本实用新型涉及一种线路限界检测动态模拟试验系统，属于铁路和城市轨道交通限界检测领域。
背景技术：
限界(这里特指建筑限界或设备限界)用于保障列车在行驶时有足够的行驶空间和行驶安全，它是一条以钢轨顶面和线路中心线为基准，用于限制建筑物和设备在任何情况下均不得侵入的横断面轮廓尺寸控制线。
针对线路限界的检测，国内外均基于激光扫描或断面摄像测量技术来开发线路限界动态检测系统，能够实现在不中断行车的条件下实时、连续地对限界状况进行动态检测。但目前国内还没有相关的动态模拟试验系统，所有的试验均在线路现场进行，极大地限制了试验的频次和准确性，提高了试验测试的成本，同时无法对限界检测设备进行准确的评估。
技术实现要素：
本实用新型实施例提供一种线路限界检测动态模拟试验系统，以实现铁路现场钢轨及车身运动情况模拟研究。
为了实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种线路限界检测动态模拟试验系统，所述的线路限界检测动态模拟试验系统包括：
支撑框架，包括底板、支撑梁及设置在所述支撑梁上端的悬挂装置；
两套双向钢轨平移单元，设置在所述底板上，分别用于承载钢轨，使得对应的钢轨沿水平及竖直方向平移，以模拟不同的铁路现场钢轨环境；
六自由度运动模拟单元，包括：多个作动器、悬挂平台及控制器，所述作动器上端固定在所述悬挂装置上，下端与所述悬挂平台连接，所述控制器控制所述作动器伸缩，使所述悬挂平台沿空间坐标系的三个坐标轴平动和转动，以模拟不同铁路现场车身运动情况。
一实施例中，所述的双向钢轨平移单元包括：
钢轨固定安装装置及直线滑台；
钢轨固定安装装置，固定在所述直线滑台的Z方向平移模块上，用于承载所述钢轨。
一实施例中，所述的钢轨固定安装装置包括：
锁定装置，用于锁定钢轨，防止钢轨掉落；
竖直固定装置，固定在所述直线滑台的Z方向平移模块上；
水平固定平台，与所述竖直固定装置连接，用于放置所述钢轨。
一实施例中，所述的支撑框架进一步包括：配重块，设置在所述底板上。
一实施例中，所述的控制器包括：PLC控制器、伺服驱动器及供电模块；
一实施例中，所述六自由度运动模拟单元还包括：上位机，连接至所述控制器，用于向控制器发送悬挂平台的运动波形指令。
本实用新型实施例中，可以实现以下技术效果：通过双向钢轨平移单元的设计，实现了模拟铁路现场钢轨环境。通过六自由度运动模拟单元的设计，实现了模拟不同铁路现场车身运动情况。通过线路限界检测动态模拟试验系统的设计，简化了现有模拟平台装置，降低了成本，丰富了其功能。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
图1为本实用新型实施例的线路限界检测动态模拟试验系统的结构示意图；
图2为本实用新型实施例的双向钢轨平移单元的结构示意图；
图3为本实用新型实施例的六自由度运动模拟单元的结构示意图；
图4为本实用新型实施例的软件系统的架构示意图；
图5为本实用新型实施例的悬挂平台运动控制示意图；
图6为本实用新型实施例的线路限界检测动态模拟试验系统坐标系示意图；
图7为本实用新型实施例的悬挂平台控制原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
图1为本实用新型实施例的线路限界检测动态模拟试验系统的结构示意图，如图1所示，该试验系统包括：支撑框架101，两套双向钢轨平移单元105及六自由度运动模拟单元106。
支撑框架101包括底板102、多根支撑梁103及设置在所述支撑梁103上端的悬挂装置104。
每根支撑梁103的底部固定在底板102。作为本实用新型的一实施例，为了增加支撑稳定性，可以设置3根支撑梁103，并且底板102的整体尺寸大于悬挂装置104的整体尺寸，能够形成自平衡的支撑结构。
两套双向钢轨平移单元105设置在所述底板102上，分别用于承载钢轨，使得对应的钢轨沿水平及竖直方向平移，以模拟不同的铁路现场钢轨环境。
六自由度运动模拟单元106为线路限界检测动态模拟试验系统的核心模块，包括：多个作动器107、悬挂平台108及控制器(图中未示出)。所述作动器107上端固定在所述悬挂装置104上，下端与所述悬挂平台108连接，所述控制器控制所述作动器107伸缩，使所述悬挂平台108沿空间坐标系的三个坐标轴平动和转动，以模拟不同铁路现场车身运动情况。
作为本实用新型的一实施例，如图1所示，所述的支撑框架101进一步包括：配重块109，设置在所述底板102上，增加配重，避免试验系统倾翻。
支撑框架101能够为六自由度运动模拟平台提供安装支撑结构，同时为双向钢轨平移单元提供安装固定架,支撑框架101可以为钢结构框架，采用打磨、防锈和喷漆处理。
作为本实用新型的一实施例，如图2所示，所述的双向钢轨平移单元105包括：钢轨固定安装装置201、水平直线滑台(采用莫德曼MF14C05-100-FE)202及竖直直线滑台(采用莫德曼MF14-200-FE)206；钢轨固定安装装置201固定在竖直直线滑台206的Z方向的平移模块上，用于安放钢轨；水平直线滑台202能够沿着Y轴轨道移动，竖直直线滑台206能够沿着Z轴轨道移动，Y轴轨道和Z轴轨道上分别配有刻度尺，能够测量钢轨移动距离，每个方向的轨道都有锁死机构203，在平移模块移动到位置后按下锁死。
作为本实用新型的一实施例，如图2所示，所述的钢轨固定安装装置201包括：锁定装置204、水平固定平台205、竖直固定装置207。锁定装置204及用于锁定钢轨，防止钢轨掉落；竖直固定装置207固定在所述竖直直线滑台206的Z方向平移模块上；水平固定平台205，与所述竖直固定装置连接，用于放置所述钢轨；水平固定平台205距地面高度≤150mm。
可选的，悬挂平台108采用航空铝材，尺寸≥400*400mm，能够支撑40Kg以上的载荷，距地面的高度≥1600mm。
图3为本实用新型实施例的作动器的结构示意图，如图3所示，多个作动器107的下端分别连接至悬挂平台108，通过多个作动器107的动作，可以实现悬挂平台108的平动和转动。
作为本实用新型的一实施例，所述的作动器107包括：作动缸(图中未示出)；伺服电机(图中未示出)，可以设置于作动器内部；位移采集模块(图中未示出)，可以设置于作动器内部。
可选的，作动器的个数为六个。
作为本实用新型的一实施例，所述的控制器包括：PLC控制器、伺服驱动器及供电模块；
所述PLC控制器，用于通过所述作动器控制所述悬挂平台108的运动，实时接收所述作动器107的位移采集模块反馈的位移信息，并根据所述位移信息计算所述作动器的作动缸的位移偏差，控制伺服驱动器驱动所述作动器的伺服电机，使所述伺服电机驱动所述作动缸运动，实现所述悬挂平台108的姿态纠正；PLC控制器包括通讯服务器、命令发生器等，集成了六自由度平台解耦计算、限位及报警处理、伺服电机控制等功能；伺服驱动器用来控制伺服电机的运动；供电模块负责给控制器供电。
作为本实用新型的一实施例，所述的六自由度运动模拟单元106还包括：上位机，连接至所述控制器，用于向控制器发送悬挂平台108的运动波形指令，并通过控制器同步接收作动器反馈的作动缸的位移值以及悬挂平台的位置状态；
如图4所示，软件系统安装在上位机上，采用多级分层的结构方式，分成上层和下层软件，上层和下层软件内部又分成若干层，层与层之间采用固定的接口方式，使得每层相对于其他的业务层具有相对的独立性。上层软件与下层软件之间通过TCP/IP协议进行通讯。软件系统能够控制悬挂平台108实现空间六自由度的位姿运动，并实时监测悬挂平台108位姿的变化过程并存储运动数据。软件系统对数据波形进行实时叠加显示、分析，绘出频率变化的曲线图。
上层软件为显示和设置界面，用来显示悬挂平台108的姿态、作动器107的伸缩量及状态，给下层软件设置运行命令。上层软件分成三层6个模块：人机交互层、数据翻译转换层、通讯协议层。
1)图形显示：将悬挂平台108的位姿以及各作动器107的位移及力用曲线图显示在界面上；
2)报警显示：提示悬挂平台108和各作动器107是否超限，以及控制器的状态；
3)命令参数设置：设置悬挂平台108的命令、限值以及其相关的参数；
4)数据保存：将悬挂平台108的位姿以及各作动器107的位移、力保存到指定数据文件中；
5)数据转换翻译：将下层软件上传的数据转化成可识别的数据；
6)数据通讯：将数据加密打包，发送到下层软件；接受下层软件上传的数据并解密。
下层软件主要用来生成执行命令、平台模型解耦、数据收发服务、错误监视报警及处理，分为4层7个模块：通讯协议层、数据转换翻译层、伺服执行前处理层、伺服机构层
1)数据通讯：将采集的数据加密打包传到上层软件；接收上层软件发送的数据并解密；
2)数据转换翻译：将上层软件传来的数据转化成可识别的数据；
3)命令发生器：集成了波形的算法,设定每一步的命令信号；
4)数据采集器：收集位移采集模块、力传感器、加速度传感器以及其他传感器的数据；
5)错误监测：检测伺服电机及控制器的状态，发生错误及时终止当前的运行；
6)限值检查：检查作动器107的限值；
7)伺服机构：执行命令发生器发出的命令，并监测执行的结果。
上位机通过所述软件系统经由控制器给所述各作动器107发送运动波形指令，从而带动悬挂平台108的运动。如图5、图7所示，作为本实用新型的一实施例，悬挂平台108运动控制过程如下：
上位机设定好悬挂平台108的运动指令后，下传到控制器中，由控制器生成运动波形指令，同时将运动波形指令通过所述控制器的位置逆解模型计算出各作动器的伸缩量，将该伸缩量发送到伺服驱动器，由其控制作动器的伺服电机执行指令，同时将实际执行位移值通过作动器的位移采集模块反馈回控制器，在控制器中根据各作动器的作动缸的实际伸缩量通过位置正解模型计算出悬挂平台的位移偏差，比较给定的运动波形指令与实际反馈值之间的误差，再将该误差发送到伺服驱动器继续执行，直至悬挂平台的反馈姿态与给定的命令姿态一致，然后继续执行下一步，如此往复。
为了实现所述悬挂平台108的运动，将各作动器107的运动可计算化，如图6所示，作为本实用新型的一实施例，建立线路限界检测动态模拟试验系统坐标系：
1)SI(oIxIyIzI)：上平台固连坐标系，原点oI取为上铰点外接圆圆心，zI轴垂直上台面向下，xI、yI轴在上台面上，三轴构成右手系，此坐标系亦称静坐标系；上铰点Bi和原点oI构成的矢径oIBi与xI轴的夹角为βi(i＝1～6)；H为上下平台原始高差,R为上铰点外接圆半径；
2)Sr(orxryrzr)：参考坐标系，其原点or在下平台初始位置时的下铰点外接圆圆心，而三轴方向与静坐标系SI的对应轴分别平行，参考系Sr为静坐标系；
3)Sb(obxbybzb)：下平台固连坐标系，也称之为动坐标系，其原点ob取为下铰点外接圆圆心，zb轴垂直下台面向下，xb、yb轴在下台面上，三轴构成右手系。Sb相对于参考系Sr的广义姿态为Q＝(q1,q2,q3,q4,q5,q6)。下铰点Ai和原点ob构成的矢径obAi与xb轴的夹角为αi(i＝1～6)，r为下铰点外接圆半径。
通过所述坐标系，可以将各作动器107伸缩量、位移偏差量化，作为本实用新型的一实施例，计算所述作动器各作动缸的伸缩量的公式为：
其中，ΔLi为作动缸的伸缩量，L0为作动缸的原始长度，Li为作动缸伸缩后的长度，Bi、Ai为上下各铰点在参考系Sr下的广义坐标，k为铰点的空间坐标，Ai＝TrbPi，其中R为上平台固连坐标系中上铰点外接圆半径，βi为上平台固连坐标系中上铰点Bi与上铰点外接圆圆心oI构成的矢径oIBi与xi轴的夹角，H为上下平台原始高度差；
其中αi为下平台固连坐标系中下铰点Ai和下铰点外接圆原点ob构成的矢径obAi与xb轴的夹角，r为下铰点外接圆半径，Q＝(q1,q2,q3,q4,q5,q6)为下平台固连坐标系相对于参考坐标系的广义姿态，Pi为下铰点Ai在下平台固连坐标系Sb下的广义坐标，Trb为姿态转换矩阵。
一实施例中，计算各作动缸位移偏差的公式为：
其中，fj(Q)为各作动缸位移偏差，对其线性化，建立矩阵方程如下：
其中，Q0为初始点。
综上所述，利用本实用新型的线路限界检测动态模拟试验系统，可以实现以下技术效果：
通过双向钢轨平移单元的设计，实现了模拟铁路现场钢轨环境。
通过六自由度运动模拟单元的设计，实现了模拟不同铁路现场车身运动情况。
通过线路限界检测动态模拟试验系统的设计，简化了现有模拟平台装置，降低了成本，丰富了其功能。
本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。