高速重軌平直度在線檢測研究

張遠(yuǎn)航1，劉 釗2

（1.武漢科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430070；2.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院，武漢 430070）

高速重軌平直度在線檢測研究

張遠(yuǎn)航1，劉 釗2

（1.武漢科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430070；2.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院，武漢 430070）

重軌的平直度檢測是重軌生產(chǎn)過程中重要的一個環(huán)節(jié)，該項檢測的速度、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等因素直接影響重軌總體質(zhì)量；以中國某大型鋼鐵集團(tuán)軌梁廠的重軌平直度檢測現(xiàn)狀為背景，利用激光傳感、數(shù)據(jù)采集、計算技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)，設(shè)計了一套基于并行計算的重軌平直度在線檢測系統(tǒng)；系統(tǒng)采用14個激光位移傳感器和2個旋轉(zhuǎn)編碼器分別對于重軌的7個水平方向位移測點、7個豎直方向位移測點、和重軌傳輸方向的位移進(jìn)行實時測量，得到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，在PC機(jī)內(nèi)通過GPU并行計算進(jìn)行同步配準(zhǔn)、塊內(nèi)數(shù)據(jù)分析、塊間數(shù)據(jù)分析、幀間數(shù)據(jù)分析等處理，除去粗糙度、氧化鐵皮、高頻振動、低頻振動等干擾，最后得到并輸出平直度信息；實驗及現(xiàn)場應(yīng)用表明，該方法檢測速度可達(dá)到3 m／s、精確度可達(dá)到0.1 mm。

重軌；平直度；在線；無損檢測

0 引言

隨著現(xiàn)代鐵路向高速、重型化方向發(fā)展，我國對高速重軌的生產(chǎn)質(zhì)量，包括平直度、尺寸精度、表面光潔度、強(qiáng)韌性等方面，提出了更高要求。在出廠前要對高速重軌進(jìn)行平直度檢查，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［1］具體要求見表1。

表1 重軌平直度行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

目前我國重軌質(zhì)量檢測系統(tǒng)一般采用NDT、NextScience、克諾爾等國外公司的產(chǎn)品，這些系統(tǒng)一般集成多個子系統(tǒng)，分別對重軌的：平直度、三維外形、淺層表面缺陷、內(nèi)部缺陷進(jìn)行在線檢測。目前有多個重軌生產(chǎn)單位的平直度檢測系統(tǒng)，由于產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷升級，以及系統(tǒng)所在線上的實際條件等因素，逐漸出現(xiàn)一些亟待解決問題?；厩闆r表現(xiàn)在：

1）位移傳感器性能不足。系統(tǒng)所采用的傳感器在精確度、采樣速度等方面表現(xiàn)出不足。以某國外公司的平直度檢測系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用7組傳感器（每組包括基恩士的VG－036T、VG－301、LK－2503、KL－503等模塊）的激光傳感器測量方法，同時測量垂直和水平兩個方向的平直度，而部分傳感器在高精度模式下的采樣速度不足，而且部分傳感模塊早已經(jīng)停產(chǎn)。

2）系統(tǒng)檢測結(jié)果精度不足。主要問題包括：（1）檢測的精度不足，大于0.2 mm；（2）重復(fù)性誤差大；（3）對檢測對象工況條件要求嚴(yán)格，特別是對于振動敏感，大大降低了用戶對于系統(tǒng)的信任度。

3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理實時性差。由于這些系統(tǒng)的設(shè)計比較早（2006年以前生產(chǎn)），計算平臺的性能受到很大的約束。雖然一些系統(tǒng)采用了QNX嵌入式實時操作系統(tǒng)，然而處理速度依舊不足。系統(tǒng)使用過程中，常出現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)接收正常的情況下無結(jié)果輸出的現(xiàn)象。該現(xiàn)象是由于數(shù)據(jù)的處理速度不足引起的。

4）數(shù)據(jù)同步采集有問題。數(shù)據(jù)同步采集對于動態(tài)目標(biāo)的檢測是非常關(guān)鍵的。原有系統(tǒng)的性能對振動很敏感（更新傳動鏈板并標(biāo)定后一段時間內(nèi)檢測結(jié)果可靠，而傳動鏈板磨損后檢測效果很差）。如果該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析部分正常的話，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步采集很可能有問題。

5）成本和維護(hù)費用過高。國外的系統(tǒng)的購置成本很高，一般超過壹百萬元人民幣。不僅如此，維護(hù)時間和人力花費都是非常之高，維護(hù)效果也不盡人意。

本文研究和開發(fā)高速重軌平直度檢測關(guān)鍵技術(shù)和方法，設(shè)計數(shù)據(jù)同步采集方案及平直度分析方法，從最新的傳感、采集、計算、通訊等硬件產(chǎn)品里進(jìn)行選型，全新編寫、實現(xiàn)相關(guān)的軟件系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)能力，以滿足現(xiàn)場質(zhì)量檢測需求，從而提高重軌產(chǎn)品質(zhì)量和市場占有率。

1 關(guān)鍵問題分析

在高速重軌平直度在線檢測過程中，關(guān)鍵問題和困難主要包括：1）檢測對象的形態(tài)與運動；2）氧化鐵皮和表面粗糙度的影響；3）實時性、準(zhǔn)確性要求比較高。

1.1 重軌的形態(tài)與運動

高速重軌的外形比較復(fù)雜，分為軌頭、軌腰、軌底3部分，而其外表面分為踏面、腰面、地面等8部分，如圖1所示。

圖1 高速重軌界面圖

在高速重軌生產(chǎn)線上，熱態(tài)的重軌傳輸速度較快，高達(dá)5 ～6米每秒，一般是側(cè)躺在運行軌道上；而冷態(tài)的重軌傳輸速度較慢，大約1～2米每秒，一般是底面向下正躺在運行軌道上。實驗數(shù)據(jù)表明，高速重軌生產(chǎn)線上的重軌傳輸和轉(zhuǎn)運過程中，振動比較大，垂直于傳輸（Z）方向的X和Y方向的振動振幅分別可高達(dá)23 mm和15 mm。

1.2 氧化鐵皮和表面粗糙度的影響

在高速重軌的鍛造和熱軋熱加工時，由于鋼鐵和空氣中氧的反應(yīng)，常會形成氧化鐵皮。氧化鐵皮附著在重軌上，給平直度測量帶來困難。雖然可以在事先用鋼刷除去部分氧化鐵皮，但是依然有部分附著緊密無法除去，這樣就在重軌上留下了不連續(xù)的氧化鐵皮小塊。

1.3 實時性、準(zhǔn)確性要求

高速重軌的生產(chǎn)環(huán)境要求不僅要進(jìn)行在線的無損平直度檢測，而且要依據(jù)檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實時判級和報警。這要求有足夠的檢測精度和數(shù)據(jù)處理速度。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推算可知，平直度檢測系統(tǒng)要求能對3 m／s以內(nèi)運行的重軌進(jìn)行無損平直度檢測，系統(tǒng)X方向的位移檢測精度應(yīng)該高于0.2 mm，Y方向的位移檢測精度應(yīng)該高于0.1 mm，而Z方向的采樣精度要高于100 mm。

如果14個位移傳感器的采樣頻率為16 k，采樣精度為16位，那么每秒的數(shù)據(jù)處理量為：16 k×16×14＝3 584 k，數(shù)據(jù)量雖然不是很大，但是由于計算過程中要將這些數(shù)據(jù)7次應(yīng)用形成矩陣進(jìn)行計算，要處理的數(shù)據(jù)流量可達(dá)3 584 k×7＝25 M，這對于計算設(shè)備的要求還是比較高的。

2 高速重軌平直度在線檢測方案

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本文針對上述技術(shù)難點及工作環(huán)境，設(shè)計重軌平直度檢測系統(tǒng)，硬件組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在NI采集與通信模塊的控制下，由7組傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過NI采集與通信模塊傳送給服務(wù)器，服務(wù)器及GPU處理單元進(jìn)行并行計算，該計算機(jī)同時負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)查詢服務(wù)，將計算結(jié)果傳遞給客戶端計算機(jī)，進(jìn)行結(jié)果表達(dá)及用戶交互，并進(jìn)一步向外部網(wǎng)絡(luò)傳輸。

圖2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

在高速重軌檢測系統(tǒng)的運行過程中，數(shù)據(jù)的流向依次進(jìn)入3個子系統(tǒng)：傳感器組、采集和同步子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析和信息融合子系統(tǒng)。

傳感器組主要包括7個X方向位移激光傳感器（T1至T7）、7個Y方向位移激光傳感器（S1至S7），和2旋轉(zhuǎn)編碼器（A和B）。每兩個相鄰的X方向位移激光傳感器或每兩個相鄰的Y方向位移激光傳感器之間的距離統(tǒng)一設(shè)計為500 mm。

采集和同步子系統(tǒng)主要是由2個模塊組成的：數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)同步模塊。

數(shù)據(jù)分析和信息融合子系統(tǒng)組成的4個模塊：內(nèi)部塊分析模塊、塊間分析模塊、幀分析模塊、平直度分析模塊。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)同步

本文采用美國NI公司的同步采集模塊對7組傳感器進(jìn)行同步控制和數(shù)據(jù)采集，其中，每組傳感器在時間t1內(nèi)用最大的采樣頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后在時間t2內(nèi)不采集，僅進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本文設(shè)計了圖4所示的同步間歇式采集方法。

2.4 塊內(nèi)處理

對于時間t1內(nèi)（約10～40μs）采集到的數(shù)據(jù)（對應(yīng)于重軌運動方向上約5～20 cm）進(jìn)行分析和處理，消除粗糙度、氧化鐵皮、高頻振動干擾，得到重軌在短時間t1內(nèi)、7個小空間上的表面位置信息。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

圖4 同步間歇式采集

塊內(nèi)數(shù)據(jù)可以看成多個數(shù)據(jù)的疊加，包括粗糙度、氧化鐵皮、高頻振動、側(cè)向滑動導(dǎo)致的位移數(shù)據(jù)。塊內(nèi)數(shù)據(jù)分析的目的，就是要利用這些數(shù)據(jù)本身的頻域時域特征，將這些干擾數(shù)據(jù)分離并盡可能消除。

2.5 塊間數(shù)據(jù)分析

7個同步采集到的數(shù)據(jù)塊，含有系統(tǒng)在時間t1內(nèi)，重軌在測量范圍內(nèi)的表面位置信息。塊間數(shù)據(jù)分析，可以（通過7組數(shù)據(jù)的相關(guān)性）消除時間t1內(nèi)側(cè)向滑動等導(dǎo)致的影響，得到包含低頻振動干擾在內(nèi)的局部平直度。而低頻振動干擾可以通過幀間數(shù)據(jù)分析消除。

2.6 幀間數(shù)據(jù)分析

每個塊對應(yīng)于重軌一個小區(qū)域，不同時間對于這個小區(qū)域的多次測量，可能消除其低頻振動帶來的影響。而這種不同時間的多次測量僅僅可能發(fā)生在不同的傳感器上。7個同步采集到的數(shù)據(jù)塊組成1幀，本文提出將連續(xù)的3幀數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，消除低頻振動和側(cè)向滑動的影響，如圖5所示。

圖5 相關(guān)的3幀數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合

2.7 平直度計算

由于7組位移傳感器的間距為500 mm，利用前面幀間數(shù)據(jù)分析的方法，能得到的重軌的X和Y方向平直度，但是測量表現(xiàn)的采樣精度為500 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到系統(tǒng)所要求的100 mm。為了提高Z方向的檢測密度，本文將傳感器得到的位移數(shù)據(jù)按照時間片進(jìn)行分劃，得到5組數(shù)據(jù)，分別利用這5組數(shù)據(jù)進(jìn)行塊內(nèi)分析、塊間分析、幀間分析，從而得到5組平直度數(shù)據(jù)。然后，對這5組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最后將擬合后的5組數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理，得到Z方向采樣精度為100 mm的最終檢測結(jié)果。

3 實驗結(jié)果與分析

本文在我國某大型鋼鐵集團(tuán)軌梁廠實現(xiàn)了上述系統(tǒng)，并對于標(biāo)準(zhǔn)樣軌和重軌進(jìn)行了測量，證明了方案的可行性和正確性。系統(tǒng)軟件運行界面如圖6所示。

圖6 軟件運行主界面

實驗中，對于標(biāo)準(zhǔn)樣軌進(jìn)行了30次測量，實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表2所示。

表2 實驗結(jié)果統(tǒng)計表

實驗表明，本文設(shè)計的平直度檢測系統(tǒng)在水平（X）方向，檢測精度高于0.2 mm，垂直（Y）方向的位移檢測精度高于0.1 mm，而運動（Z）方向的采樣精度為100 mm。

從實驗結(jié)果可以看出，重軌水平方向和垂直方向所測定的位移的誤差不同，水平方向的測量誤差比垂直方向的測量誤差大一倍左右，這主要原因在于，這兩個方向的測量采用了不同傳感器的原因，重軌的水平方向、豎直方向2個表面的位移分別采用了基恩士的LK－2503模塊和VG－301模塊進(jìn)行采集，它們的采集原理和精度不一樣。

本文在實驗過程中還發(fā)現(xiàn)，對于氧化鐵皮的干擾，可以利用系統(tǒng)檢測中間過程中所得到的重軌表面粗糙度為依據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾而排除部分典型的氧化鐵皮干擾，但是，由于其復(fù)雜性和多樣性，實際檢測過程中很難完全排除。

4 結(jié)束語

針對高速重軌的平直度在線檢測問題，以及現(xiàn)場的工況和生產(chǎn)環(huán)境，本文提出了一個基于多傳感器融合的在線平直度檢測解決方案。該方案通過同步匹配、塊內(nèi)分析，塊間分析、幀分析，克服了氧化鐵皮、檢測對象低頻振動和高頻振動等干擾因素，得到平直度相關(guān)信息。實驗和實際應(yīng)用表明，該檢測方案是可行的，檢測速度可達(dá)3 m／s，檢測精度0.1 mm，重軌運行方向的采樣精度100 mm，滿足國際國內(nèi)等多級標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］中華人民共和國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB／T 233－2012［S］.

［2］Matsuda K，Roy M，Eiju T，et al.Straightness measurements with a reflection confocal optical system－an experimental study［J］.Applied Optics，2002，41（19）：3966-3970.

［3］Figliola R S，Beasley D E.Theory and design for mechanical measurements，3rd ed［M］.J.Wiley＆Sons，New York，2000.

［4］Unkuri J，Rantanen A，Manninen J，et al.Interferometric 30 m bench for calibrations of 1D scales and optical distance measuring instruments［J］.Measurement Science＆ Technology，2012，23 （9）.

［5］Hwang J，Park CH，Gao W，et al.A three－probe system for measuring the parallelism and straightness of a pair of rails for ultra －precision guideways［J］.Machine Tools＆Manufacture，2007，47（7）：1053-1058.

［6］Tchaban S V.Status and prospects of NDT for rail quality at Kuznetsk Steel Works［J］.Insight，2003，45（6）421-423.

［7］Kiyono S.Profile measurement using software datums［J］.JSPE，1995，61（8）：1059-1063.

［8］GaoW，Kiyono S.High accuracy profile measurement of a machined surface by the combined method［J］.Measurement，1996，19（1）：55-64.

［9］Fung E H K，Yang S M.An approach to on－machine motion error measurement of a linear slide［J］.Measurement，2001，29：51 -62.

Research on Online Rail Straightness Measurement

Zhan g Yuanhang1，Liu Zhao2

（1.College of Computer Science and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430070，China；2.College of Mechanical Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430070，China）

Rail straightness measurement is critical in rail production，in which the detecting speed，accuracy and stability directly affect the overall rail production.In this paper，using modern technology such as laser sensors，data acquisition，and computing technology，an innovative rail straightness measurement method was designed and implemented based on parallel computing.In the design，14 laser displacement sensors and 2 rotary encoders were used to measure respectively 7 level displacements，7 vertical displacements，and rail transmission displacement in real－time.After those signals conversed to digital and transferred to server computer，CPUs and GPUs will：1）synchronous matching，2）inner block analyzing，3）block analyzing，4）frame analyzing，5）straightness analyzing.The disturbing factors，such as iron oxides，side sliding，low frequency vibrations，and high frequency vibrations were eliminated.Finally，get the rail straightness information and output，save，transfer，or used to guide production.Experiments and practical application show that，the method not only is feasible，but also its detection speed can up to 3 m／s，and accuracy up to 0.1 mm.

rail；straightness measurement；online；nondestructive testing

1671-4598（2016）08-0036-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.010

：TP391

：A

2016-02-26；

：2016-03-29。

國家自然科學(xué)基金（51174151，61100133）。

張遠(yuǎn)航（1992-），男，河南省洛陽市人，碩士，主要從事多媒體數(shù)據(jù)挖掘等方向的研究。

劉 釗（1969-），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事人工智能、機(jī)器視覺、工業(yè)檢測等方向的研究。