一種新型高精度激光輪對(duì)檢測(cè)裝置

摘要：介紹了一套光機(jī)電一體化火車輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了高精度激光位移測(cè)量、高速同步采樣等多項(xiàng)新技術(shù)。測(cè)量算法采用數(shù)字濾波、曲線擬合等多種數(shù)據(jù)處理方法。所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)，由于列車的提速以及列車軸承化的發(fā)展和鐵路信息化管理的需求，傳統(tǒng)的手工輪對(duì)測(cè)量裝置因效率低、差錯(cuò)率高、不便于信息化管理而不能滿足當(dāng)前的需要。與此同時(shí)，由于列車向高速重載方向發(fā)展，使得列車輪對(duì)的磨耗加劇，檢修周期縮短，導(dǎo)致各車輛檢修段的工作量加大，因此及時(shí)準(zhǔn)確地掌握車輪輪對(duì)的磨耗狀況是非常必要的。研究相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)可以為鐵路部門提供實(shí)用的檢測(cè)裝置，同時(shí)也為高速鐵路輪軌關(guān)系的研究提供了實(shí)用的檢測(cè)手段。本文針對(duì)輪對(duì)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，提出了采用ＣＣＤ攝像頭、大量程高精度激光位移傳感器以及高速同步采樣、數(shù)字濾波和曲線擬合等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的包括控制總成和機(jī)械總成在內(nèi)的光機(jī)電一體化的火車輪對(duì)檢測(cè)及診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠迅速檢測(cè)出輪對(duì)的外形參數(shù)，而且能夠解決目前最為關(guān)鍵的踏面參數(shù)檢測(cè)問(wèn)題。該系統(tǒng)按照《中華人民共和國(guó)鐵道部鐵路貨車輪對(duì)和滾動(dòng)軸承組裝及檢修規(guī)則》對(duì)工藝標(biāo)準(zhǔn)的要求，可對(duì)檢修過(guò)程中的已安裝或未安裝軸承的列車輪對(duì)的相關(guān)尺寸參數(shù)進(jìn)行非接觸快速自動(dòng)測(cè)量，其應(yīng)用必將為列車輪對(duì)的測(cè)量和檢修提供一種全自動(dòng)、高精度、高效率的檢測(cè)手段。

１ 測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)述

本系統(tǒng)是能全自動(dòng)測(cè)量鐵路車輛輪對(duì)幾何參數(shù)并實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化管理的裝置。檢測(cè)系統(tǒng)采用高精度激光傳感器ＬＫ５０１以及高速同步采樣等新技術(shù)，從而保證了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠既快速又準(zhǔn)確地完成輪對(duì)相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的電控部分主要由上位控制計(jì)算機(jī)及接口、下位計(jì)算機(jī)（完成測(cè)量頭運(yùn)動(dòng)控制、同步數(shù)據(jù)采集、采集數(shù)據(jù)的上傳等）、伺服電機(jī)控制器、輪對(duì)運(yùn)動(dòng)控制部分、標(biāo)志板圖像錄入部分等組成。上位機(jī)軟件操作界面友好、功能豐富，具有一定的動(dòng)畫(huà)顯示功能，能完成測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)，檢測(cè)結(jié)果能自動(dòng)打印在車統(tǒng)５１－Ｃ卡片上。

１．１ 系統(tǒng)的基本組成

本系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)兩大部分組成。機(jī)械系統(tǒng)是輪對(duì)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要完成輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)功能，如進(jìn)輪、緩沖、舉升、轉(zhuǎn)輪、落輪和出輪等，其執(zhí)行部件是電磁閥和氣缸。本文主要研究電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，故下面將重點(diǎn)介紹電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)由兩部分組成：(１)測(cè)量控制電路；(２)隨動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)的組成如圖１所示。

１．２ 系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)介

１．２．１ 隨動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

螺旋滾珠絲桿和精密直線滑動(dòng)導(dǎo)軌組成的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在伺服電機(jī)上，而激光傳感器安裝在滑座上。當(dāng)電機(jī)按預(yù)定的運(yùn)行方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)激光傳感器對(duì)輪對(duì)進(jìn)行掃描。

１．２．２ 測(cè)量控制電路

通過(guò)下位機(jī)的控制輸出單元驅(qū)動(dòng)輪對(duì)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使輪對(duì)到達(dá)預(yù)定工位,同時(shí)啟動(dòng)伺服電機(jī)開(kāi)始掃描測(cè)量。

測(cè)量開(kāi)始時(shí)，被測(cè)工件與激光傳感器之間的距離為一設(shè)定值(此設(shè)定值對(duì)應(yīng)于激光傳感器線性測(cè)量段的零點(diǎn))。在測(cè)量過(guò)程中，激光傳感器沿著滑動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，當(dāng)被測(cè)工件尺寸發(fā)生變化時(shí)，激光傳感器與工件的距離也將改變，其輸出電壓信號(hào)也隨之改變，經(jīng)過(guò)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換單元采樣后送入下位機(jī)，此為輪對(duì)的徑（Ｙ）向數(shù)據(jù)。

與此同時(shí)，下位機(jī)同步計(jì)數(shù)來(lái)自伺服電機(jī)控制器的反饋脈沖數(shù)，單片機(jī)以此計(jì)算激光傳感器沿滑動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的位移，此為輪對(duì)的軸向數(shù)據(jù)。

伺服電機(jī)根據(jù)設(shè)定的運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)行，同時(shí)電機(jī)控制器把電機(jī)上光電編碼器輸出的一定頻率的反饋脈沖送入下位機(jī)。下位機(jī)對(duì)該脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，每隔２０個(gè)計(jì)數(shù)脈沖(對(duì)應(yīng)于軸向的０．１ｍｍ)，通過(guò)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器對(duì)激光傳感器的測(cè)量輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。這樣就實(shí)現(xiàn)了同步采樣。

下位機(jī)通過(guò)基于ＲＳ４２２Ａ標(biāo)準(zhǔn)的串行接口將數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)融合徑向和軸向數(shù)據(jù)后，即可畫(huà)出被測(cè)工件的二維圖像并計(jì)算出相關(guān)的輪對(duì)外形幾何參數(shù)。

２ 系統(tǒng)檢測(cè)與管理軟件

２．１ 軟件系統(tǒng)簡(jiǎn)述

系統(tǒng)檢測(cè)與管理軟件主要完成測(cè)量數(shù)據(jù)的處理及解算出輪對(duì)的各種幾何參數(shù)，從而獲得檢測(cè)結(jié)果。該軟件以Ｃ＋＋ Ｂｕｉｌｄｅｒ ５．０為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用多任務(wù)和多線程模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主界面顯示模塊、測(cè)量信息處理模塊、串行通信模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、圖像錄入及顯示模塊和輪對(duì)信息打印模塊等。根據(jù)本檢測(cè)系統(tǒng)的具體特點(diǎn)和要求，軟件系統(tǒng)總框圖如圖２所示。

２．２ 軟件模塊及功能

監(jiān)控模塊是該軟件的核心，主要包括主界面顯示模塊、測(cè)量信息處理模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊等。

２．２．１ 主界面顯示模塊

該模塊顯示檢測(cè)列車輪對(duì)過(guò)程中的測(cè)量信息，包括輪對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制和動(dòng)畫(huà)顯示、輪對(duì)軸端標(biāo)志牌的攝像、輪對(duì)外形幾何參數(shù)以及被測(cè)輪對(duì)的外形圖顯示等。

２．２．２ 測(cè)量信息處理模塊

該模塊用于下位機(jī)上傳的測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和處理，主要包括數(shù)字濾波和曲線擬合以及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算等。該模塊是上位機(jī)軟件的重點(diǎn)所在，其數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)劣直接關(guān)系到了本檢測(cè)系統(tǒng)的最終測(cè)量精度。

２．２．３ 數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊

該模塊存儲(chǔ)操作人員管理信息、被檢測(cè)列車輪對(duì)的全部信息。這些信息不能隨意修改，模塊提供密碼保護(hù)功能，只有系統(tǒng)管理員才能進(jìn)入。同時(shí)它還具有數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和統(tǒng)計(jì)功能，可以分別按操作人員、檢測(cè)日期來(lái)查詢歷史檢測(cè)記錄，并且管理人員可以統(tǒng)計(jì)近期工作量，以此來(lái)制定后階段的工作計(jì)劃。

串行通訊子線程主要負(fù)責(zé)上位機(jī)和下位機(jī)之間的信息交換，是相對(duì)于主線程比較獨(dú)立的線程，平時(shí)運(yùn)行于后臺(tái)，隨時(shí)監(jiān)視串行口的動(dòng)作。該線程采用雙串口協(xié)調(diào)機(jī)制，以保證達(dá)到高速同步測(cè)量的目的。圖像信息的錄入采用基于ＵＳＢ接口的攝像頭，以滿足高速高質(zhì)量圖像

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