黃志高，王元芳

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430205）

基于光學(xué)原理的鐵路鋼軌直線度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃志高，王元芳

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430205）

提出采用激光位移傳感器測(cè)量技術(shù)對(duì)鐵軌直線度尺寸進(jìn)行測(cè)量的方法，設(shè)計(jì)了主要由運(yùn)動(dòng)控制測(cè)量平臺(tái)、激光位移傳感器、二維PSD位置傳感器、信號(hào)采集及信號(hào)處理模塊等四部分組成測(cè)量系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)按照最小二乘擬合的方法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并具備分析、處理存儲(chǔ)功能。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，分析了系統(tǒng)誤差及影響系統(tǒng)精度的主要因素。應(yīng)用表明：該系統(tǒng)滿足高速鐵道長(zhǎng)軌直線度測(cè)量測(cè)量要求。

鋼軌；直線度；非接觸式測(cè)量；最小二乘法

隨著我國鐵路交通事業(yè)的迅速發(fā)展，特別是國家對(duì)高速鐵路發(fā)展建設(shè)的需要，高鐵已經(jīng)成為提高鐵路運(yùn)送能力的重要手段。在鐵路系統(tǒng)中，鐵軌起到了舉足輕重的作用，然而高速鐵道用長(zhǎng)軌直線度測(cè)量一直是困擾生產(chǎn)企業(yè)的一個(gè)重要的技術(shù)難題。目前在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)鐵軌直線度測(cè)量大多采用人工的方法，利用直尺和拉繩法等直接測(cè)量。此測(cè)量方法效率低下，且測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)定要求，已經(jīng)無法跟上鐵路事業(yè)發(fā)展方向的要求。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于光學(xué)的測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高精度、高速度及非接觸式測(cè)量等特性，實(shí)踐證明，該測(cè)量系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比，其系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 系統(tǒng)測(cè)量原理

基于激光位移傳感器測(cè)量方法是一種強(qiáng)有力的非接觸式測(cè)量方法，作為幾何量的非接觸式測(cè)量檢測(cè)技術(shù)，激光位移傳感器基于激光三角測(cè)量原理[1]，具有測(cè)量精度高、響應(yīng)時(shí)間短、光斑精密等特點(diǎn)，所以，提出采用激光位移傳感器測(cè)量技術(shù)實(shí)施對(duì)鐵軌直線度尺寸進(jìn)行測(cè)量。從圖1中可以看出，該測(cè)量系統(tǒng)主要由高穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng)控制測(cè)量平臺(tái)、高精度激光位移傳感器、高精度二維PSD位置傳感器、高速信號(hào)采集及信號(hào)處理模塊等四部分組成。其中激光位移傳感器模塊和激光器安裝在運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上，二維PSD位置傳感器固定安裝在測(cè)量平臺(tái)一端。運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)帶動(dòng)激光位移傳感器和激光器作直線運(yùn)動(dòng)，PSD位置傳感器用來接收激光器位置信號(hào)，彌補(bǔ)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)自身直線度偏差，同時(shí)信號(hào)系統(tǒng)對(duì)激光位移傳感器和PSD位置傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，信號(hào)系統(tǒng)對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，最后即可計(jì)算工件的直線度。在該系統(tǒng)中，激光位移傳感器部分主要是對(duì)鐵軌形位尺寸進(jìn)行測(cè)量，PSD位置傳感器主要是對(duì)激光位移傳感器位置進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，信號(hào)采集與處理系統(tǒng)部分主要是對(duì)測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算。

2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于工廠生產(chǎn)出來的鐵軌長(zhǎng)度從十幾米到二十幾米不等，為了能夠滿足其測(cè)量范圍要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種固定龍門式全自動(dòng)化的鐵軌測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠滿足各種不同長(zhǎng)度鐵軌直線度測(cè)量要求。從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖中可以看出，該系統(tǒng)由測(cè)量龍門架、測(cè)量平臺(tái)、測(cè)量傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等幾部分組成。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)龍門架跨度為30 m，考慮到龍門架長(zhǎng)度的原因，在選材上選擇輕質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，可以有效增加龍門架的剛度，同時(shí)也可以減輕龍門架的重量；測(cè)量平臺(tái)是由40組測(cè)量支架組成，一方面，可以避免因鐵軌自身重力作用而發(fā)生彎曲；另一方面，可以大大減少制造成本；測(cè)量傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包含運(yùn)動(dòng)直線軌道及步進(jìn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)直線軌道是由10根標(biāo)準(zhǔn)的直線導(dǎo)軌安裝在龍門架上，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

理論上，傳感器運(yùn)動(dòng)直線軌道本身就有直線度偏差影響，再加上運(yùn)動(dòng)直線軌道是由10根直線導(dǎo)軌組成，所以存在累積誤差，為了能夠消除上述本身直線度誤差給測(cè)量結(jié)構(gòu)帶來的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上增加了激光器和PSD傳感器，激光器安裝在傳感器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，跟隨激光位移傳感器一起運(yùn)動(dòng)，PSD傳感器安裝在龍門架一端，此傳感器接收激光器信號(hào)，從而可以有效補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)直線軌道偏差，提高測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

3 測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件是在WINDOWS操作平臺(tái)的基礎(chǔ)上利用Visual C++工具編制而成，具有良好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單。系統(tǒng)軟件主要由激光移傳及PSD位移感器模塊、信號(hào)采集與處理模塊、運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)模塊等幾部分組成，系統(tǒng)軟件算法主要流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)量計(jì)算方法、測(cè)量結(jié)果及誤差分析

4.1 系統(tǒng)測(cè)量計(jì)算方法

本系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)包含兩組數(shù)據(jù)，一組是激光位移傳感器得到的數(shù)據(jù)為X[i]，另一組是PSD位移傳感器得到的數(shù)據(jù)為Y[i]，所以通過此兩組數(shù)據(jù)即可得到一系列的鐵軌數(shù)據(jù)Z[i]=X[i]+Y[i]，如圖4所示。

圖4 測(cè)量示意圖

然后選擇最小二乘擬合的方法計(jì)算鐵軌數(shù)據(jù)Z[i]的直線方程。設(shè)x和y之間的函數(shù)關(guān)系由直線方程[2]：

解上述正規(guī)方程組便可求得直線參數(shù)a0、a1的值，即可擬合Z[i]數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線，然后再計(jì)算每個(gè)點(diǎn)與直線的偏差即可得到鐵軌的直線度。

4.2 系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果

本系統(tǒng)對(duì)鐵軌尺寸做了大量的直線度測(cè)量試驗(yàn)，本文僅對(duì)12.5 m鐵軌直線度進(jìn)行測(cè)量分析，其中鐵軌直線度示值為2 mm/m.測(cè)量20次結(jié)果如表1所示，測(cè)量結(jié)果波形圖如圖5所示。

表1 測(cè)量結(jié)果（單位：mm）

圖5 測(cè)量結(jié)果波形圖

由測(cè)量的結(jié)果表1可知，鐵軌直線度均值為1.995 mm/m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.022 3 mm，其誤差范圍在允許的范圍內(nèi)，完全能夠滿足國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。如圖5所示的測(cè)量結(jié)果波動(dòng)性比較平穩(wěn)，可見測(cè)量重復(fù)性比較穩(wěn)定。

4.3 測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析

本測(cè)量系統(tǒng)是基于激光位移傳感器的測(cè)量方法，每一個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)都可能有影響測(cè)量精度的因素。從本測(cè)量系統(tǒng)來看，影響該測(cè)量系統(tǒng)的誤差主要有：激光位移傳感器與PSD位移傳感器的測(cè)量精度[3]、系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)[4]、信號(hào)處理算法精度[5]。

（1）在本測(cè)量系統(tǒng)中，采用了高速高精度激光位移傳感器直接的測(cè)量方法，為了能夠精準(zhǔn)獲取接頭外系統(tǒng)輪廓，本系統(tǒng)選用的激光位移傳感器和PSD位置傳感器精度為5μm，此傳感器抗干擾能力強(qiáng)，另外通過PSD位置傳感器能實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)本身的直線度誤差的影響。

（2）本測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量平臺(tái)采用多支撐平臺(tái)支撐工件的測(cè)量方法，在測(cè)量前，會(huì)通過結(jié)構(gòu)光方法調(diào)整支撐平臺(tái)在同一水平面上，因而可以減小測(cè)量系統(tǒng)的誤差。

（3）信號(hào)處理的精度對(duì)尺寸測(cè)量有直接的影響，本文采用最小二乘擬合的方法進(jìn)行計(jì)算測(cè)量結(jié)果，能夠準(zhǔn)確描繪鐵軌表面情況，從而能減小算法對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的誤差。

5 結(jié)束語

鐵路鋼軌直線度測(cè)量系統(tǒng)基于激光三角測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵軌直線度尺寸的非接觸式測(cè)量。通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳感器選用，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量精度的有效控制，測(cè)量結(jié)果滿足國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，對(duì)鐵軌直線度參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和處理后，能夠按實(shí)際試驗(yàn)要求的格式存儲(chǔ)并輸出檢測(cè)報(bào)告。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，操作使用方便。投入了正常的使用之中，它對(duì)于鐵道鋼軌的科學(xué)管理和使用，保證正常生產(chǎn)、安全生產(chǎn)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

[1]韓世卓.鐵路無縫鋼軌直線度測(cè)量[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（A1）：191-192.

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[3]郝志偉，劉悅，于開迪，等.基于組網(wǎng)測(cè)量法對(duì)大型導(dǎo)軌直線度的檢驗(yàn)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2016，13（19）：57-59.

[4]張麗萍，李業(yè)農(nóng)，趙建杰.某數(shù)控車床貼塑導(dǎo)軌直線度誤差的灰色預(yù)測(cè)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2016，56（4）：38-41.

[5]羅鈞，麻錦俠，劉學(xué)明，等.三維坐標(biāo)點(diǎn)集的空間直線度高精度快速評(píng)定[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，51（5）：730-735.

Design of Railway RailStraightness Measurement System Based on OpticalSystem

HUANG Zhi-gao，WANG Yuan-fang
（Wuhan Railway Vocational College of Technology，Wuhan Hubei 430205，China）

A measurement system which is composed of four parts with themotion controlmeasurement platform，laser displacement sensor，two-dimensional PSD position sensor and signal acquisition and processingmodule was designed，tomeasure the straightness of the rail size by using a laser displacement sensormeasurement technology in the paper.According to the least square fitting method，the software system was used to analyze the collected data.The main factors affecting the accuracy of the system and systematic error are analyzed，according to the measurement results.The system can meet the requirements of high speed railway long track straightnessmeasurement.

rail；straightness；non-contactmeasurement；least squaremethod

U213.4

A

1672-545X（2017）04-0046-03

2017-01-01

黃志高（1972-），男，湖北隨州人，講師，碩士研究生，研究方向：鐵道機(jī)車車輛。