一种高精度钢轨仿形打磨机的闭环控制系统的制作方法

1.本发明属于铁路钢轨维护技术领域，具体涉及一种高精度钢轨仿形打磨机的闭环控制系统。


背景技术：

2.众所周知，钢轨仿形打磨机主要应用于铁路钢轨维护施工中，对焊接接头、压延毛刺、轨面修补等成型打磨作业。在钢轨打磨作业过程中，需要对一段钢轨采用不同的打磨模式，即不同的打磨角度和不同的进给量，进行往返磨削。以实现还原钢轨轨头曲面标准形状，从而保证铁道线路安全运行。
3.随着当前铁路技术的发展和机车运行速度的提升，对钢轨表面的平直度和轨头断面曲线与基准轨形的重合度要求越来越高，这就要求维护修磨设备的作业精度不断提高，以满足铁路线路提速的维护施工技术要求。现有的同类钢轨仿形打磨机进给控制系统，通常利用接近开关采集进给传动机构中链轮的运动状态信息，作为模拟信号供给控制系统识别砂轮进给机构的工作状态，因该信号取样方式无法识别进给机构的运动方向，且控制系统对进给机构运动状态的分辨率低，从而存在无法全面显示进给机构运动参数，打磨效果控制精度低等缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高精度钢轨仿形打磨机的闭环控制系统，以解决现有技术中存在的对打磨机进给机构运动状态识别、定位能力差及打磨精度低的问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：本发明提供了一种高精度钢轨仿形打磨机的闭环控制系统，该系统包括电源模块、控制模块、驱动模块、脉冲信号处理模块、数据输出接口模块和按键操作显示模块；所述控制模块分别与驱动模块、脉冲信号处理模块、数据输出接口模块和按键操作显示模块连接，所述电源模块分别与控制模块、驱动模块、脉冲信号处理模块、数据输出接口模块和按键操作显示模块连接；所述电源模块的输入端与交流电源连接。
6.进一步地，所述电源模块包括整流电路、滤波电路、稳压电路和外接充电端口，所述整流电路的输入端与交流电源连接，所述整流电路的输出端通过滤波电路与稳压电路的输入端连接，所述滤波电路的输入端连接有外接充电端口，所述稳压电路的输出端分别与控制模块、驱动模块、脉冲信号处理模块、数据输出接口模块和按键操作显示模块连接。
7.进一步地，所述稳压电路包括dc/dc转换器。
8.进一步地，所述电源模块还包括锂电池、锂电池充电电路和电源切换电路，所述稳压电路的输出端通过锂电池充电电路与锂电池连接，所述锂电池经过电源切换电路分别与控制模块、驱动模块、脉冲信号处理模块、数据输出接口模块和按键操作显示模块连接，所述电源切换电路还与稳压电路的输出端连接。
9.进一步地，所述驱动模块包括步进电机和与步进电机转子相连的编码器，所述步
进电机的电机驱动电路分别与稳压电路和控制模块连接，所述编码器的输出端通过脉冲信号处理模块与控制模块连接。
10.进一步地，所述编码器为双输出光电编码器。
11.进一步地，所述控制模块为atmega128单片机，在单片机上集成有计时电路。
12.进一步地，所述按键操作显示模块包括显示元件和操作元件，所述显示元件和操作元件均与控制模块连接，所述显示元件为点阵式液晶显示器，所述操作元件包括启动键、模式键、设置键、电源开关和操作按钮。
13.与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、本发明的高精度钢轨仿形打磨机的闭环控制系统通过双输出光电编码器获取步进电机转子运动状态（方向和角度）的信息，经脉冲信号处理模块处理后传递给控制模块，控制模块根据此信息对步进电机的运行状态进行识别和控制，与现有技术中通过接近开关采集取样信号相比，采用双输出光电编码器在相同时间内采集的取样脉冲数量是接近开关的50倍，从而使控制模块对步进电机旋转状态的分辨率提高了50倍，而步进电机的转数与磨削砂轮进给位移量成正比，因此，采用双输出光电编码器采集取样信号，可大幅度提高对钢轨轨头曲面磨削量的控制精度。并且，采用双输出光电编码器对步进电机运动状态取样，可使控制模块识别步进电机的旋转方向，由于磨削砂轮的进给运动方向受控于步进电机的旋转方向，因此，可实现对磨削砂轮进给运动姿态的控制。
14.2、本发明的电源模块中使用锂电池作为后备电源，能有效解决以汽油机为动力源的设备中，因输入的交流电压大幅波动对电源电路造成瞬间失电的不利影响。
15.3、本发明配置点阵式液晶显示器的按键操作显示模块，能使操作人员直观全面的掌控钢轨仿形打磨机的运行状态和作业效果，进一步提高了钢轨仿形打磨机操作和维护的方便性。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明实施例的高精度钢轨仿形打磨机的闭环控制系统的结构框图；图2是本发明实施例的高精度钢轨仿形打磨机的闭环控制系统的电源模块电路原理图；图3是本发明实施例的高精度钢轨仿形打磨机的闭环控制系统的电路原理图。
具体实施方式
18.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
19.如图1和图3所示，本实施例的高精度钢轨仿形打磨机的闭环控制系统，该系统包括电源模块、控制模块、驱动模块、脉冲信号处理模块、数据输出接口模块和按键操作显示模块；所述控制模块分别与驱动模块、脉冲信号处理模块、数据输出接口模块和按键操作显
示模块连接，所述电源模块分别与控制模块、驱动模块、脉冲信号处理模块、数据输出接口模块和按键操作显示模块连接，实现对其他模块的供电。电源模块的输入端与汽油机输出的交流电源连接。
20.如图2所示，电源模块包括整流电路、滤波电路、稳压电路和外接充电端口，整流电路的输入端与交流电源连接，整流电路的输出端通过滤波电路与稳压电路的输入端连接，滤波电路的输入端连接有外接充电端口，稳压电路的输出端分别与控制模块、驱动模块、脉冲信号处理模块、数据输出接口模块和按键操作显示模块连接，为其他模块提供稳定电源。其中稳压电路还包括dc/dc转换器，dc/dc转换器的增加可以有效满足系统运行时内部模块对多种电源的需求。
21.如图2所示，电源模块还包括锂电池、锂电池充电电路和电源切换电路，稳压电路的输出端通过锂电池充电电路与锂电池连接，锂电池经过电源切换电路分别与控制模块、驱动模块、脉冲信号处理模块、数据输出接口模块和按键操作显示模块连接，其中电源切换电路还与稳压电路的输出端连接。
22.交流电源为由钢轨仿形打磨机的动力装置汽油机驱动的交流发电机，交流发电机转子转速与汽油机动力输出轴转速同步，由于汽油机启动后需要在怠速或不同作业转速下运转，交流发电机在做切割磁力线运动时所产生的交流电动势也将随之变化，即当汽油机运转过快时，交流发电机输出的电压也较高，汽油机运转较慢时，交流发电机输出的电压也较低，当交流发电机输出电压波动量超出稳压电路输入限定范围值时，稳压电路将无法正常工作，其输出电压会出现较大波动，从而造成控制模块逻辑运算紊乱及驱动模块、按键操作显示模块运行失常。为了克服这一缺陷，本实施例在原有的电源模块上增加了锂电池，作为后备电源，当因汽油机运动过快而产生较高的电压时，过多的电量为锂电池充电，当因汽油机运转过慢而产生较低的电压时，锂电池为控制模块和按键操作显示模块等模块供电，锂电池的增加有效解决了因汽油机转速变化导致的控制系统工作电压不稳定问题。当然，锂电池可以通过汽油机驱动的交流发电机充电，也可以通过外接充电端口外接电源充电。控制系统通过电源切换电路可以在使用稳压电路供电和锂电池供电二者之间进行切换。
23.驱动模块包括步进电机和与步进电机转子相连的编码器，所述步进电机的电机驱动电路分别与稳压电路和控制模块连接，所述编码器的输出端通过脉冲信号处理模块与控制模块连接。优选的，编码器为双输出光电编码器。通过安装在步进电机轴端的双输出光电编码器，使控制形成闭环控制系统，对磨削砂轮移动的位移控制精度达到0.01mm的精度，从而保证了对磨削砂轮运动状态及钢轨轨头曲面磨削量的精确控制。
24.控制模块为atmega128单片机，单片机易于从市场获得，成本低；在单片机上集成有计时电路，在正常运行的铁路线路上进行维护作业时，作业时间是需要严格控制的，计时电路的设计便于作业人员随时掌握钢轨仿形打磨机工作时间，对提高施工作业的安全性具有重要意义，并且，准确记录钢轨仿形打磨机的实际作业时间，也为设备的后期维护和管理提供了方便。
25.按键操作显示模块包括显示元件和操作元件，所述显示元件和操作元件均与控制模块连接，所述显示元件为128*64点阵式液晶显示器，所述操作元件包括启动键、模式键、设置键、电源开关和操作按钮。操作人员启动汽油机后闭合电源开关，然后通过操作启动键启动控制系统运行，通过模式键和设置键设置钢轨仿形打磨机作业模式和磨削进给量，操
纵操作按钮对钢轨实施磨削作业。显示模块为点阵式液晶显示器，采用点阵式液晶显示器作为人机交互界面，可以为操作人员提供更多的磨削砂轮作业状态信息参数，人机交互界面可以使操作人员了解进给机构的作业模式、点动进给位移量设定值、磨削砂轮的空间位置、位移方向、作业时间，方便了操作人员随时掌控钢轨仿形打磨机的作业状态。与数码管或字符型液晶显示相比，点阵式液晶显示器可根据实际需要设计显示格式，显示信息更丰富和灵活。
26.数据输出接口模块可以将设备信息和工作参数保存到u盘，用于上位机设备管理。
27.本发明利用汽油机驱动的交流发电机输出的交流电源作为控制系统的输入电源，锂电池作为后备电源，由atmega128单片机控制步进电机运行，同时处理安装于步进电机轴端的双输出光电编码器反馈的脉冲信号，使步进电机驱动系统形成一个闭环控制系统，用于钢轨仿形打磨机的控制。
28.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
29.最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。