本發(fā)明屬于鐵路軌道交通，具體涉及一種鋼軌廓形在線修磨加工路徑規(guī)劃計算方法。

背景技術：

1、鋼軌作為鐵路系統(tǒng)的重要組成部分，其狀態(tài)直接影響到列車的運行安全、平穩(wěn)性和維護成本，在長期的運營過程中，鋼軌會因車輪的滾動接觸、溫度變化、材料疲勞等因素而發(fā)生磨損、變形等問題，這些問題如果不及時修復，將嚴重影響列車的運行品質和軌道結構的穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的鋼軌修磨方法依賴于人工經驗進行定期檢測和維護，這種方法存在檢測效率低、靈活性差等問題，基于人工經驗的修磨路徑規(guī)劃往往缺乏精確性，可能導致修磨不足或過度修磨，影響修磨效果，目前最為廣泛的加工方式是先按經驗設定修磨點位，然后按順序進行鋼軌的廓形修磨處理，這鐘方式難以滿足現(xiàn)代鐵路運輸對鋼軌準確、高效和快速維護的需求。

2、近年來，隨著傳感器技術、數(shù)據(jù)處理技術和自動化控制技術的發(fā)展，為鋼軌廓形的修磨加工路徑的自動規(guī)劃提供了新的解決方案，開發(fā)一種高效、精確的鋼軌廓形在線修磨加工路徑規(guī)劃計算方法顯得尤為重要，該方法需要能夠實現(xiàn)通過對鋼軌實際廓形的在線檢測，并基于檢測結果自動規(guī)劃出修磨加工路徑，以提高修磨作業(yè)的效率、精度和自動化水平，確保鐵路運輸?shù)陌踩c順暢。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決上述問題，提供一種基于檢測結果自動規(guī)劃出修磨加工路徑，滿足對鋼軌修磨作業(yè)的高效率、高精度和高自動化水平的需求的鋼軌廓形在線修磨加工路徑規(guī)劃計算方法。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是：一種鋼軌廓形在線修磨加工路徑規(guī)劃計算方法，包括基于鋼軌修磨目標廓形設計數(shù)據(jù)點集和鋼軌實際廓形測量數(shù)據(jù)點集中鋼軌廓形左右兩直線部段的特征，以及修磨區(qū)域內每一個鋼軌廓形點位置都需留有修磨余量的原則，對鋼軌修磨目標廓形與鋼軌實際廓形進行擬合配準計算；再從鋼軌修磨目標廓形頂點處分別向鋼軌廓形兩端方向，在鋼軌廓形加工區(qū)域內計算出所需修磨點位，使每個修磨點位上砂輪修磨型線的外包絡線與鋼軌修磨目標廓形間的剩余量都不大于設計許可值，并滿足鋼軌廓形平順性要求；然后按序優(yōu)先篩算出僅需一次修磨即可到位的修磨點位，再基于鋼軌修磨動態(tài)廓形對剩余修磨點位逐一進行自身修磨后對左右相鄰修磨點位所需修磨次數(shù)的影響計算，分劃出連續(xù)修磨點位區(qū)域，對特殊區(qū)域計算添加輔助修磨點位實現(xiàn)集中去量，最終按序得到鋼軌廓形修磨成目標廓形的修磨加工路徑；詳細計算方法包括如下步驟：

3、s1、該方法設定沿鋼軌廓形的直母線方向為x軸，鋼軌橫截面為yoz平面，z軸豎直向上為正方向，y軸水平向右為正方向，x、y、z軸的正方向符合空間坐標系右手法則，原點o(0，0)是鋼軌目標廓形在yoz平面中y軸的中心點，鋼軌廓形工作邊在z軸正方向與y軸負方向所圍成的區(qū)域內；

4、s2、導入軌廓儀測量得到的鋼軌實際廓形測量數(shù)據(jù)點集其中序號i1＝1…n1，n1為鋼軌實際廓形測量數(shù)據(jù)點集元素的最大序號值，鋼軌修磨目標廓形設計數(shù)據(jù)點集gbj(ybj，zbj)，其中序號j＝1…n2，n2為鋼軌修磨目標廓形設計點集內元素的最大序號值，兩個廓形點集都以鋼軌非工作邊直線部段的端點為序號1，向鋼軌的工作邊部段方向逐點依次遞增編號；

5、s3、對鋼軌實際廓形測量數(shù)據(jù)點集進行平滑處理，將鋼軌實際廓形測量數(shù)據(jù)點集的第一個點ra1(ya1，za1)開始，依次取t個點(t<n1)進行第一次平均計算，得到平滑處理后鋼軌實際廓形上新序號為1的點rc1(yc1，zc1)，其中然后再從第二個點ra2(ya2，za2)開始，依次取出t個點進行第二次平均計算，得到平滑處理后鋼軌實際廓形上新序號為2的測點rc2(yc2，zc2)，重復采用移動平均法計算，直至鋼軌實際廓形測量數(shù)據(jù)點集中序號為n1-t+1的點被取出計算，由此得到平滑處理后鋼軌實際廓形測量數(shù)據(jù)點集其中i2＝1…n1-t+1；

6、s4、鋼軌實際廓形左右平移與鋼軌修磨目標廓形進行水平配準，在鋼軌實際廓形左右兩直線部段所在的z坐標范圍內取n3個值i3＝1…n3，先依次計算鋼軌實際廓形在右側直線部段內與水平線的交點其中序號i2滿足再依次計算鋼軌實際廓形在左側直線部段內與水平線的交點其中序號i2滿足然后計算鋼軌實際廓形的左右平移值將鋼軌實際廓形測量數(shù)據(jù)點集左右平移u，得到水平配準后的鋼軌實際廓形測量數(shù)據(jù)點集其中i2＝1…n1-t+1；

7、s5、水平配準后的鋼軌實際廓形上下平移與鋼軌修磨目標廓形進行上下配準，先由鋼軌修磨目標廓形設計點集gbj(ybj，zbj)計算得到除掉首末兩點之外各點對應切線的傾斜角度其中j＝2…n2-1，根據(jù)設置的修磨區(qū)域范圍角度amin-amax(工作邊角度為正值，非工作邊為負值)，得到修磨區(qū)域范圍所對應的鋼軌修磨目標廓形上的點集序號范圍jamin-jamax，再計算在該范圍內鋼軌修磨目標廓形上每一點與鋼軌實際廓形上對應點的z坐標差值其中的序號i2滿足j從jamin到jamax，然后找到其中z坐標差值的最大值δzmax，將左右配準后的鋼軌實際廓形測量數(shù)據(jù)點集進行上下平移δzmax+f后，得到最終配準的鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集其中i2＝1…n1-t+1，其中的f為工藝中設定的鋼軌廓形需要的最小去除量；

8、s6、在鋼軌修磨目標廓形上計算出當設定誤差為w時，在修磨范圍內直線擬合鋼軌廓形曲線需要的k1+k2個修磨位置點集whk(yhk，zhk)，和每一修磨位置對應切線的傾斜角度ahk，其中k＝1…k1+k2，先計算右側修磨位置點，具體方法如下：先找到鋼軌修磨目標廓形設計點集gbj(ybj，zbj)中作為坐標原點的點的序號jy＝0，記j′k為第k個修磨位置點在鋼軌修磨目標廓形中對應的序號，以原點作為右側區(qū)域的第一個修磨位置點，即j′1＝jy＝0，向右側計算過該修磨位置并與鋼軌修磨目標廓形相切的切線lp1為找到該切線上在右側與鋼軌修磨目標廓形z坐標差值剛好不大于誤差w的對應點q1(yq1，zq1)，其中j″1為鋼軌修磨目標廓形數(shù)據(jù)點中滿足的序號，然后序號j從j″1到2計算z坐標差值δcj＝|tan(abj)×(ybj-yq1)+zq1-zbj|，找到其中讓差值δcj最小的序號jminδc，以該序號對應的點作為下一個修磨位置點，即j′2＝jminδc，然后判斷該修磨位置是否超出修磨區(qū)域，即當ah2≤amin時結束尋找右側修磨位置，當ah2＞amin時重復上述計算找到下一個修磨位置，直到計算到廓形右側的第k1個修磨位置時，該位置點對應切線的傾斜角度滿足時結束右側修磨位置的尋找，得到包含原點的k1個右側修磨位置點；

9、s7、相同方式計算廓形左側修磨位置點，具體方法如下：以原點作為左側區(qū)域的第一個修磨位置點，即向左側計算過該修磨位置點并與鋼軌修磨目標廓形相切的切線為找到該切線上在左側與鋼軌修磨目標廓形z坐標差值剛好不大于誤差w的對應點其中為鋼軌修磨目標廓形數(shù)據(jù)點中滿足的序號，然后序號j從到n2-1計算差值找到其中讓差值δcj最小的序號jminδc，以該序號對應的點作為下一個修磨位置點，即然后判斷該修磨位置點是否超出修磨區(qū)域，即當時結束尋找左側修磨位置，當時重復上述計算找到下一個修磨位置，直到計算到廓形左側的第k2個修磨位置點時，該位置點對應切線的傾斜角度滿足時，結束左側修磨位置的尋找，得到包含原點的k2個左側修磨位置點；

10、s8、將修磨位置點集whk(yhk，zhk)和對應切線的傾斜角度ahk中重復出現(xiàn)的原點修磨位置去掉一個，并將剩余的n(n＝k1+k2-1)個修磨位置，按照橫坐標從大到小的排序得到新的修磨位置點集whr(yhr，zhr)，和對應切線的傾斜角ahr，r＝1…n，記修磨理論加工參數(shù)數(shù)據(jù)集為其中i4表示當前修磨的刀數(shù)，初始時i4＝0，表示理論修磨參數(shù)數(shù)據(jù)集為空，當i4＞0時，為第i4刀修磨在鋼軌實際廓形上對應的加工點的y坐標，為第i4刀修磨在鋼軌實際廓形上對應的加工點的z坐標，為第i4刀修磨的刀具偏轉角度，即該修磨位置點對應切線的傾斜角度，為第i4刀修磨在鋼軌實際廓形上的法向修磨深度，為第i4刀修磨在鋼軌實際廓形上的修磨面積；

11、s9、r從1到n按順序依次計算第r個修磨位置點作為第一個加工位置需要加工的面積，先計算該位置點的切線lsr的方程zsr＝tan(ahr)×(ysr-yhr)+zhr，再計算該切線與實際廓形的兩交點的y坐標，記右邊的交點y坐標為y′r，其中i′2r是鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，記左邊的交點y坐標為y″r，其中i″2r是鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，該修磨位置點的修磨面積為按上述方法計算出n個修磨位置點處的修磨面積sar，r＝1…n，將各修磨位置點的修磨面積與設備能夠正常修磨的最大修磨面積s0作比較，s0即為設備修磨能力，記其中修磨面積不大于設備修磨能力的位置點的個數(shù)為a；

12、s10、當a大于0時，將這a個修磨位置點按y坐標從大到小的順序記錄在修磨位置點集并記錄每一位置點對應切線的傾斜角度其中r1＝1…a，按序依次修磨中的修磨位置點，計算每一次修磨的理論加工參數(shù)，如果時，第i4+r1刀修磨在鋼軌實際廓形上對應的加工點的y坐標其中如果時，是鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，如果時，是鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，z坐標如果時，y坐標z坐標其中是鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，該修磨點加工刀具對應的傾斜角度法向修磨深度再計算該刀修磨掉的面積方法與步驟s9中的計算方法相同，先找到與實際廓形的左右兩交點，記右邊的交點y坐標為其中是鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，記左邊的交點y坐標為其中是鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，所以該刀的修磨面積為計算完該位置點的修磨加工參數(shù)后，i2從1到n1-t+1通過計算更新鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集

13、然后重復上述計算方式，依次按序計算完r1從1到a的a刀修磨參數(shù)，然后將修磨位置點集whr(yhr，zhr)，和位置點對應切線的傾斜角度ahr中的這a個位置點的數(shù)據(jù)去掉，n＝n-a，當前修磨刀數(shù)i4＝i4+a，對剩余修磨位置點按y坐標從大到小的順序排列得到新的修磨位置點集whr(yhr，zhr)，和位置點對應切線的傾斜角度ahr，判斷當剩余修磨位置點個數(shù)不為0時，返回步驟s9進行計算，當剩余修磨位置點個數(shù)為0時，結束全部計算，按序得到鋼軌廓形在線修磨加工路徑；

14、s11、當a＝0，即n個修磨位置點分別作為第一刀修磨所對應的修磨面積均大于設備修磨能力時，對這n個修磨位置點進行區(qū)域劃分，記數(shù)據(jù)集br(br)中的元素br為表征第r個修磨位置點的區(qū)域類型，r從1依次到n，先復制鋼軌實際廓形的數(shù)據(jù)點集為用于后續(xù)計算,其中i2＝1…n1-t+1，先計算去掉第r個修磨位置點后其相鄰左右兩個修磨位置點的修磨面積，去掉第r個修磨位置后廓形數(shù)據(jù)點集經過i2從1到n1-t+1通過計算更新廓形數(shù)據(jù)點集當r不為n時，計算該位置點左側相鄰位置即在r+1修磨位置點處的修磨面積方法與步驟s9中的相同，當r不為1時，再計算該位置右側相鄰位置即在r-1修磨位置點處的修磨面積方法與步驟s9中的相同，當r＝1時，記當r＝n時，記當r不為1也不為n時，記r從1開始到n重復上述計算直到計算出b1到bn的值，記br(br)其中為0的元素個數(shù)為c0，為1的元素個數(shù)為c1，為-1的元素個數(shù)為c-1，如果c0>0，記下序號r0min和序號r0max，兩序號滿足如果滿足比較作為端點的兩修磨位置點的修磨面積sa1與san的大小,取較小的一個作為即將修磨的位置，記下其修磨位置點坐標與對應角度，到步驟s12中計算修磨加工參數(shù)參數(shù)，如果不滿足時，通過其中r0min≤r≤r0max，將序號r0min到序號r0max中都為0的元素處理為1，-1或2，重復上述計算直到br(br)中不含0，記下此時其中為1的個數(shù)為c′1，為-1的個數(shù)為c′-1，當c′1>c′-1時，取br＝1，且其中r最大的一個位置作為即將修磨的位置點，記下其修磨位置點坐標與對應角度，到步驟s12中計算修磨參數(shù)，當c′1<c′-1時，取br＝-1，且其中r最小的一個位置作為即將修磨的位置點，記下其修磨位置點坐標與對應角度，到步驟s12中計算修磨參數(shù)，當c′1＝c′-1≠0時，比較br＝1且其中r最大的一個位置與br＝-1且其中r最小的一個位置的修磨面積與取面積較小的一個所對應的位置作為即將修磨的位置點，記下其修磨位置點坐標與對應角度，到步驟s12中計算修磨參數(shù)，當c′1＝c′-1＝0時，即br(br)中的各個元素均為2時，需要增加一個輔助修磨位置點，該位置的計算具體如下：比較第一個修磨位置點與最后一個修磨位置點需要修磨掉的面積sa1與san，記點r1(yg′，zg′)與點r2(yg″，zg″),當sa1≤san時，r1點為步驟s9中計算的第一個修磨位置點也就是r為1的位置點的切線與鋼軌實際廓形的左交點，r2點為步驟s9中計算的最后一個修磨位置點也就是r為n的位置點的切線與鋼軌實際廓形的左交點，即yg′＝y(tǒng)″1，yg″＝y(tǒng)″n，zg′＝tan(ah1)×(yg′-yh1)+zh1，zg″＝tan(ahn)×(yg′-yhn)+zhn，當sa1＞san時，r1點為步驟s9中計算的第一個修磨位置點也就是r為1的位置點的切線與鋼軌實際廓形的右交點，r2點為步驟s9中計算的最后一個修磨位置點也就是r為n的位置點的切線與鋼軌實際廓形的右交點，即yg′＝y(tǒng)′1，yg″＝y(tǒng)′n，zg′＝tan(ah1)×(yg′-yh1)+zh1，zg″＝tan(ahn)×(yg′-yhn)+zhn，然后計算r1點與r2點連線的中垂線與鋼軌修磨目標廓形的交點作為輔助修磨位置點，記輔助修磨位置點為(yz，zz)，其對應點切線的傾斜角度記為az，當時，其中如果時，j3′是鋼軌修磨目標廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，如果時，j3′是鋼軌修磨目標廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，當時，az＝0，其中的j3′是鋼軌修磨目標廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，將計算的輔助修磨位置點作為即將修磨的位置，記下其修磨位置點坐標與對應角度，到步驟s12中計算修磨加工參數(shù)；

15、s12、在上一步計算的修磨位置點處修磨設備最大修磨能力s0，將步驟s11計算的修磨位置點坐標與對應角度賦值給(yy，zy)和ay，記hf為在該修磨位置點的切線與在該位置修磨面積為s0時磨頭與鋼軌實際廓形的交線之間的距離，先找到此時磨頭與鋼軌實際廓形的左右兩交點，記右邊的交點y坐標為其中是鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，記左邊的交點y坐標為其中是鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，所以該刀的修磨面積由修磨面積解出hf，如果ay≠0時，該刀修磨在鋼軌實際廓形上對應的加工點的y坐標其中如果ay<0時，是鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，其中如果ay>0時，是鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，z坐標如果ay＝0時，y坐標z坐標其中是鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集中滿足的點的序號，角度法向修磨深度由此計算完該刀修磨的修磨參數(shù)后，i2從1到n1-t+1通過計算更新鋼軌實際廓形數(shù)據(jù)點集當前修磨刀數(shù)i4＝i4+1，然后回到步驟s9繼續(xù)計算下一步的修磨。

16、進一步地，所述通過導入的鋼軌實際廓形測量數(shù)據(jù)點集和鋼軌修磨目標廓形設計數(shù)據(jù)點集gbj(ybj，zbj)，設置好打磨區(qū)域角度amin與amax、最小要求修磨量f、直線擬合曲線的理論誤差值w和設備最大修磨面積s0后，計算得到鋼軌廓形在線修磨加工路徑與對應修磨加工參數(shù)數(shù)據(jù)集

17、本發(fā)明的有益效果是：

18、1、本發(fā)明所提供的一種鋼軌廓形在線修磨加工路徑規(guī)劃計算方法，能夠實現(xiàn)通過對鋼軌實際廓形的在線檢測，并基于檢測結果自動規(guī)劃出修磨加工路徑，以提高修磨作業(yè)的效率、精度和自動化水平，確保鐵路運輸?shù)陌踩c順暢。

19、2、本發(fā)明通過對鋼軌實際廓形的在線檢測，并基于檢測結果自動規(guī)劃出修磨加工路徑，滿足對鋼軌修磨作業(yè)的高效率、高精度和高自動化水平的需求。