)控龍門(mén)鏜銑床進(jìn)行,道岔鋼軌的銑削精度主要依賴銑床及控制系統(tǒng)的精度[3-5]。
本文針對(duì)B1-297 型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床,利用鋼軌輪廓在線檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)控算法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估,對(duì)提高道岔鋼軌銑削質(zhì)量的可行性進(jìn)行探討。
B1-297型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床是集機(jī)、電、液等先進(jìn)技術(shù)于一體的高效多功能的大型定梁式數(shù)控龍門(mén)鏜銑床,適用于加工各種高碳鋼材料的鋼軌,包括鐵路道岔的各種尖軌、基本軌、翼軌和心軌。該設(shè)備為固定橫梁式工作臺(tái)移動(dòng)龍門(mén)鏜銑床,在固定的橫梁上設(shè)置2套加工單元,配置有2個(gè)大功率、交流調(diào)速的立式鏜銑頭。使用1個(gè)主軸(SP軸)和3個(gè)方向的進(jìn)給軸:SP軸——鏜銑頭作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);進(jìn)給軸x——工作臺(tái)在床身上沿導(dǎo)軌作前后縱向運(yùn)動(dòng);進(jìn)給軸y——溜板在橫梁上沿導(dǎo)軌作左右橫向運(yùn)動(dòng);進(jìn)給軸z——滑枕在溜板上沿導(dǎo)軌作上下垂直運(yùn)動(dòng),其中滑枕截面尺寸為500 mm×500 mm。
該龍門(mén)鏜銑床數(shù)控系統(tǒng)采用SIEMENS公司原裝進(jìn)口的SINUMERIK-840D系統(tǒng)[6],PLC裝置采用SIMATIC S7-300PLC。其中,主軸和進(jìn)給軸控制模塊均采用SIEMENS公司生產(chǎn)的SIMODRIVE 611D全數(shù)字式驅(qū)動(dòng)模塊,各驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用SIEMENS公司生產(chǎn)的交流數(shù)字式伺服電機(jī)。龍門(mén)鏜銑床軸參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 龍門(mén)鏜銑床軸參數(shù)
主軸SP 和進(jìn)給軸x定向裝置采用德國(guó)SIEMENS公司生產(chǎn)的6FX20018AJ05 型和6FX20018RA051G 型磁圓環(huán)編碼盤(pán),進(jìn)給軸y,z位置檢測(cè)元件均采用德國(guó)HEIDENHAIN 公司原裝進(jìn)口的金屬直線LB382C 光柵尺。進(jìn)給軸y,z采用全閉環(huán)控制,而進(jìn)給軸x采用雙檢測(cè)雙反饋半閉環(huán)控制。
當(dāng)前檢測(cè)方案如圖1所示。
圖1 當(dāng)前檢測(cè)方案
2.2.1 硬件配置
鏜銑床數(shù)控系統(tǒng)控制單元為NCU(Numerical Control Unit)模塊[7]。其中:X122 接口為 MPI(Multi Point Interface)通訊接口,波特率為187.5 kB/s,可通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊[8-10]?,F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)軟硬件設(shè)置和調(diào)試后,已通過(guò)X122接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
道岔鋼軌銑削質(zhì)量?jī)?yōu)化方案硬件由鋼軌輪廓在線檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)2 部分組成,如圖2所示。鋼軌輪廓在線檢測(cè)系統(tǒng)是在鏜銑床的2個(gè)滑枕上分別安裝1 套二維移動(dòng)裝置,根據(jù)加工道岔規(guī)格尺寸的不同可調(diào)整水平和垂直2個(gè)方向的位置。二維移動(dòng)裝置上安裝2 個(gè)二維激光掃描傳感器,在線掃描道岔鋼軌斷面輪廓參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)終端、數(shù)據(jù)處理中心、轉(zhuǎn)換模塊、840D數(shù)控中心組成。
圖2 道岔鋼軌銑削質(zhì)量?jī)?yōu)化方案硬件組成
2.2.2 銑削過(guò)程優(yōu)化方案
銑削過(guò)程優(yōu)化方案如圖3所示。在道岔鋼軌銑削加工過(guò)程中,首先由鋼軌輪廓在線檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)道岔鋼軌銑削斷面進(jìn)行檢測(cè),包括道岔鋼軌軌頭寬度、軌底寬度、斷面輪廓尺寸等參數(shù)。然后利用數(shù)據(jù)處理中心對(duì)道岔鋼軌的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和處理,并在數(shù)據(jù)終端上顯示分析結(jié)果,模擬優(yōu)化加工控制參數(shù),對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行模擬計(jì)算和修正。最后將鋼軌斷面加工過(guò)程中的控制參數(shù)調(diào)整后反饋給鏜銑床數(shù)控系統(tǒng),進(jìn)行加工。
圖3 銑削過(guò)程優(yōu)化方案
以B1-297 型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床在線銑削CNR6403型60 kg/m 鋼軌18 號(hào)單開(kāi)道岔曲線尖軌(應(yīng)用在無(wú)砟軌道)為例,對(duì)鋼軌銑削質(zhì)量檢測(cè)方案進(jìn)行驗(yàn)證。
為了檢驗(yàn)CNR6403型鋼軌加工精度,在銑削過(guò)程中對(duì)鋼軌控制斷面進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容主要包括鋼軌軌頭寬度與厚度、軌底寬度、斷面輪廓尺寸。道岔鋼軌銑削控制斷面位置及其參考尺寸如圖4所示。
圖4 道岔鋼軌銑削控制斷面位置及其參考尺寸(單位:mm)
利用鋼軌輪廓在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)道岔鋼軌銑削過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。通過(guò)智能化的檢測(cè)和數(shù)字處理技術(shù),對(duì)在線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、轉(zhuǎn)換、擬合,計(jì)算分析CNR6403 型鋼軌不同控制斷面的參數(shù)。軟件分析結(jié)果見(jiàn)圖5。
圖5 軟件分析結(jié)果
將銑削質(zhì)量模擬優(yōu)化前后計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)表2。
表2 模擬優(yōu)化前后計(jì)算結(jié)果對(duì)比 mm
由表2可見(jiàn):優(yōu)化前抽檢的B~F斷面中只有斷面D的軌頭寬度偏差在允許誤差-0.2~+0.2 mm 范圍內(nèi),其他斷面軌頭寬度偏差均超出允許范圍;優(yōu)化前B~F斷面中只有C和E斷面輪廓偏差均值在允許誤差-0.2~+0.2 mm 范圍內(nèi),其值分別為 -0.16 mm和-0.13 mm。經(jīng)模擬計(jì)算和優(yōu)化處理,優(yōu)化后B斷面軌頭寬度偏差最大,其值為+0.17 mm;D斷面輪廓偏差均值最大,其值為+0.18 mm。由此可見(jiàn),該優(yōu)化方案能有效改善鋼軌銑削質(zhì)量。
在確定能提高道岔鋼軌輪廓加工質(zhì)量的前提下,方可將優(yōu)化后的加工控制參數(shù),逐級(jí)輸入到銑削控制系統(tǒng),以保證銑削精度逐步得到提升。
本文針對(duì)道岔鋼軌銑削質(zhì)量控制探討了優(yōu)化方案的可行性。首先介紹了B1-297 型鏜銑床的主要結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng);然后闡述了當(dāng)前檢測(cè)方案,道岔鋼軌銑削質(zhì)量?jī)?yōu)化方案的硬件配置和優(yōu)化過(guò)程;最后,選取道岔鋼軌進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加工,對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:該優(yōu)化方案中硬件配置系統(tǒng)穩(wěn)定,軟件操作便利,能夠優(yōu)化加工過(guò)程,提高銑削質(zhì)量。