一种磨粒水射流钢轨打磨喷嘴姿态控制系统及方法与流程

1.本发明属于磨粒水射流钢轨修复技术领域，更具体地，涉及一种磨粒水射流钢轨打磨喷嘴姿态控制系统及方法。


背景技术：

2.钢轨是轨道交通的主要部件。由于列车的动力作用、自然环境和钢轨本身质量等原因，钢轨经常会出现各种各样的损伤，降低列车运行平稳性，造成钢轨使用寿命减少，甚至严重影响行车安全。因此及时对钢轨伤损进行修复至关重要。
3.高压磨料水射流技术由于其具有加工效率高，结构简单，方便控制，环境友好等优点，在切割，钻孔等方面应用广泛，故将高压磨料射流技术运用到钢轨打磨修复中具有较好的应用前景。由于钢轨每处损伤不尽相同，随着修复次数的增加，不同钢轨截面尺寸会出现明显的不同，在行驶过程中不同，列车各部分相对钢轨轨枕距离不完全相同，射流喷嘴难以实现精准定位。
4.因此，急需一种能够快速实现射流喷嘴精准定位的磨粒水射流钢轨打磨喷嘴姿态控制系统来解决现有技术的不足。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种磨粒水射流钢轨打磨喷嘴姿态控制系统及方法，通过激光测距传感器组件对打磨列车行驶过程中不同截面钢轨的轨顶高度数据进行快速采集，并通过计算控制中心对采集数据进行处理，对不同截面钢轨打磨理想轮廓尺寸进行计算，从而实现不同钢轨截面射流喷嘴目标空间位置的即时计算；通过陀螺仪和机械臂对射流喷嘴空间状态进行精确定位，并结合射流喷嘴目标空间位置进行路径规划，使用机械臂驱动单元驱动机械臂并带动射流喷嘴快速到达目标空间位置执行打磨工作；解决了现有钢轨打磨中不同钢轨截面尺寸会出现明显的不同，在打磨车行驶过程中各部分相对钢轨轨枕距离不完全相同，射流喷嘴难以实现精准定位的问题。
6.为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种磨粒水射流钢轨打磨喷嘴姿态控制系统，包括设于待打磨钢轨上方的打磨车，设于所述打磨车内的计算控制单元、射流发生单元和机械臂驱动单元，设于所述打磨车下表面的激光测距传感器组件和喷嘴控制单元；其中，
7.所述射流发生单元、所述机械臂驱动单元、所述激光测距传感器组件以及所述喷嘴控制单元分别与所述计算控制单元通信连接；
8.所述喷嘴控制单元包括设于所述机械臂驱动单元下面的机械臂、设于所述机械臂上的射流喷嘴和陀螺仪；
9.所述射流喷嘴通过射流管和所述射流发生单元连接；
10.通过所述激光测距传感器组件对所述打磨车行驶过程中不同截面所述钢轨的轨顶高度数据进行快速采集，并通过所述计算控制中心对采集数据进行处理，对不同截面所
述钢轨的打磨理想轮廓尺寸进行计算，从而实现不同钢轨截面所述射流喷嘴目标空间位置的即时计算；通过所述陀螺仪和所述机械臂对所述射流喷嘴的空间状态进行精确定位，并结合所述射流喷嘴的目标空间位置进行路径规划，通过所述机械臂驱动单元驱动所述机械臂并带动所述射流喷嘴快速到达目标空间位置执行打磨工作。
11.进一步地，所述射流发生单元与所述计算控制单元之间设有射流发生系统电源控制线，通过所述射流发生系统电源控制线实现所述射流发生单元与所述计算控制单元的通信连接；
12.所述机械臂驱动单元与所述计算控制单元之间设有机械臂电源信号线，通过所述机械臂电源信号线实现所述机械臂驱动单元与所述计算控制单元的通信连接；
13.所述陀螺仪和所述计算控制单元之间设有陀螺仪电源信号线，通过所述陀螺仪电源信号线实现所述陀螺仪和所述计算控制单元的通信连接。
14.进一步地，所述激光测距传感器组件包括间隔设于所述打磨车下表面的第一激光测距传感器和第二激光测距传感器；
15.所述第一激光测距传感器和所述计算控制单元之间设有第一激光测距传感器电源信号线，通过所述第一激光测距传感器电源信号线实现所述第一激光测距传感器和所述计算控制单元的通信连接；
16.所述第二激光测距传感器和所述计算控制单元之间设有第二激光测距传感器电源信号线，通过所述第二激光测距传感器电源信号线实现所述第二激光测距传感器与所述计算控制单元的通信连接。
17.进一步地，所述钢轨设于钢轨轨枕上；
18.所述第一激光测距传感器设于所述钢轨轨枕的中心正上方，用于实时测量所述打磨车与所述钢轨轨枕的距离h1，并通过所述第一激光测距传感器电源信号线将所述距离h1数据传送至所述计算控制中心；
19.所述第二激光测距传感器设于所述钢轨的轨顶中心正上方，用于实时测量所述打磨车与所述钢轨的轨顶之间的距离h2，并通过所述第二激光测距传感器电源信号线将所述距离h2数据传送至所述计算控制中心。
20.进一步地，所述机械臂从打磨车内伸出，所述射流喷嘴安装在机械臂的前端套筒内，所述陀螺仪安装在所述机械臂的前端套筒上。
21.本发明的另一个方面提供一种磨粒水射流钢轨打磨喷嘴姿态控制方法，包括如下步骤：
22.s1：分别对所述机械臂的坐标系及自身姿态、第一激光测距传感器、第二激光测距传感器以及所述陀螺仪进行标定和零点漂移补偿；
23.s2：计算控制中心根据所述钢轨的标准廓形，对比钢轨标准尺寸和所述钢轨的实测轨顶高度，利用相似性原理，建立所述钢轨的理想轮廓尺寸；
24.s3：所述计算控制中心对比钢轨理想轮廓尺寸和实时射流切割参数，计算得到所述射流喷嘴的目标位置数据；
25.s4：所述计算控制中心分析所述陀螺仪和所述机械臂的实时状态检测数据，并通过计算得到所述射流喷嘴的实际空间位置数据；
26.s5：所述计算控制中心对所述机械臂的路径进行规划，所述机械臂驱动单元驱动
所述机械臂使所述射流喷嘴的位置由所述实际空间位置到达所述目标位置，从而实现射流喷嘴空间位置的精确控制；
27.s6：所述计算控制中心将新的实时射流切割参数传递至所述射流发生系统，所述射流发生系统产生高压磨料射流并传递至所述射流喷嘴，所述射流喷嘴将所述高压磨料射流冲击在所述钢轨上进行打磨。
28.进一步地，步骤s2中所述实测轨顶高度的得到包括以下步骤：
29.s21：在打磨车行驶过程中，通过所述第一激光测距传感器测量所述打磨车与所述钢轨轨枕的距离h1，并通过所述第一激光测距传感器电源信号线将距离h1数据传送至计算控制中心；
30.s22：通过所述第二激光测距传感器测量所述打磨车与所述钢轨轨顶的距离h2，并通过所述第二激光测距传感器电源信号线将距离h2数据传送至计算控制中心；
31.s23：所述计算控制中心通过计算得出所述钢轨的所述实测轨顶高度 h3＝h1-h2通过所述计算控制中心计算得到所述钢轨的实测轨顶高度。
32.进一步地，步骤s3中所述目标位置数据包括所述射流喷嘴距所述钢轨的距离h0、所述射流喷嘴沿所述钢轨方向转动角度α0及所述射流喷嘴与所述钢轨轨枕上表面的夹角β0。
33.进一步地，步骤s4中所述实际空间位置数据的得到包括：所述陀螺仪通过所述陀螺仪电源信号线将其检测到的实时角度数据信息传递至所述计算控制中心，所述机械臂驱动单元通过所述机械臂电源信号线将所述机械臂的实时状态信息传递至所述计算控制中心，所述计算控制中心通过计算得出所述射流喷嘴的实际空间位置数据。
34.进一步地，步骤s4中所述实际空间位置数据包括所述射流喷嘴距所述钢轨的距离h4、所述射流喷嘴沿所述钢轨方向转动角度α1及所述射流喷嘴与所述钢轨轨枕上表面的夹角β1。
35.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
36.本发明的一种磨粒水射流钢轨打磨喷嘴姿态控制系统及方法，通过激光测距传感器组件对打磨列车行驶过程中不同截面钢轨的轨顶高度数据进行快速采集，并通过计算控制中心对采集数据进行处理，对不同截面钢轨打磨理想轮廓尺寸进行计算，从而实现不同钢轨截面射流喷嘴目标空间位置的即时计算；通过陀螺仪和机械臂对射流喷嘴空间状态进行精确定位，并结合射流喷嘴目标空间位置进行路径规划，使用机械臂驱动单元驱动机械臂并带动射流喷嘴快速到达目标空间位置执行打磨工作；解决了现有钢轨打磨中不同钢轨截面尺寸会出现明显的不同，在打磨车行驶过程中各部分相对钢轨轨枕距离不完全相同，射流喷嘴难以实现精准定位的问题。
附图说明
37.图1为本发明实施例一种磨粒水射流钢轨打磨喷嘴姿态控制系统的结构示意图；
38.图2为本发明实施例一种磨粒水射流钢轨打磨喷嘴姿态控制系统的射流喷嘴控制结构局部放大示意图；
39.图3为本发明实施例一种磨粒水射流钢轨打磨喷嘴姿态控制方法的作业流程图。
40.在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-钢轨、11-钢轨轨枕、2-打磨车、3-计算控制中心、4-射流发生单元、41-射流发生系统电源信号线、42-射流管、5-机械臂驱动单元、51-机械臂电源信号线、6-激光测距传感器组件、61-第一激光测距传感器、611-第一激光测距传感器电源信号线、62-第二激光测距传感器、621-第二激光测距传感器电源信号线、7-喷嘴控制单元、71-机械臂、72-射流喷嘴、73-陀螺仪、 731-陀螺仪电源信号线。
具体实施方式
41.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，当元件被称为“固定于”、“设置于”或“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上；术语“安装”、“相连”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.此外，术语“第一”、“第二”......仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”......的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
45.如图1-图3所示，本发明提供一种磨粒水射流钢轨打磨喷嘴姿态控制系统，包括设于待打磨钢轨1上方的打磨车2，设于所述打磨车2内的计算控制单元3、射流发生单元4和机械臂驱动单元5，设于所述打磨车2下表面的激光测距传感器组件6和喷嘴控制单元7；所述钢轨1设于钢轨轨枕 11上；所述射流发生单元4、所述机械臂驱动单元5、所述激光测距传感器组件6以及所述喷嘴控制单元7分别与所述计算控制单元3通信连接；所述喷嘴控制单元7包括设于所述机械臂驱动单元5下面的机械臂71、设于所述机械臂71上的射流喷嘴72和陀螺仪73；所述射流喷嘴72通过射流管 42和所述射流发生单元4连接；本发明通过激光测距传感器组件对打磨列车行驶过程中不同截面钢轨的轨顶高度数据进行快速采集，并通过计算控制中心对采集数据进行处理，对不同截面钢轨打磨理想轮廓尺寸进行计算，从而实现不同钢轨截面射流喷嘴目标空间位置的即时计算；通过陀螺仪和机械臂对射流喷嘴空间状
态进行精确定位，并结合射流喷嘴目标空间位置进行路径规划，使用机械臂驱动单元驱动机械臂并带动射流喷嘴快速到达目标空间位置执行打磨工作；解决了现有钢轨打磨中不同钢轨截面尺寸会出现明显的不同，在打磨车行驶过程中各部分相对钢轨轨枕距离不完全相同，射流喷嘴难以实现精准定位的问题。
46.进一步地，如图1和图2所示，所述射流发生单元4与所述计算控制单元3之间设有射流发生系统电源控制线41，通过所述射流发生系统电源控制线41实现所述射流发生单元4与所述计算控制单元3的通信连接；所述机械臂驱动单元5与所述计算控制单元3之间设有机械臂电源信号线51，通过所述机械臂电源信号线51实现所述机械臂驱动单元5与所述计算控制单元3的通信连接。
47.进一步地，如图1和图2所示，所述激光测距传感器组件6包括间隔设于所述打磨车1下表面的第一激光测距传感器61和第二激光测距传感器 62；所述第一激光测距传感器61和所述计算控制单元3之间设有第一激光测距传感器电源信号线611，所述第二激光测距传感器62和所述计算控制单元3之间设有第二激光测距传感器电源信号线621，通过所述第一激光测距传感器电源信号线611和所述第二激光测距传感器电源信号线621实现所述第一激光测距传感器61和所述第二激光测距传感器62与所述计算控制单元3的通信连接；所述第一激光测距传感器61设于所述钢轨轨枕11 的中心正上方；所述第二激光测距传感器62设于所述钢轨1的轨顶中心正上方；所述第一激光测距传感器61用于实时测量所述打磨车1与所述钢轨轨枕11的距离h1，并通过所述第一激光测距传感器电源信号线611将所述距离h1数据传送至所述计算控制中心3；所述第二激光测距传感器62用于实时测量所述打磨车1与所述钢轨1的轨顶之间的距离h2，并通过所述第二激光测距传感器电源信号线621将所述距离h2数据传送至所述计算控制中心3；所述计算控制中心3通过计算得出所述钢轨1的轨顶高度h3＝h1-h2，并根据钢轨的标准廓形对比所述钢轨1的标准尺寸h和实测轨顶高度h3，利用相似性原理建立所述钢轨1的理想轮廓尺寸。
48.进一步地，如图1和图2所示，所述机械臂71从打磨车2内伸出，所述射流喷嘴72安装在机械臂71的前端套筒内，所述陀螺仪73安装在所述机械臂71的前端套筒上，所述陀螺仪73和所述计算控制单元3之间设有陀螺仪电源信号线731，通过所述陀螺仪电源信号线731实现所述陀螺仪 73和所述计算控制单元3的通信连接；所述射流喷嘴72通过射流管42和所述射流发生单元4连接。
49.如图3所示，本发明的另一个方面提供一种磨粒水射流钢轨打磨喷嘴姿态控制方法，包括如下步骤：
50.s1：分别对所述机械臂71的坐标系及自身姿态、所述第一激光测距传感器、所述第二激光测距传感器以及所述陀螺仪进行标定和零点漂移补偿；具体地，在每次作业前分别对机械臂的坐标系及自身姿态、第一激光测距传感器、第二激光测距传感器以及陀螺仪进行标定和零点漂移补偿，以保证机械臂的运动与激光测距传感器测量数据的精度；
51.s2：计算控制中心根据所述钢轨1的标准廓形，对比钢轨标准尺寸和所述钢轨1的实测轨顶高度，利用相似性原理，建立所述钢轨1的理想轮廓尺寸；所述实测轨顶高度的得到包括以下步骤：
52.s21：在打磨车行驶过程中，通过所述第一激光测距传感器61测量所述打磨车2与所述钢轨轨枕11的距离h1，并通过所述第一激光测距传感器电源信号线611将距离h1数据
传送至计算控制中心3；
53.s22：通过所述第二激光测距传感器62测量所述打磨车2与所述钢轨1 轨顶的距离h2，并通过所述第二激光测距传感器电源信号线621将距离h2 数据传送至计算控制中心3；
54.s23：所述计算控制中心3通过计算得出所述钢轨1的所述实测轨顶高度h3＝h1-h2通过所述计算控制中心3计算得到所述钢轨1的实测轨顶高度；
55.s3：所述计算控制中心3对比钢轨理想轮廓尺寸和实时射流切割参数，计算得出所述射流喷嘴72目标位置；具体地，所述计算控制中心3通过对比所述钢轨1理想轮廓尺寸和实时射流切割参数，并计算得出所述射流喷嘴72的目标位置数据，所述目标位置数据包括所述射流喷嘴72距所述钢轨1的距离h0、所述射流喷嘴72沿所述钢轨1方向转动角度α0及所述射流喷嘴72与所述钢轨轨枕11上表面的夹角β0；所述实时射流切割参数包括计算控制中心根据打磨理想廓形和实时检测的廓形对比计算得到的射流流速和压力。
56.s4：所述计算控制中心3分析所述陀螺仪73和所述机械臂71的实时状态检测数据，计算得出所述射流喷嘴的实际空间位置；具体地，所述陀螺仪73通过所述陀螺仪电源信号线731将其检测到的实时的角度数据信息传递至所述计算控制中心3，所述机械臂驱动单元5通过所述机械臂电源信号线51将所述机械臂71的实时状态信息传递至所述计算控制中心3，所述计算控制中心3通过计算得到所述射流喷嘴72的实际空间位置数据，所述实际空间位置数据包括所述射流喷嘴72距所述钢轨1的距离h4、所述射流喷嘴72沿所述钢轨1方向转动角度α1及所述射流喷嘴72与所述钢轨轨枕 11上表面的夹角β1；
57.s5：所述计算控制中心3对所述机械臂71的路径进行规划，所述机械臂驱动单元5驱动所述机械臂71使所述射流喷嘴72的位置由所述实际空间位置到达所述目标位置，从而实现射流喷嘴空间位置的精确控制；具体地，所述计算控制中心3对所述机械臂71的路径进行规划，由所述机械臂电源信号线51传递至所述机械臂驱动单元5，所述机械臂驱动单元5提供动力驱动机械臂71使所述射流喷嘴72的位置由所述实际空间位置到达所述目标位置，即使得所述射流喷嘴72距所述钢轨1的距离由h4到达h0, 所述射流喷嘴72沿所述钢轨1方向转动角度由α1变为α0，所述射流喷嘴 72与所述钢轨轨枕11上表面的夹角由β1变为β0；
58.s6：所述计算控制中心3将新的实时射流切割参数传递至所述射流发生系统4，所述射流发生系统4产生高压磨料射流并传递至所述射流喷嘴 72，所述射流喷嘴72将所述高压磨料射流冲击在所述钢轨1上进行打磨；具体地，所述计算控制中心3将新的实时射流切割参数通过所述射流发生系统电源信号线41传递至所述射流发生系统4，所述射流发生系统4产生高压磨料射流并通过所述射流管42传递至所述射流喷嘴72，所述射流喷嘴 72将所述高压磨料射流冲击在所述钢轨1上进行打磨。
59.本发明提供的一种磨粒水射流钢轨打磨喷嘴姿态控制系统的工作原理：本发明通过激光测距传感器组件对打磨列车行驶过程中不同截面钢轨的轨顶高度数据进行快速采集，并通过计算控制中心对采集数据进行处理，对不同截面钢轨打磨理想轮廓尺寸进行计算，从而实现不同钢轨截面射流喷嘴目标空间位置的即时计算；通过陀螺仪和机械臂对射流喷嘴空间状态进行精确定位，并结合射流喷嘴目标空间位置进行路径规划，使用机械臂驱动单元驱动机械臂并带动射流喷嘴快速到达目标空间位置执行打磨工作；解决了现有钢轨打磨中不同钢轨截面尺寸会出现明显的不同，在打磨车行驶过程中各部分相对钢轨轨枕距离不完全相同，射流喷嘴难以实现精准定位的问题。
60.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。