鐵路貨車(chē)狀態(tài)修車(chē)輪尺寸的非接觸測(cè)量研究

杜彪　范帆　郭志遠(yuǎn)

摘要：針對(duì)輪軸檢修車(chē)間車(chē)輪尺寸檢測(cè)工序采用人工檢測(cè)的情況，對(duì)車(chē)輪尺寸的非接觸測(cè)量方式進(jìn)行進(jìn)探索改造，降低給測(cè)量工序的人工參與，提高檢修流程的自動(dòng)化程度。

Abstract： In view of the fact that manual inspection is adopted in the wheel dimension inspection process of the axle overhaul workshop， the non-contact measurement method of wheel dimension is explored and reformed to reduce the manual participation in the measurement process and improve the automation degree of the maintenance process.

關(guān)鍵詞：輪軸;檢修;自動(dòng)化;機(jī)械手

Key words： axle;overhaul;automation;mechanical arm

0 ?引言

隨著當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，鐵路運(yùn)輸也得到飛快的進(jìn)步，鐵路車(chē)輛作為鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ咴阼F路運(yùn)輸與發(fā)展過(guò)程中起著十分重要的作用。在國(guó)內(nèi)，鐵路運(yùn)輸線路布局廣泛，營(yíng)業(yè)路程遍布祖國(guó)大江南北，使得鐵路運(yùn)輸成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成之一[1]。在鐵路車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)輛輪對(duì)是保證其安全運(yùn)行的重要組成部件，因而保證車(chē)輛輪對(duì)的質(zhì)量是非常重要的。

傳統(tǒng)檢修模式存在很多弊端。首先，事后檢修模式存在的問(wèn)題是打亂了鐵輪貨車(chē)正常運(yùn)行計(jì)劃，同時(shí)，人力、物力等資源的供應(yīng)也使得整個(gè)檢修過(guò)程處于緊張、忙碌、效率低的狀態(tài)。而定期檢修模式存在的問(wèn)題是定期檢修必須有大量的人力和物力投入，在某種程度上具有盲目性，浪費(fèi)了資源的利用率。因此，本文提出對(duì)輪對(duì)檢測(cè)實(shí)行狀態(tài)檢修的方式，貫徹預(yù)防為主、執(zhí)行定期檢查的制度。對(duì)維護(hù)設(shè)備質(zhì)量、保證日常運(yùn)輸需要，起到了一定的作用。

1 ?國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

國(guó)外眾多研究機(jī)構(gòu)較早進(jìn)行了輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)的研究[3]，如：美國(guó)Loram公司于20世紀(jì)90年代中期研制出高、低速下的車(chē)輪自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng);日本20世紀(jì)90年代末研制出車(chē)輪踏面形狀自動(dòng)檢測(cè)裝置，可以同時(shí)檢測(cè)輪對(duì)輪廓參數(shù)，測(cè)量誤差精度相對(duì)較高。國(guó)內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)也在近年開(kāi)發(fā)了輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)：成都主導(dǎo)科技公司研制的LY系統(tǒng)輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)[4]，廣州負(fù)擔(dān)奧特公司研制的AUT-3500輪對(duì)尺寸在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]均實(shí)現(xiàn)了輪對(duì)幾何參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量。上述系統(tǒng)主要是采用光截圖像法[7]，當(dāng)輪對(duì)通過(guò)測(cè)量裝置時(shí)，激光照射到待測(cè)輪對(duì)，用光電傳感器捕捉通過(guò)的輪對(duì)輪緣，同時(shí)告訴CCD（電荷耦合元件）拍攝，對(duì)所拍攝的圖像經(jīng)過(guò)濾波和細(xì)化處理，抽出激光圖像的中心線，算出輪對(duì)尺寸，該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易受環(huán)境干擾，重復(fù)測(cè)量精度低。在國(guó)內(nèi)，仍然有許多鐵路貨運(yùn)車(chē)輛采用人工測(cè)量的方式，測(cè)量精度低，浪費(fèi)勞動(dòng)資源。因此，本文針對(duì)鐵路貨運(yùn)車(chē)輛輪對(duì)收入檢測(cè)背景，開(kāi)發(fā)出一套輪對(duì)踏面尺寸智能檢測(cè)系統(tǒng)具有重要意義，同時(shí)，將這套系統(tǒng)應(yīng)用到鐵路貨車(chē)輪對(duì)狀態(tài)修中以預(yù)防為主、定期檢查當(dāng)中去，對(duì)整個(gè)狀態(tài)修的執(zhí)行提供技術(shù)上的輔助作用，進(jìn)而保證狀態(tài)修的順利、有效的執(zhí)行。

2 ?系統(tǒng)組成及主要功能

輪對(duì)在線檢測(cè)系統(tǒng)主要包含六個(gè)組成部分：車(chē)輪尺寸測(cè)量激光位移傳感器、車(chē)軸尺寸測(cè)量激光位移傳感器、激光傳感器陣列結(jié)構(gòu)基座、車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)勻速驅(qū)動(dòng)裝置、激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)、車(chē)輪尺寸采集測(cè)量軟件。激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)與車(chē)輪尺寸采集測(cè)量軟件采用socket通信的方式，激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)送指令，車(chē)輪采集測(cè)量軟件主要負(fù)責(zé)同步采集輪對(duì)踏面數(shù)據(jù)和計(jì)算輪對(duì)踏面尺寸、磨損等參數(shù)并給予通信應(yīng)答，在車(chē)輪采集測(cè)量軟件進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，不進(jìn)行其他通信指令的執(zhí)行。

2.1 車(chē)輪尺寸測(cè)量激光位移傳感器

在輪對(duì)尺寸測(cè)量系統(tǒng)中包含四個(gè)車(chē)輪尺寸測(cè)量激光位移傳感器，兩個(gè)用于車(chē)輪外側(cè)尺寸測(cè)量，兩個(gè)用于車(chē)輪內(nèi)側(cè)尺寸測(cè)量。

車(chē)輪內(nèi)、外側(cè)尺寸測(cè)量激光位移傳感器時(shí)域特征：

由二維激光位移傳感器得到車(chē)輪外側(cè)激光線型，經(jīng)過(guò)圖像的后期處理，將外側(cè)圖像進(jìn)行定位、切割、重構(gòu)，得到完整的輪緣外側(cè)形狀。通過(guò)標(biāo)定裝置，對(duì)輪對(duì)踏面測(cè)量激光位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定，得到左外側(cè)和左內(nèi)側(cè)、右外側(cè)和右內(nèi)側(cè)所在坐標(biāo)系的空間變換關(guān)系。假設(shè)系統(tǒng)標(biāo)定后得到左外側(cè)激光位移傳感器在世界坐標(biāo)系下在X、Y平面空間的水平夾角分別是α，那么，根據(jù)幾何關(guān)系可以得到新坐標(biāo)系下的變換關(guān)系如下：

x1=x*cosα+y*sinα

y1=y*cosα-x*sinα

2.2 車(chē)軸尺寸測(cè)量激光位移傳感器

打到車(chē)軸尺寸測(cè)量激光位移傳感器的數(shù)據(jù)利用Doolittle[2]分解法計(jì)算得到軸心位置坐標(biāo)。用于后續(xù)計(jì)算車(chē)輪的輪緣直徑。

2.3 激光傳感器陣列結(jié)構(gòu)基座

水平安裝架為激光傳感器陣列結(jié)構(gòu)基座示意圖，該結(jié)構(gòu)基座主要是為了固定車(chē)輪尺寸測(cè)量激光位移傳感器和車(chē)軸尺寸測(cè)量激光位移傳感器。與此同時(shí)，還將保證車(chē)輪內(nèi)側(cè)尺寸測(cè)量激光位移傳感器和車(chē)輪外側(cè)尺寸測(cè)量激光位移傳感所打出的激光線條在踏面重合，保證采集到有效的車(chē)輪踏面數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個(gè)二維激光位移傳感器對(duì)準(zhǔn)同一個(gè)剖面照射鐵軌時(shí)，由于2段激光投射線有相互干涉，因此采用兩種不同顏色的光，一個(gè)為紅光，一個(gè)為藍(lán)光。

2.4 激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)

激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)主要是控制傳感器的同步工作，來(lái)保證上位機(jī)可以同步、精準(zhǔn)的采集到車(chē)輪尺寸測(cè)量激光位移傳感器的數(shù)據(jù)和車(chē)軸尺寸測(cè)量激光位移傳感器的數(shù)據(jù)。同時(shí)，控制車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)勻速驅(qū)動(dòng)裝置的工作，來(lái)保證車(chē)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使得上位機(jī)連續(xù)采樣輪對(duì)踏面曲線速率的同步，最終完成多角度輪對(duì)踏面曲線的采集。

2.5 車(chē)輪尺寸測(cè)量軟件

車(chē)輪尺寸測(cè)量軟件主要是分為兩個(gè)部分：一是同步控制采集部分，同步控制采集主要是對(duì)車(chē)輪外側(cè)踏面曲線和車(chē)輪內(nèi)側(cè)踏面曲線的同步采集控制。二是算法部分。其中算法部分包含輪對(duì)尺寸計(jì)算和輪對(duì)踏面磨損算法。最終將得到輪對(duì)尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)和踏面磨損區(qū)域信息以報(bào)文形式發(fā)送給遠(yuǎn)端上位機(jī)，以方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員查看、分析和核對(duì)。此外，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)具有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)查詢功能、對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)提供報(bào)表、繪制歷史曲線趨勢(shì)圖，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示、打印。

2.6 多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的融合與統(tǒng)一

將左外側(cè)輪對(duì)踏面測(cè)量激光位移傳感器和左內(nèi)側(cè)輪對(duì)踏面測(cè)量激光位移傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)過(guò)濾、坐標(biāo)系變換、最高點(diǎn)拼接擬合等計(jì)算后，會(huì)得到完整的左側(cè)車(chē)輪踏面曲線，如圖1所示。

根據(jù)重構(gòu)的車(chē)輪踏面二維形廓圖可計(jì)算出車(chē)輪的主要幾何尺寸。由圖2可以得到，以輪對(duì)內(nèi)側(cè)面為基準(zhǔn)找到距內(nèi)側(cè)面70mm處的踏面基準(zhǔn)線和輪徑測(cè)量基線，踏面基準(zhǔn)線至輪緣頂點(diǎn)的距離稱為輪緣高度，輪徑測(cè)量基線向輪緣頂點(diǎn)方向平移10mm與輪緣的交線長(zhǎng)稱為輪緣寬度。系統(tǒng)能夠自動(dòng)測(cè)量輪對(duì)各關(guān)鍵尺寸，包括輪緣高度、輪緣厚度、圓周磨耗、垂直磨耗、輪輞厚度等參數(shù)，并對(duì)踏面是否存在損傷提出預(yù)警與報(bào)警。

關(guān)于車(chē)輪內(nèi)側(cè)距的計(jì)算，依據(jù)系統(tǒng)標(biāo)定角度進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)后，會(huì)得到兩個(gè)坐標(biāo)系在水平方向的偏移量。依據(jù)水平方向的偏移量Δx和標(biāo)定物的絕對(duì)長(zhǎng)度l，得到車(chē)輪內(nèi)側(cè)距的計(jì)算公式如下：

L=Δx+l

針對(duì)直徑的測(cè)量，系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程中，會(huì)獲知車(chē)軸尺寸測(cè)量激光位移傳感器所在坐標(biāo)系與左側(cè)輪對(duì)踏面測(cè)量激光位移傳感器坐標(biāo)系和右側(cè)輪對(duì)踏面測(cè)量激光位移傳感器坐標(biāo)系在垂直方向的偏移量Δy1和Δy2。在實(shí)際測(cè)量中，根據(jù)車(chē)軸尺寸測(cè)量激光位移傳感器的采集數(shù)據(jù)，利用Doolittle直接分解算法，準(zhǔn)確的得到軸心位移坐標(biāo)（x，y），進(jìn)而計(jì)算得到左側(cè)和右側(cè)車(chē)輪直徑的計(jì)算公式如下：

D1=2*（maxY1-y-Δy1）

D2=2*（maxY2-y-Δy2）

其中maxY1和maxY2分別是左側(cè)輪對(duì)踏面曲線最高點(diǎn)的縱坐標(biāo)以及右側(cè)輪對(duì)踏面曲線最高點(diǎn)的縱坐標(biāo)。

由于收入回來(lái)的車(chē)輪存在不同程度的磨損，因此車(chē)輪輪對(duì)尺寸測(cè)量系統(tǒng)采取分別對(duì)輪對(duì)不同位置進(jìn)行采樣分析，最終得到可供參考的三組有效數(shù)據(jù)來(lái)供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員進(jìn)行參考。

表1為現(xiàn)場(chǎng)的部分測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果。

表2為真實(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果。

3 ?研究結(jié)果與實(shí)現(xiàn)意義

本文提出了針對(duì)鐵路貨車(chē)輪對(duì)收入的在線輪對(duì)尺寸測(cè)量系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，直徑、內(nèi)側(cè)距、輪輞厚度、圓周磨耗、輪緣高度等測(cè)量指標(biāo)精度在-1mm～1mm范圍內(nèi)。與此同時(shí)，安裝工況結(jié)合具體測(cè)量環(huán)境，與以往基于激光三角法進(jìn)行輪對(duì)在線尺寸檢測(cè)系統(tǒng)具有很大創(chuàng)新性和實(shí)用性。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，鏡頭不干凈、空氣中灰塵量大、或者是激光傳感器陣列結(jié)構(gòu)基座發(fā)生移動(dòng)等等也會(huì)或多或少的造成傳感器采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響測(cè)量的精度。因此，在設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中需要定期維護(hù)，在大多數(shù)情況下，系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)比較可靠，并且該設(shè)備能夠節(jié)約人力成本、提高設(shè)備工作效率、降低設(shè)備工作時(shí)長(zhǎng)，能夠穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)間工作。因此，對(duì)輪對(duì)尺寸進(jìn)行非接觸的技術(shù)檢測(cè)，進(jìn)而保證鐵路貨車(chē)車(chē)輪的正常使用，對(duì)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修監(jiān)測(cè)，提高鐵路貨車(chē)車(chē)輪的使用效率具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介：杜彪（1985-），男，陜西榆林人，本科，工程師，研究方向?yàn)檐?chē)輛工程。