高精度激光輪檢測分析論文

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摘要：介紹了一套光機電一體化火車輪對自動檢測系統。該系統采用了高精度激光位移測量、高速同步采樣等多項新技術。測量算法采用數字濾波、曲線擬合等多種數據處理方法。所實現的系統具有可靠性高、抗干擾能力強、測量精度高等優點，具有很強的實際應用價值。

關鍵詞：自動檢測激光位移測量同步采樣數字濾波貨車輪對

近年來，由于列車的提速以及列車軸承化的發展和鐵路信息化管理的需求，傳統的手工輪對測量裝置因效率低、差錯率高、不便于信息化管理而不能滿足當前的需要。與此同時，由于列車向高速重載方向發展，使得列車輪對的磨耗加劇，檢修周期縮短，導致各車輛檢修段的工作量加大，因此及時準確地掌握車輪輪對的磨耗狀況是非常必要的。研究相應的檢測技術可以為鐵路部門提供實用的檢測裝置，同時也為高速鐵路輪軌關系的研究提供了實用的檢測手段。本文針對輪對檢測的關鍵技術問題，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、數字濾波和曲線擬合等先進技術實現的包括控制總成和機械總成在內的光機電一體化的火車輪對檢測及診斷系統。該系統不僅能夠迅速檢測出輪對的外形參數，而且能夠解決目前最為關鍵的踏面參數檢測問題。該系統按照《中華人民共和國鐵道部鐵路貨車輪對和滾動軸承組裝及檢修規則》對工藝標準的要求，可對檢修過程中的已安裝或未安裝軸承的列車輪對的相關尺寸參數進行非接觸快速自動測量，其應用必將為列車輪對的測量和檢修提供一種全自動、高精度、高效率的檢測手段。

1測量系統簡述

本系統是能全自動測量鐵路車輛輪對幾何參數并實現計算機自動化管理的裝置。檢測系統采用高精度激光傳感器LK501以及高速同步采樣等新技術，從而保證了所設計的系統能夠既快速又準確地完成輪對相關參數的檢測。整個檢測系統的電控部分主要由上位控制計算機及接口、下位計算機（完成測量頭運動控制、同步數據采集、采集數據的上傳等）、伺服電機控制器、輪對運動控制部分、標志板圖像錄入部分等組成。上位機軟件操作界面友好、功能豐富，具有一定的動畫顯示功能，能完成測量數據的顯示、存儲，檢測結果能自動打印在車統51－C卡片上。

1．1系統的基本組成

本系統由機械系統和電控系統兩大部分組成。機械系統是輪對控制的執行機構，主要完成輪對的運動功能，如進輪、緩沖、舉升、轉輪、落輪和出輪等，其執行部件是電磁閥和氣缸。本文主要研究電控系統的設計與實現，故下面將重點介紹電控系統。電控系統由兩部分組成：(1)測量控制電路；(2)隨動執行機構。系統的組成如圖1所示。

1．2系統工作原理簡介

1．2．1隨動執行機構

螺旋滾珠絲桿和精密直線滑動導軌組成的機械傳動機構安裝在伺服電機上，而激光傳感器安裝在滑座上。當電機按預定的運行方式運動時，帶動激光傳感器對輪對進行掃描。

1．2．2測量控制電路

通過下位機的控制輸出單元驅動輪對控制執行機構，使輪對到達預定工位,同時啟動伺服電機開始掃描測量。

測量開始時，被測工件與激光傳感器之間的距離為一設定值(此設定值對應于激光傳感器線性測量段的零點)。在測量過程中，激光傳感器沿著滑動導軌運動，當被測工件尺寸發生變化時，激光傳感器與工件的距離也將改變，其輸出電壓信號也隨之改變，經過A／D轉換單元采樣后送入下位機，此為輪對的徑（Y）向數據。

與此同時，下位機同步計數來自伺服電機控制器的反饋脈沖數，單片機以此計算激光傳感器沿滑動導軌運動的位移，此為輪對的軸向數據。

伺服電機根據設定的運動速度運行，同時電機控制器把電機上光電編碼器輸出的一定頻率的反饋脈沖送入下位機。下位機對該脈沖進行計數，每隔20個計數脈沖(對應于軸向的0．1mm)，通過A／D轉換器對激光傳感器的測量輸出數據進行采樣。這樣就實現了同步采樣。

下位機通過基于RS422A標準的串行接口將數據高速傳輸到上位機。上位機融合徑向和軸向數據后，即可畫出被測工件的二維圖像并計算出相關的輪對外形幾何參數。

2系統檢測與管理軟件

2．1軟件系統簡述

系統檢測與管理軟件主要完成測量數據的處理及解算出輪對的各種幾何參數，從而獲得檢測結果。該軟件以C＋＋Builder5．0為開發平臺，采用多任務和多線程模塊化設計，主要包括主界面顯示模塊、測量信息處理模塊、串行通信模塊、數據庫管理模塊、圖像錄入及顯示模塊和輪對信息打印模塊等。根據本檢測系統的具體特點和要求，軟件系統總框圖如圖2所示。

2．2軟件模塊及功能

監控模塊是該軟件的核心，主要包括主界面顯示模塊、測量信息處理模塊和數據庫管理模塊等。

2．2．1主界面顯示模塊

該模塊顯示檢測列車輪對過程中的測量信息，包括輪對運動的控制和動畫顯示、輪對軸端標志牌的攝像、輪對外形幾何參數以及被測輪對的外形圖顯示等。

2．2．2測量信息處理模塊

該模塊用于下位機上傳的測量數據的分析和處理，主要包括數字濾波和曲線擬合以及相關參數的計算等。該模塊是上位機軟件的重點所在，其數據處理算法的優劣直接關系到了本檢測系統的最終測量精度。

2．2．3數據庫管理模塊

該模塊存儲操作人員管理信息、被檢測列車輪對的全部信息。這些信息不能隨意修改，模塊提供密碼保護功能，只有系統管理員才能進入。同時它還具有數據庫查詢和統計功能，可以分別按操作人員、檢測日期來查詢歷史檢測記錄，并且管理人員可以統計近期工作量，以此來制定后階段的工作計劃。

串行通訊子線程主要負責上位機和下位機之間的信息交換，是相對于主線程比較獨立的線程，平時運行于后臺，隨時監視串行口的動作。該線程采用雙串口協調機制，以保證達到高速同步測量的目的。圖像信息的錄入采用基于USB接口的攝像頭，以滿足高速高質量圖像傳輸的要求。

采用上述的軟硬件設計方法，本高精度激光輪對檢測系統可靠性高、抗干擾能力強，各項性能指標都達到了系統測量精度的要求，具有很強的實際應用價值。系統測量精度如表1所示。

表1系統測量精度度

項目名稱設計精度/mm實際精度/mm

軸中央直徑±0.1±0.08

輪緣厚±0.2±0.1

踏面磨耗±0.5±0.1

車輪直徑±0.5±0.1

輪輞寬±0.5±0.15

輪座直徑±0.5±0.15