陳 皓，趙轉(zhuǎn)萍，黃齊敏

(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京 210016)

基于數(shù)據(jù)融合的動車外廓尺寸檢測系統(tǒng)的設(shè)計

陳 皓，趙轉(zhuǎn)萍，黃齊敏

(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京 210016)

在現(xiàn)有的大尺寸測量方法基礎(chǔ)上，根據(jù)機車檢測的實際需求，提出了一種融合多種傳感器數(shù)據(jù)的掃描式三坐標(biāo)測量體系。系統(tǒng)在龍門架做直線平移時，采用一維激光測距傳感器、二維水平儀、光纖應(yīng)變力傳感器和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)依次測出車體各橫截面的三坐標(biāo)和測量誤差源數(shù)據(jù)，設(shè)計了一種車體輪廓測量的誤差補償方法并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后將測得的各截面數(shù)據(jù)擬合成三維實體，最終求得所需尺寸和幾何量參數(shù)，實現(xiàn)對機車車體主要結(jié)構(gòu)尺寸的高精度、智能化測量。

大尺寸測量;傳感器陣列;三維擬合

目前，機車車體尺寸的測量基本采用限界規(guī)的方法，其缺點有:占地空間大，要預(yù)留雙倍車長空間;安裝調(diào)整復(fù)雜;使用測量儀器種類多，協(xié)調(diào)性、一致性較差，測量精度低;測量數(shù)據(jù)只能人工計算，不便于保存和管理。雖然有部分軌道車輛生產(chǎn)企業(yè)使用激光測量設(shè)備，但仍鮮見一體化智能檢測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的三坐標(biāo)精密測量設(shè)備，受到測量尺寸的限制，很難滿足軌道車輛的測量要求，而基于激光陣列測距的測量系統(tǒng)可以有效彌補現(xiàn)有測量方法中的缺陷。

筆者嘗試在國內(nèi)外現(xiàn)有的大尺寸測量方法基礎(chǔ)上，根據(jù)機車的實際情況，設(shè)計一種非接觸式測量方案，適合多種車型幾何尺寸的測量，以實現(xiàn)對機車車體主要結(jié)構(gòu)尺寸的高精度、智能化測量檢測。

1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

待測的軌道車輛車體一般長度達到20m以上，寬度和高度均在3m左右。各種基本車型尺寸見表1。

表1 典型車體基本尺寸和公差 mm

由于被測件車體尺寸較大、輪廓面形狀較為規(guī)則，為了提高檢測效率，本系統(tǒng)采用龍門式結(jié)構(gòu)。

按圖1所標(biāo)序號，待測車體1被事先放置在車體底座支撐臺2上。測量時，龍門3沿著軌道4和5勻速直線運動;同時，布置在龍門立柱和橫梁上的測距傳感器陣列實時采集掃描車體外廓截面三坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖1 龍門式整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 傳感器陣列系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測量系統(tǒng)中，主要用到了激光測距傳感器、傾角傳感器和光纖應(yīng)變力傳感器。如圖2所示，激光測距傳感器被均勻布置在立柱和橫梁上，間隔250mm，每側(cè)13個。傳感器陣列作為測量的最主要部分，直接采集原始的車體輪廓坐標(biāo)信息。方案使用的是KEYENCE公司的IL－300型CMOS傳感器探頭，測量范圍為160～450mm，重復(fù)精度為50μm。

圖2 3種傳感器位置及功能示意圖

如圖2中所示，左右兩側(cè)傾角傳感器被放置在立柱上端距離立柱底端3 500mm處，橫梁上的傾角傳感器被放置在橫梁的中間位置。方案使用Baumer的雙軸傾角傳感器，分辨率高達0.001°。

由于龍門跨度較大，兩側(cè)不能保證絕對同步運動，因此會產(chǎn)生動態(tài)形變。圖2中，在形變較大的位置處安裝了光纖應(yīng)變力傳感器，用以實時檢測形變誤差。方案中使用FSS3211DS型光纖光柵應(yīng)變傳感器，精度小于1με，根據(jù)實際的形變應(yīng)力大小計算，相當(dāng)于形變位移分辨率為0.002mm。

所有測量數(shù)據(jù)最后上傳至上位機，由軟件做數(shù)據(jù)處理。如圖3所示，激光測距和二維水平儀數(shù)據(jù)共45個模擬量由數(shù)據(jù)采集卡傳至上位機，龍門架前進距離數(shù)據(jù)通過運動控制卡傳回，應(yīng)變力數(shù)據(jù)通過光纖解調(diào)儀傳回。軟件通過誤差補償計算和三維坐標(biāo)擬合，得出待測車體所需幾何量參數(shù)。

圖3 傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集卡使用NI的PCI－6225，該數(shù)據(jù)采集卡有80個模擬量通道，采樣頻率可達250KS/s，此外還配置了24路數(shù)字I/O，滿足系統(tǒng)方案的需求。

2 數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

2.1 基于測量數(shù)據(jù)的車體三維數(shù)學(xué)模型

根據(jù)布置在龍門的相關(guān)設(shè)備的功能和特性以及采集的數(shù)據(jù)屬性，方案構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型。模型建立的主要手段就是通過龍門架平移，依次采集待測車體各橫截面的尺寸和幾何量，再將測得的各截面數(shù)據(jù)擬合成三維實體［1］。

將各測距傳感器簡化為龍門架上的點陣，如圖4 所示，圖中 CLi(i=1，2，3，…，n)、CRi(i=1，2，3，…，n) 和CTi(i=1，2，3，…，n) 分別代表龍門架左側(cè)、右側(cè)和頂部的傳感器。

龍門架在直線運動時，對于車體任意一個采樣截面，激光傳感器陣列都會測得一組距離值，圖4中，dli(i=1，2，3，…，n)、dri(i=1，2，3，…，n) 和dti(i=1，2，3，…，n) 表示龍門架在起始截面時傳感器陣列的距離值;dli'(i=1，2，3，…，n)、dri'(i=1，2，3，…，n) 和 dti'(i=1，2，3，…，n) 表示在龍門架沿X軸平移了L1時傳感器陣列的距離值;dli″(i=1，2，3，…n)、dri″(i=1，2，3，…，n) 和dti″(i=1，2，3，…，n)表示在龍門架沿X軸平移了L2時傳感器陣列的距離值。

由以上分析可知，在車體任意一個待測截面，龍門架沿X軸的位移量已知，各測頭與各待測點的距離值已知，則截面上測得的點的空間坐標(biāo)即可求出，將點的空間坐標(biāo)用矩陣的形式表示出來，設(shè)傳感器初始坐標(biāo)系矩陣為:

傳感器坐標(biāo)系距離起始位置的平移矩陣為:

每次采樣距離值數(shù)據(jù)矩陣:

則車體任意橫截面上測得的點陣空間坐標(biāo)矩陣為K=C+Li+Di，即

用虛線將矩陣分為3部分，分別為車體任意橫截面左、右、頂部采樣點陣坐標(biāo)集合，在龍門架平移的過程中，這些點陣將被導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫進行三維擬合處理，從而可計算車體尺寸誤差和各類幾何誤差。

2.2 誤差補償方法

龍門架在運動過程中，在各種因素影響下，測得的輪廓坐標(biāo)參數(shù)存在測量誤差。需要在測量數(shù)據(jù)處理前進行誤差補償。在整個測量系統(tǒng)中，誤差補償方案的制定對最終測量結(jié)果的精確度具有至關(guān)重要的作用。

經(jīng)過研究分析，得出了龍門系統(tǒng)的剛性誤差因素。如圖5所示，整個龍門架機構(gòu)在運動過程中，共有19項剛性誤差［2］。

如圖5所示，X向直線度誤差(14)、X'向直線度誤差(17)以及X和X'的平行度誤差(15)，這3項系統(tǒng)誤差取決于軌道直線度以及安裝精度。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計選定的機械元件的精度，該3項誤差在26m的軌道長度上為0.60mm。在系統(tǒng)安裝好測量之前可先對這3項誤差進行測定，將其作為系統(tǒng)參數(shù)的一部分。

圖5 龍門系統(tǒng)剛性誤差因素示意圖

X向直線位移定位誤差(18)和X'向直線位移定位誤差(19)，是由龍門同步運動誤差以及機械傳動系統(tǒng)誤差造成的，機械傳動誤差可在測量前，先對其進行測定，作為系統(tǒng)誤差處理。測量中的同步誤差，由龍門兩側(cè)伺服電機編碼器比對脈沖數(shù)來實時補償，該誤差可控制在0.80mm之內(nèi)。

余下的14項誤差是在龍門運動過程中由龍門的位姿變化引起的，具有隨機性，無法事先標(biāo)定補償，因此需要用二維水平儀和光纖應(yīng)變力傳感器對龍門位姿進行實時監(jiān)測。

坐標(biāo)系 OXYZ 分別繞 Z，X，Y軸轉(zhuǎn)過 θ，φ，ψ 角并構(gòu)成新坐標(biāo)系OX1Y1Z1時，在Z軸上坐標(biāo)為(x，y，z)的一個激光傳感器測頭，在Z1軸上的坐標(biāo)(x1，y1，z1)可以通過乘以旋轉(zhuǎn)矩陣R得到，即

θ，φ，ψ均很小，余弦值近似為1，正弦值近似為該角度。引入上述近似后，得到

對于龍門結(jié)構(gòu)的測量系統(tǒng)，X軸和X'軸固定，Z1軸相對于X軸和Y軸的偏轉(zhuǎn)φ，ψ可由雙軸傾角傳感器測得，θ為Z軸相對于自身的扭轉(zhuǎn)，由光纖應(yīng)變力傳感器測得，由公式(5)、(7)可得傳感器測頭的實際位置的坐標(biāo)為:

本方案中，激光傳感器陣列被放置在夾具中，安裝在龍門上。夾具的加工精度和安裝精度導(dǎo)致激光并不是完全垂直與立柱面，同樣也存在一個坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，即激光束與X1軸、Y1軸和Z1軸存在 αi，βi，γi的偏轉(zhuǎn)時，激光測得的距離為 di，將激光束作為向量換算到OX1Y1Z1坐標(biāo)系下，可得到激光在OX1Y1Z1坐標(biāo)系下的向量矩陣:

對于立柱，由于 αi，γi趨于 90°，βi趨于 0°，則式(9)可以近似為:

同理，對于橫梁，αi、βi趨于90°，γi趨于 0°，代入式(9)可得近似值:

則由公式(8)～(11)可得車體外表面被測點的實際坐標(biāo)為:

根據(jù)公式(10)、(11)，結(jié)合實際情況，每個傳感器在安裝校準(zhǔn)之后的誤差為φ 0.02mm的圓形區(qū)域，每側(cè)的傳感器陣列的總體誤差范圍為0.35mm。

除了剛性誤差，龍門機構(gòu)還有受力、受熱的形變誤差。如圖6所示，龍門機構(gòu)在受力之后的形變變化趨勢:龍門在自身重力作用下，立柱和橫梁均會產(chǎn)生彎曲;軌道在支撐龍門架時，受力會下陷。通過RecurDyn軟件分析，在常溫常壓下，受重力和溫度產(chǎn)生的形變位移量最大值為0.08mm。這個量遠遠小于其他誤差，因此在本測量設(shè)計中，力、熱形變誤差可以忽略不計。

圖6 龍門機構(gòu)受力形變趨勢圖

經(jīng)過誤差補償之后的激光距離測量值，將代入2.1節(jié)中建立的數(shù)學(xué)模型中，作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

對于大尺寸物體的幾何量測量，一套快捷、高精度的測量系統(tǒng)能夠很大程度地保證和提高產(chǎn)品的質(zhì)量和安全。文中研發(fā)的用于多種機車車型的專用車體輪廓測量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對機車車體主要結(jié)構(gòu)尺寸的高精度、智能化測量;可以使機車車廂的生產(chǎn)效率得到提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證，并對提高國家軌道交通的進一步發(fā)展作出一定的貢獻。

［1］姜慶昌.汽車輪廓尺寸測量機的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，2006.

［2］張國雄.三坐標(biāo)測量機［M］.天津:天津大學(xué)出版社，1999.

［3］華慶元.大距離分布孔系同軸度測量系統(tǒng)軟件設(shè)計［D］.南京:南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，2011.

［4］高岳.光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)［M］.2版.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

Design of Geometry Parameters Measure System Based on Data Fitting for Bullet Train＇s Profile

CHEN Hao，ZHAO Zhuanping，Huang Qimin
(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Jiangsu Nanjing，210016，China)

Based on the existing large size measure method，it analyzes the actual situation of locomotive，develops a data matching scan type three－dimensional measure system using various sensors.When the gantry is linearly moving，the system gets the three dimension parameters of each cross section with corresponding data acquisition technology by using laser distance sensors，two dimension gradienters and strain force fiber sensors，makes out an error compensation scheme and corresponding mathematical model，establishes the mathematical model，matches all cross sections to be a complete three－dimensional－entity and finally calculates the necessary profile geometry parameters.This system realizes the measurement with high precision and intelligent.

Large Size Measurement，Sensors Array，Three Dimensional Matching

TP23

A

2095－509X(2013)04－0054－05

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.013

2012－12－07

陳皓(1986—)，男，浙江新昌人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為光電測控技術(shù)。