專利名稱：軌道板數(shù)控磨床優(yōu)化打磨方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高速鐵路建造工程，特別是涉及鋪設高速鐵路軌道板的打磨方法。
背景技術：
高速鐵路采用無砟軌道技術，將鐵軌鋪設在經(jīng)過打磨并緊密排列的軌道板上，使路面平順性能好，從而確保高速列車在設計時速下行駛不會顛簸、減少維護、降低粉塵。鋪設高速鐵路，要采用大量的軌道板，軌道板打磨利用數(shù)控磨床進行，因此軌道板的打磨成為高速鐵路工程建設中的重要方面之一。目前，利用數(shù)控磨床進行軌道板打磨時，采用了打磨量優(yōu)化技術，但是，經(jīng)過細致的數(shù)學計算發(fā)現(xiàn)優(yōu)化效果不是很理想，會出現(xiàn)打磨量不均勻等缺點，偶爾還會出現(xiàn)細微的優(yōu)化錯誤，難以適應我國高速鐵路快速發(fā)展的需要。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術利用數(shù)控磨床進行軌道板打磨所存在的問題，本發(fā)明推出了一種新的優(yōu)化打磨方法，其目的在于將大地坐標系下軌道板各點坐標值轉換為原點在軌道板一端的板內(nèi)坐標系下的坐標值，進一步提高打磨量優(yōu)化效果。本發(fā)明所涉及的原始數(shù)據(jù)來自于鐵路設計數(shù)據(jù)和數(shù)控磨床(以下簡稱打磨機)激光測量系統(tǒng)測量的初始毛坯板(打磨前的軌道板)數(shù)據(jù)。本發(fā)明所涉及的軌道板數(shù)控磨床優(yōu)化打磨方法技術步驟包括獲取軌道板標準外形描述坐標值數(shù)據(jù)、確定軌道板的板內(nèi)坐標系、計算板內(nèi)各點坐標值、獲取毛坯板坐標值、 計算板內(nèi)坐標系和毛坯板坐標系之間的角度差、上移板內(nèi)坐標系從而獲得最終優(yōu)化結果、 根據(jù)優(yōu)化結果指導磨床進行打磨。1、獲取軌道板標準外形描述坐標值數(shù)據(jù)
從鐵路設計數(shù)據(jù)文件中獲得該線路上每塊軌道板的標準外形描述坐標值數(shù)據(jù)，然后將其傳輸?shù)接嬎銠C中去。軌道板的標準外形描述坐標值數(shù)據(jù)，是軌道板鋪設完成后其承軌槽的頂點在全球坐標系中的位置，用于描述軌道板的標準外形。2、確定軌道板的板內(nèi)坐標系
由于軌道板在全球坐標系下具有不確定的原點位置、坐標軸方向，因此需針對每塊即將打磨的板都建立一個板內(nèi)坐標系，并使其標準化，即原點在板的一端，X軸平行于板縱向、Y軸平行于板橫向、Z軸垂直于板平面。3、計算板內(nèi)各點坐標值
在得到板內(nèi)坐標系后，將板內(nèi)坐標系坐標軸單位化，并獲得從大地坐標系到板內(nèi)坐標系的轉換矩陣。將所有大地坐標值都乘以這個轉換矩陣，即計算出了板內(nèi)各點坐標值。4、獲取毛坯板坐標值
毛坯板進入打磨機床后，打磨機必須先用激光測量儀對其打磨前的外形進行掃描，獲得其外形描述坐標值。
5、計算板內(nèi)坐標系和毛坯板坐標系之間的角度差
打磨優(yōu)化首先需要通過旋轉板內(nèi)坐標系消除與毛坯板坐標系之間的角度差，因此需根據(jù)毛坯板坐標值和板內(nèi)坐標值，得出板內(nèi)坐標系在毛坯板坐標系三個坐標軸方向上的旋轉角度，然后即可對板內(nèi)坐標系進行旋轉達到和毛坯板平行的效果了。6、上移板內(nèi)坐標系從而獲得最終優(yōu)化結果
上一步將板內(nèi)坐標系和毛坯板坐標系進行平行化處理后，即可通過各點坐標值之間的差額計算出兩板之間的平移距離ΔΧ、Ay、Δ z，將板內(nèi)坐標系做相應移動，即可完成整個毛坯板打磨量優(yōu)化過程。7、根據(jù)優(yōu)化結果指導磨床進行打磨
經(jīng)過上述優(yōu)化過程后，板內(nèi)坐標值和毛坯板表面各點坐標值之間的差異已經(jīng)很小，打磨機只需要根據(jù)優(yōu)化完的板內(nèi)坐標各點坐標值計算磨輪運動路徑，使磨輪依次經(jīng)過優(yōu)化完的各個板內(nèi)坐標值，即可將毛坯板打磨成符合鐵路鋪設要求的成品板，從而完成整個打磨任務。本發(fā)明所涉及的軌道板數(shù)控磨床優(yōu)化打磨方法，根據(jù)鐵路設計數(shù)據(jù)及打磨機激光測量系統(tǒng)測量的初始毛坯板數(shù)據(jù)，依據(jù)下述數(shù)學算法進行優(yōu)化處理，大大降低打磨量，提高了打磨速度，降低了磨輪損耗，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益。


圖1為本發(fā)明涉及的軌道板數(shù)控磨床優(yōu)化打磨方法總流程圖； 圖2為本發(fā)明涉及的軌道板大地坐標系轉板內(nèi)坐標系算法流程圖； 圖3為本發(fā)明涉及的大地坐標系到板內(nèi)坐標系的坐標系轉換原理圖4為本發(fā)明涉及的優(yōu)化前軌道板毛坯板各點坐標值曲線和板內(nèi)各點坐標值曲線，由圖可見兩條曲線有較大間距，即打磨量較大；
圖5為本發(fā)明涉及的優(yōu)化后軌道板毛坯板各點坐標值曲線和優(yōu)化板內(nèi)各點坐標值曲線，由圖可見兩條曲線間距已經(jīng)很小了，說明優(yōu)化后打磨量很小。
具體實施例方式結合附圖進一步說明本發(fā)明的技術方案。圖1顯示了本發(fā)明所涉及的軌道板優(yōu)化打磨方法的操作流程，如圖1所示，本發(fā)明所涉及的軌道板數(shù)控磨床優(yōu)化打磨方法技術步驟包括獲取軌道板標準外形描述坐標值數(shù)據(jù)、確定軌道板的板內(nèi)坐標系、計算板內(nèi)各點坐標值、獲取毛坯板坐標值、計算板內(nèi)坐標系和毛坯板坐標系之間的角度差、上移板內(nèi)坐標系從而獲得最終優(yōu)化結果、根據(jù)優(yōu)化結果指導磨床進行打磨。所述獲取軌道板標準外形描述坐標值數(shù)據(jù)，是指從鐵路設計數(shù)據(jù)文件中獲得該線路上每塊軌道板的標準外形描述坐標值數(shù)據(jù)(也就是每塊板鋪設完成后上面每個承軌槽的頂點在全球坐標系中的位置，通過這些坐標值數(shù)據(jù)描述軌道板的標準外形)，然后將其傳輸?shù)接嬎銠C中去。所述確定軌道板的板內(nèi)坐標系，是由于軌道板在全球坐標系下具有不確定的原點位置、坐標軸方向，因此需將原點移動到前板縫處、X軸平行于板縱向、Y軸平行于板橫向、Z 軸垂直于板平面，才可對軌道板進一步處理。前板縫即為軌道板最前端，在第一對承軌槽前長度為L2處，如圖3所示。首先要從軌道板20個坐標點數(shù)值中選取部分點，以這些點為基準來構建整個板內(nèi)坐標系。選取點的標準是它們應該各自相距較遠，這樣會避免因板局部點的誤差而擴大到整個板的范圍。我們這里選擇軌道板的P4點、P5點，和P26點作為轉換參考點，如圖3所示。在三維空間中將P5點、Pai點確定的向量設為X軸，P5點、P4點確定的向量設為Y軸，X、 Y軸右手系叉乘的結果設為Z軸，并對其進行單位化。所述根據(jù)板內(nèi)坐標系計算出板內(nèi)各點坐標值，是從上一步得到板內(nèi)坐標系后，將板內(nèi)坐標系坐標軸單位化，并獲得從大地坐標系到板內(nèi)坐標系的轉換矩陣。將所有大地坐標值都乘以這個轉換矩陣，即計算出了板內(nèi)各點坐標值。得到以P5點為原點的板內(nèi)坐標值后，根據(jù)軌道板設計標準，由于P5點在第二對承軌槽中，因此前板縫到P5點的距離為前板縫到第一對承軌槽的距離(如圖3中L2所示)加上兩對承軌槽的標準間距(如圖3中Ll所示)，一共為L1+L2，為了將板內(nèi)坐標系原點移到前板縫處，即以前板縫為原點的板內(nèi)坐標系，因此還應在X方向加L1+L2，從而獲得板內(nèi)坐標值。所述數(shù)控磨床用激光測量儀器逐行掃描毛坯板得到毛坯板坐標值，是在毛坯板進入打磨機床后，打磨機必須先用激光測量儀對其打磨前的外形進行掃描，才能確定其在機床空間中的方位，并結合該板打磨前的毛坯板坐標值和打磨后應該具有的標準外形(即前面計算出的板內(nèi)坐標值)，得到它們之間的差別，即需要打磨掉的部分。所述獲得板內(nèi)坐標系和毛坯板坐標系之間的角度差，是根據(jù)毛坯板坐標值和板內(nèi)坐標值，得出板內(nèi)坐標系在毛坯板坐標系三個坐標軸方向上的旋轉角度。打磨優(yōu)化首先需要通過旋轉板內(nèi)坐標系消除與毛坯板坐標系之間的角度差。旋轉板內(nèi)坐標系分為沿X、Y、Z軸三個方向進行。首先分別計算板內(nèi)坐標X、Y、Z三個坐標軸方向上的偏轉角度，再分別計算毛坯板X、Y、Z三個坐標軸方向上的偏轉角度，相減獲得兩者在三個坐標軸方向上的偏轉角度差。得到三個旋轉角度后，即可對板內(nèi)坐標系進行旋轉達到和毛坯板平行的效果了。所述向上平移經(jīng)過平行處理后的板內(nèi)坐標系從而獲得最終優(yōu)化結果，是指上一步將板內(nèi)坐標系和毛坯板坐標系進行平行化處理后，即可通過各點坐標值之間的差額計算出兩板之間的平移距離Δ X、Ay、Δ Z，將板內(nèi)坐標系做相應移動，即可完成整個毛坯板打磨量優(yōu)化過程。首先將板內(nèi)坐標系進行Y向平移使得兩者在同一垂直線上，再向上平移兩者所有坐標值之中最接近者之間的距離。此時Z向兩者距離差最小，但毛坯板承軌槽的部分點可能在對應點的板內(nèi)坐標值外面，因此需要向下移動板內(nèi)坐標系，每次向下移動一個較小的指定值Δ ζ，并檢驗是否毛坯板所有點均在對應點板內(nèi)坐標值之里，通常采用以下算法選取毛坯板上部某點，測試所有毛坯板點和它的連線是否經(jīng)過所有板內(nèi)坐標值決定的曲面，如果都不經(jīng)過則表示毛坯板所有點均在板內(nèi)坐標系里了，此時停止向下移動板內(nèi)坐標系，得到最終結果，即板內(nèi)坐標系沿Χ、Υ、Ζ軸方向上的平移Δχ、Ay、Δζ，然后分別繞Χ、Υ、Ζ軸方向上的旋轉上一步計算得到的角度，從而得到優(yōu)化完的板內(nèi)坐標系。所述根據(jù)優(yōu)化完的板內(nèi)坐標值和毛坯板表面各點坐標值指導磨床進行打磨，是指經(jīng)過上述優(yōu)化過程后，板內(nèi)坐標值和毛坯板表面各點坐標值之間的差異已經(jīng)很小，打磨機只需要根據(jù)優(yōu)化完的板內(nèi)坐標各點坐標值計算磨輪運動路徑，使磨輪依次經(jīng)過優(yōu)化完的各個板內(nèi)坐標值，即可將毛坯板打磨成符合鐵路鋪設要求的成品板，從而完成整個打磨任務。
權利要求
1.一種軌道板數(shù)控磨床優(yōu)化打磨方法，其特征在于，技術步驟包括獲取軌道板標準外形描述坐標值數(shù)據(jù)，確定軌道板的板內(nèi)坐標系，計算板內(nèi)各點坐標值，獲取毛坯板坐標值，計算板內(nèi)坐標系和毛坯板坐標系之間的角度差，上移板內(nèi)坐標系從而獲得最終優(yōu)化結果，根據(jù)優(yōu)化結果指導磨床進行打磨。
2.根據(jù)權利要求1所述的軌道板數(shù)控磨床優(yōu)化打磨方法，其特征在于，獲取軌道板標準外形描述坐標值數(shù)據(jù)是從鐵路設計數(shù)據(jù)文件中獲取，然后將其傳輸?shù)接嬎銠C中。
3.根據(jù)權利要求1所述的軌道板數(shù)控磨床優(yōu)化打磨方法，其特征在于確定軌道板的板內(nèi)坐標系是將坐標原點移動到軌道板前板縫處、X軸平行于板縱向、Y軸平行于板橫向、Z 軸垂直于板平面，再對軌道板進一步處理，然后計算板內(nèi)各點坐標值。
4.根據(jù)權利要求1所述的軌道板數(shù)控磨床優(yōu)化打磨方法，其特征在于計算板內(nèi)坐標系和毛坯板坐標系之間的角度差，首先分別計算板內(nèi)坐標X、Y、Z三個坐標軸方向上的偏轉角度，再分別計算毛坯板X、Y、Z三個坐標軸方向上的偏轉角度，相減獲得兩者在三個坐標軸方向上的偏轉角度差，然后通過沿X、Y、Z軸三個方向進行旋轉板內(nèi)坐標系消除與毛坯板坐標系之間的角度差。
5.根據(jù)權利要求1所述的軌道板數(shù)控磨床優(yōu)化打磨方法，其特征在于，在將板內(nèi)坐標系和毛坯板坐標系平行處理后，在上移板內(nèi)坐標系從而獲得最終優(yōu)化結果過程中，必須時刻檢驗是否毛坯板所有點均在對應點板內(nèi)坐標值之里，通常采用以下算法選取毛坯板上部某點，測試所有毛坯板點和它的連線是否經(jīng)過所有板內(nèi)坐標值決定的曲面，只要存在經(jīng)過現(xiàn)象則表示毛坯板有某個坐標點在板內(nèi)坐標值決定的曲面之外，即優(yōu)化失敗。
6.根據(jù)權利要求1所述的軌道板數(shù)控磨床優(yōu)化打磨方法，其特征在于，根據(jù)優(yōu)化結果指導磨床進行打磨，需要根據(jù)優(yōu)化完的板內(nèi)坐標各點坐標值計算磨輪運動路徑，使磨輪依次經(jīng)過優(yōu)化完的各個板內(nèi)坐標值，即可將毛坯板打磨成符合鐵路鋪設要求的成品板，從而完成整個打磨任務。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軌道板數(shù)控磨床優(yōu)化打磨方法，可以根據(jù)鐵路設計數(shù)據(jù)和數(shù)控磨床激光測量系統(tǒng)測量的初始毛坯板數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，大大降低對軌道板進行打磨時的打磨量，提高軌道板打磨速度，同時降低打磨機磨輪的損耗，在鐵路所用軌道板打磨過程中產(chǎn)生較大經(jīng)濟效益。本發(fā)明所涉及的軌道板數(shù)控磨床優(yōu)化打磨方法的技術步驟包括獲取軌道板標準外形描述坐標值數(shù)據(jù)、確定軌道板的板內(nèi)坐標系、計算板內(nèi)各點坐標值、獲取毛坯板坐標值、計算板內(nèi)坐標系和毛坯板坐標系之間的角度差、上移板內(nèi)坐標系從而獲得最終優(yōu)化結果、根據(jù)優(yōu)化結果指導磨床進行打磨。
文檔編號B24B19/22GK102189466SQ201110098748
公開日2011年9月21日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權日2011年4月20日
發(fā)明者孫樹禮, 尤德祥, 李華良, 王召祜, 郭容昱 申請人:鐵道第三勘察設計院集團有限公司