基于組態(tài)軟件的棚車車體自動檢測系統(tǒng)

林卓恒

（株洲星聯(lián)鐵道車輛機(jī)電裝備有限責(zé)任公司，湖南 株洲 412003）

1 引言

我國鐵路各車輛制造廠家對新制貨車車體原來均采用比較原始的手工測量方法，檢測結(jié)果受人為因素的影響大，存在誤差大、效率低、費時、費力等弊端。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率，現(xiàn)采用計算機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)整車檢測自動化，以提升檢測手段，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2 檢測裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

棚車車體自動檢測裝置主要用于P70型棚車，車體鋼結(jié)構(gòu)組焊完后，以車體上心盤下平面為基準(zhǔn)來檢測車體尺寸。技術(shù)指標(biāo)以P70型棚車為主，同時滿足其他車型的自動檢測要求。

本自動檢測裝置主要由定位分中及緩沖機(jī)構(gòu)、測量基座、端部檢測機(jī)構(gòu)、枕梁部檢測機(jī)構(gòu)、中部檢測機(jī)構(gòu)組成。如圖1所示。

2.2 工作原理

1）定位分中及緩沖機(jī)構(gòu)由楔形撐開定位和緩沖支承油缸組合件組成。當(dāng)新制棚車被運至檢測裝置的上方后，由定位分中機(jī)構(gòu)和緩沖機(jī)構(gòu)，將棚車車體緩慢地落在檢測裝置上。

2）測量基座由2個心盤座和T形導(dǎo)軌組成。心盤座安裝在T形導(dǎo)軌上，能隨不同車型的長度尺寸變化而進(jìn)行調(diào)整，且調(diào)整后的高度差不大于0.5mm。檢測時，車體落在心盤座上，車體的上心盤下平面與心盤座接觸。由于整車的檢測都是以車體上心盤下平面為基準(zhǔn)，因此心盤座的上平面就是車體的測量基準(zhǔn)面。

圖1 檢測裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Detection device structure figure

3）端部檢測機(jī)構(gòu)由橫梁、測量牽引梁和端梁的測量超聲傳感器組件、4套檢測側(cè)墻傾斜的可旋轉(zhuǎn)和移動的檢測立柱組合件（每套裝有2個超聲波傳感器）組成。主要用于檢測牽引梁上翹、下垂，端梁高低差及側(cè)墻的傾斜。

4）枕梁部檢測機(jī)構(gòu)由橫梁、測量上心盤下平面的心盤檢測基準(zhǔn)座（裝有2個渦流傳感器）和檢測旁承的超聲波傳感器的組件組成。主要用于測量兩上心盤的平行度，旁承下平面與上心盤下平面平行度及旁承下平面與上心盤下平面高度差。

5）中部檢測機(jī)構(gòu)由橫梁、測量中梁和邊梁上撓度的超聲波傳感器組件組成。用于測量中梁和邊梁的上撓度。

6）超聲波傳感器組件安裝于T形導(dǎo)軌，安裝高度以心盤座上平面與車體被檢測部位的高度差為基準(zhǔn)，并能對應(yīng)不同車型尺寸進(jìn)行縱向、橫向移動，定位。

3 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System hardware structure

圖2中，上位機(jī)采用研華工控機(jī)，它是整套控制系統(tǒng)的核心。一方面，它直接采集現(xiàn)場傳感器的信號并運算處理，以模擬圖形顯示設(shè)備運行狀態(tài)及測量結(jié)果，完成報表文件的存檔和打印等；另一方面，通過讀寫PLC的內(nèi)存單元給PLC發(fā)出控制指令，控制現(xiàn)場傳動設(shè)備的運行。

PLC采用三菱FX2N－64MR型可編程序控制器。該機(jī)與上位機(jī)相連，向上位機(jī)傳送設(shè)備的實時狀態(tài)，接受并執(zhí)行上位機(jī)的實時控制指令，通過控制控制柜中的繼電器實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制?，F(xiàn)場設(shè)備包括車體分中定位裝置（液壓站油泵電機(jī)，電磁閥）、立柱升降裝置（測量車體傾斜）、旁承檢測裝置（步進(jìn)電機(jī)）。

現(xiàn)場檢測元件采用渦電流傳感器測量心盤間隙，超聲傳感器測量車體撓度、上翹下垂、旁承高度、旁承水平度及車體傾斜等參數(shù)。

1）由于要求心盤間隙的水平度不大于0.5mm，測量精度為0.05mm，因此，檢測裝置采用了KEYENCE的EX－200系列渦電流傳感器。其解析度和線性度高，使用內(nèi)置的線性化電路，可以精確地輸出絕對位移值；它具有自動歸零功能，便于參考目標(biāo)的零值調(diào)節(jié)；同時警報功能也較完善。當(dāng)感測頭損壞或纜線未連接時，ALARM LED指示燈亮，同時輸出報警信號；目標(biāo)物超出測量距離時，OVER LED指示燈亮，易于調(diào)節(jié)傳感器的位置。

2）P70型棚車車體的尺寸為16380mm×3300mm×3970mm，底架和側(cè)墻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分被檢測面不規(guī)整，而在檢測以心盤座上平面為基準(zhǔn)的各高度尺寸時，要求測量精度為0.5mm，因此，檢測裝置采用BANNER的Q45U系列超聲波傳感器。其測量范圍為100～1400mm，可根據(jù)需要設(shè)定檢測窗口；分辨率和線性度好，能精確檢測小范圍或界定區(qū)域的物體；抗干擾性與溫度補償性優(yōu)越；具有先進(jìn)的過濾電路，可屏蔽現(xiàn)場干擾?？紤]到周圍環(huán)境及被測物體的溫度梯度變化，在實際測量過程中對測量裝置的溫度補償性能提出了更高的要求，因此可利用BANNER超聲波傳感器組合對因溫度變化引起的測量誤差進(jìn)行補償。傳感器在正常或者變化的操作狀態(tài)下，當(dāng)有明顯的溫度變化時，由溫度補償電路進(jìn)行校對，甚至可用于溫度大梯度變化。

檢測時，利用超聲波傳感器和渦電流傳感器檢測車體的相關(guān)尺寸，并將實時數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)進(jìn)行計算、分析后與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，再根據(jù)對比結(jié)果對車體進(jìn)行整改，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。它包括2個部分：主測量軟件和報表管理軟件。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 System software flow chart

主測量軟件主要實現(xiàn)車型、車身號、操作員資料的記錄，各測量參數(shù)的采集、計算、判斷和現(xiàn)場設(shè)備的控制，是在TuringControl通用工業(yè)自動化監(jiān)控組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。TuringControl軟件吸收了國外組態(tài)軟件的優(yōu)點并應(yīng)用了目前先進(jìn)的計算機(jī)軟件技術(shù)，能全面支持ActiveX技術(shù)，提供極其靈活的面向?qū)ο蟮膭討B(tài)圖形功能及豐富的圖形庫；具備卓越的報警、報警管理及報警參數(shù)在線修改功能；高性能的I／O驅(qū)動支持OPC標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序；完整的安全保護(hù)特性為多個不同安全級別用戶使用的并且劃分不同安全區(qū)域的控制系統(tǒng)提供安全保護(hù)措施；提供了強大的界面圖形編輯工具。

檢測主界面能夠靜態(tài)地顯示檢測裝置全貌、步進(jìn)電機(jī)和所有檢測用傳感器的安裝位置；運用動態(tài)數(shù)據(jù)鏈接可在靜態(tài)畫面中動態(tài)地顯示各檢測傳感器的實時測量值和各步進(jìn)電機(jī)的運行狀況（運轉(zhuǎn)或停止、轉(zhuǎn)向以及是否有故障等），設(shè)備出現(xiàn)故障時可直觀地顯示故障位置；利用不同顏色來顯示不同報警狀態(tài)，同時還可發(fā)出聲音報警；還提供了控制按鈕，用于切換監(jiān)控畫面和人為控制硬件設(shè)備的運行狀態(tài)，用戶可在按鈕事件中編寫腳本，以實現(xiàn)畫面的切換和設(shè)備狀態(tài)的改變等。如圖4所示。

圖4 檢測系統(tǒng)主畫面Fig.4 Detection system main screen

主測量部分包括心盤水平度的測量、旁承高度與水平度測量、中梁的撓度測量與上翹下垂測量、邊梁的撓度測量與牽引梁上翹下垂測量、車體傾斜度的測量。

4.1 心盤水平度的測量

當(dāng)棚車落位后，車體下心盤至少有一點與心盤座在邊界接觸。從接觸點過心盤座中心，與心盤下平面組成三角形abc。另在心盤座橫向截面上，過兩傳感器與心盤下平面組成梯形fghi。如圖5所示。

圖5 心盤測量示意圖Fig.5 Measurement schemes of body center plate

在梯形fghi上：有上底fg＝km＝x1，下底hi＝x2，它們分別是傳感器的測量值（修正到心盤座平面）。高＝gj＝fi＝常數(shù)c1，它是兩傳感器安裝距離。則有中心線kl＝km＋ml＝x1＋（x2－x1）／2＝ （x2＋x1）／2，另在三角形abc上：有底線ab＝常數(shù)c1，它是兩傳感器安裝距離。中心線de＝kl＝（x1＋x2）／2，它與梯形中心線重合。則bc＝2 x de＝x1＋x2，即為所求的最大水平度。特殊的，當(dāng)x1＝0或x2＝0時，de＝x2；或de＝x1；表明落點在心盤座橫向截面上，此時橫向水平度為最大。又當(dāng)x1＝x2時，de＝2x1＝2x2；表明落點在心盤座縱向截面上，此時縱向水平度為最大。水平度的正負(fù)號，表征最大值出現(xiàn)的象限區(qū)域。如果對任何落點，僅要求橫向截面上的水平度，則將x1－x2即得。

4.2 旁承高度與水平度測量

當(dāng)車體落穩(wěn)并按下開始測量后，步進(jìn)電機(jī)帶動傳感器作圓周運動，分別在90°／270°對旁承高度進(jìn)行測量得到高度值x1，x2。并由此計算出：

4.3 中梁的撓度測量與上翹下垂測量

如圖6所示，在車體中梁上共設(shè)計3個固定傳感器分別作撓度測量和上翹下垂測量。每個測點均以心盤座上平面為基準(zhǔn)標(biāo)高對中梁進(jìn)行測量。

圖6 中梁測量示意圖Fig.6 Measurement schemes of center sill

4.4 邊梁的撓度測量與牽引梁上翹下垂測量

如圖7所示，在車體兩邊梁上各設(shè)計5個固定測量位，傳感器在不同位置分別作邊梁撓度測量和上翹下垂測量。每個測量點均以心盤座上平面為基準(zhǔn)標(biāo)高對邊梁進(jìn)行測量。

圖7 邊梁測量示意圖Fig.7 Measurement schemes of side sill

4.5 車體傾斜度的測量

如圖8所示，由分別裝在兩側(cè)立柱上的超聲波傳感器對車體側(cè)墻進(jìn)行測量，通過計算機(jī)計算取平均值。

某橫截面左立墻傾斜度＝x1－x3

某橫截面右立墻傾斜度＝x2－x4

在測量系統(tǒng)中，采用的傳感器的輸入／輸出特性均存在非線性誤差。為了提高測量準(zhǔn)確度，如何修正傳感器非線性誤差對測量精度的影響是本檢測系統(tǒng)的重點，也是難點。傳感器的非線性化修正有多種方法，如硬件修正法、查表法、分段直線修正法、計算法等。硬件補償法存在補償電路硬件零點漂移，難以全程有效補償；分段直線校正法存在對某些標(biāo)定點的依賴性大，不連續(xù)、不光滑，極可能不過零點等弊端。

圖8 車體傾斜測量示意圖Fig.8 Measurement schemes of tilting type car body

報表管理軟件采用VB6.0編制，主要提供報表的打印、多條件的歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

其部分查詢程序如下：

5 結(jié)論

棚車車體自動檢測裝置將組態(tài)軟件、PLC及測距傳感器相結(jié)合來實現(xiàn)棚車車體實時檢測，通過組態(tài)軟件的二次開發(fā)，設(shè)計出的人機(jī)界面友好、美觀并且系統(tǒng)運行穩(wěn)定、自動化程度高、檢測精度高。本檢測系統(tǒng)已經(jīng)在中國南車集團(tuán)長江公司投入運行1a多，目前使用效果良好。

［1］王春才，高春艷，李俊民.Visual Basic數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)完全手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2006.

［2］北京圖靈開物技術(shù)有限公司.圖靈開物組態(tài)軟件使用手冊［Z］.2007.

［3］KEYENCE公司.傳感器2007［Z］.2006.