高鐵軌道板快速檢測(cè)方法研究

盧 書，李宗春，馮其強(qiáng)，張冠宇

（1.信息工程大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，河南 鄭州450052；2.96212部隊(duì)，廣東 揭陽515347）

20世紀(jì)60年代以來，以日本新干線、法國TGV和德國高鐵為代表的高速鐵路開始在世界各國發(fā)展［1］。我國通過原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新相結(jié)合，自主研發(fā)了CRTSIII型新型軌道板，并成功應(yīng)用于武黃城際高速與成灌城際高速。軌道板鋪裝前必須經(jīng)過嚴(yán)格的檢測(cè)，首先檢測(cè)模具是否符合精度要求，然后檢測(cè)軌道成品板是否符合要求。高速鐵路的修建需要大量的軌道板，實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)目前的檢測(cè)方法效率還很低，未能實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè)，影響生產(chǎn)和工程的進(jìn)度，且給工程留下了質(zhì)量隱患。

軌道板檢測(cè)是指測(cè)量軌道板的外形尺寸參數(shù)是否在設(shè)計(jì)值要求限差內(nèi)，外形尺寸主要包括長(zhǎng)、寬、厚以及大小鉗口距和平面度等。目前，軌道板檢測(cè)方法主要有游標(biāo)卡尺方法和全站儀法2種。在不考慮兩者精度相差的情況下，2種方法檢測(cè)效率都很低。本文將近景攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于軌道板檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)驗(yàn)表明該方法在保證精度的前提下大幅度提高了檢測(cè)效率，滿足實(shí)際生產(chǎn)和工程應(yīng)用的進(jìn)度。

1 目前的檢測(cè)方法

表1給出軌道板外形尺寸偏差符合表的規(guī)定及每批100塊成品板需要檢測(cè)的數(shù)量。

1.1 游標(biāo)卡尺法

游標(biāo)卡尺的主要功能是檢測(cè)工件的長(zhǎng)度、深度，內(nèi)、外徑尺寸等［2］。表1可以看出，利用游標(biāo)卡尺功能可以快速完成預(yù)埋套管、扣件間距等檢測(cè)項(xiàng)目，部分項(xiàng)目需要借助某些簡(jiǎn)單的輔助工裝，如板的長(zhǎng)、寬、厚度需要鋼尺來完成；坡度檢測(cè)需要坡度尺來完成；平面度檢測(cè)需要通過檢測(cè)工裝位置間接計(jì)算得出結(jié)果等。

游標(biāo)卡尺法操作比較簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)比較明顯。一是多種檢測(cè)工具的使用使檢測(cè)過程復(fù)雜化影響檢測(cè)效率；二是依靠人工記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)管理效率不高，致使檢測(cè)效率低。

表1 成品板外形尺寸偏差和質(zhì)量要求

1.2 全站儀法

全站儀法是采用間接測(cè)量方式，利用全站儀獲得軌道板與計(jì)算參數(shù)位置有關(guān)的點(diǎn)位的坐標(biāo)，然后根據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析擬合得到軌道板各項(xiàng)參數(shù)值，再將擬合得到的參數(shù)值與輸入的軌道板設(shè)計(jì)參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比得到偏差文件，最后將偏差文件的數(shù)據(jù)與軌道板各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的限差進(jìn)行比較，可以檢測(cè)出軌道板是否符合設(shè)計(jì)要求。

圖1是武漢某板廠采用全站儀法檢測(cè)軌道板的示意圖。以計(jì)算扣件間距為例介紹全站儀法檢測(cè)軌道板。

1）以測(cè)站A為原點(diǎn)，全站儀半測(cè)回觀測(cè)1～32號(hào)點(diǎn)（套管點(diǎn)），得到原點(diǎn)至每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的水平角和垂直角及距離，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

2）根據(jù)兩點(diǎn)間的距離公式，計(jì)算1號(hào)點(diǎn)與3號(hào)點(diǎn)的距離為軌道左軌左側(cè)第一個(gè)扣件間距，依次計(jì)算共28個(gè)扣件間距。

3）將計(jì)算得到的扣件距離與設(shè)計(jì)參數(shù)值做差得到偏差值。計(jì)算1號(hào)距3號(hào)扣件的距離是686.7mm，設(shè)計(jì)值是687mm，偏差值是-0.3mm。查表1設(shè)計(jì)限差為±2.0mm，此1號(hào)至3號(hào)扣件間距合格。若所有計(jì)算的間距滿足設(shè)計(jì)值則此板扣件間距此項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)合格。

圖1 全站儀法檢測(cè)示意圖

全站儀法采用了帶有驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的全站儀，用程序驅(qū)動(dòng)馬達(dá)自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)提高觀測(cè)效率；采用計(jì)算機(jī)管理數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)分析的效率，全站儀法比游標(biāo)卡尺法效率高。但檢測(cè)軌道底板、承軌臺(tái)（槽）等的平面度需要采用水準(zhǔn)儀觀測(cè)水準(zhǔn)的辦法解決；檢測(cè)軌底坡、鉗口面等的坡度需要采用坡度尺直接量測(cè)。多種檢測(cè)工具的使用使檢測(cè)方法復(fù)雜化，全站儀法檢測(cè)效率提高不大。

2 攝影測(cè)量檢測(cè)方法

數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，在國內(nèi)外都有很多成功的應(yīng)用案例，如飛機(jī)外形測(cè)量、汽車車身檢測(cè)、水下攝影測(cè)量、大型地面天線測(cè)量、星載天線熱真空變形測(cè)量、大型工業(yè)設(shè)備變形測(cè)量等［3］。

V-STARS系統(tǒng)在10m的范圍內(nèi)測(cè)量的點(diǎn)位精度能達(dá)到亞毫米［4］，精度與全站儀系統(tǒng)相當(dāng)，某些情況下甚至比全站儀系統(tǒng)精度高，完全滿足測(cè)量要求。諸多文獻(xiàn)表明近景攝影測(cè)量用于面型檢測(cè)的精度高且效率高，將攝影測(cè)量方法應(yīng)用于軌道板檢測(cè)，利用其能方便快速地得到大批量測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能達(dá)到軌道板快速檢測(cè)的目的。實(shí)驗(yàn)表明，攝影測(cè)量方法用于軌道板檢測(cè)精度高、速度快，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，并能用一種測(cè)量方式解決所有的檢測(cè)項(xiàng)目，大大提高檢測(cè)效率。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

INCA3相機(jī)、基準(zhǔn)尺、標(biāo)志點(diǎn)若干、V-STARS數(shù)據(jù)處理軟件與MetroIn數(shù)據(jù)處理軟件各一套，軟件狗以及工裝和附件等。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程

圖3是標(biāo)志點(diǎn)布設(shè)具體方案（小實(shí)心圓點(diǎn)代表測(cè)量標(biāo)志，空心正方形代表編碼標(biāo)志）。每個(gè)套管緊貼邊緣布設(shè)4個(gè)測(cè)量標(biāo)志，用于擬合套管中心。每個(gè)承軌面再布設(shè)2個(gè)測(cè)量標(biāo)志共10個(gè)標(biāo)志點(diǎn)用于擬合承軌面。每個(gè)鉗口斜面布設(shè)4個(gè)測(cè)量標(biāo)志，用于擬合鉗口面。軌道板底面布設(shè)15個(gè)測(cè)量標(biāo)志，用于擬合底面。軌道板長(zhǎng)度方向兩側(cè)面各布設(shè)6個(gè)測(cè)量標(biāo)志，寬度方向兩側(cè)面各布設(shè)4個(gè)測(cè)量標(biāo)志，用于擬合4個(gè)側(cè)面。在軌道板底面布設(shè)15個(gè)編碼標(biāo)志和定向棒，用于像片自動(dòng)定向。

實(shí)驗(yàn)用INCA3相機(jī)從軌道板各個(gè)面拍攝兩組照片，每組照片48張，再用V-STARS軟件對(duì)2組照片分別解算得到目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)。

圖3 標(biāo)志點(diǎn)布設(shè)方案

為了便于后續(xù)軌道板參數(shù)擬合計(jì)算，用VSTARS軟件像片數(shù)據(jù)需先根據(jù)點(diǎn)位布設(shè)方案對(duì)點(diǎn)位分類編號(hào)。分類編號(hào)會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)效率降低，所以必須解決自動(dòng)分類編號(hào)問題。解決目標(biāo)點(diǎn)的分類，就是確定每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的位置。將位于同一平面點(diǎn)分為一類，對(duì)同一平面的點(diǎn)不同位置按一定順序編號(hào)。本文提出兩種方法。

1）將第1次測(cè)量的所有點(diǎn)逐一分類編號(hào)，然后解算出所有點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)，將此次測(cè)量的結(jié)果作為下次測(cè)量的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)（初值）［5］。以后的測(cè)量中都將第1次的結(jié)果做驅(qū)動(dòng)進(jìn)行匹配就可以將所有點(diǎn)分類編號(hào)。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法對(duì)貼標(biāo)志的精度要求比較高。如果標(biāo)志貼的精度不高導(dǎo)致匹配失敗直接影響檢測(cè)效率。

2）建立設(shè)計(jì)坐標(biāo)系（見圖4），以軌道板中心位置為原點(diǎn)，X方向?yàn)樵c(diǎn)指向板號(hào)的方向，XOY平面是軌道板設(shè)計(jì)底面，Z方向?yàn)榇怪庇谲壍腊宓酌娣较颍O(shè)計(jì)坐標(biāo)系為右手系。根據(jù)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系給每個(gè)待測(cè)點(diǎn)賦精確的坐標(biāo)值為實(shí)際點(diǎn)位設(shè)計(jì)值，并確定每個(gè)設(shè)計(jì)平面（承軌面、底面、鉗口面等）的平面方程。將圖1中32個(gè)位置點(diǎn)（套管點(diǎn)）的實(shí)際測(cè)量值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換，使測(cè)量坐標(biāo)系下的所有測(cè)量點(diǎn)轉(zhuǎn)換到設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下。計(jì)算轉(zhuǎn)換后所有測(cè)量點(diǎn)到設(shè)計(jì)坐標(biāo)系平面的距離，根據(jù)距離值來判定測(cè)量點(diǎn)屬于哪個(gè)平面；依據(jù)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)各分量值確定同一平面內(nèi)點(diǎn)位的編號(hào)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的分類。此法的優(yōu)點(diǎn)是不需顧及標(biāo)志的位置精度，操作簡(jiǎn)單容易控制，能發(fā)揮攝影測(cè)量的速度優(yōu)勢(shì)來提高檢測(cè)效率。

圖4 設(shè)計(jì)坐標(biāo)系

軌道板參數(shù)計(jì)算采用幾何分析擬合方法。便于簡(jiǎn)述，本文重點(diǎn)對(duì)軌道板參數(shù)某一項(xiàng)（小鉗口距）的計(jì)算方法進(jìn)行說明。如圖5所示，根據(jù)L1C1-L1C4與L1K1、L1K2擬合出承軌臺(tái)底面L1C、L1A1-L1A4擬合出左坡面L1A、L1B1-L1B4擬合出左坡面L1B；然后將面L1C沿法線向上平移28mm得到平移面PY與L1A和L1B相交得到兩條交線L1JX和L2JX；再將L1K1投影至左交線，計(jì)算投影點(diǎn)到另一側(cè)交線的距離即為小鉗口距，如圖6所示。

用V-STARS軟件解算得到點(diǎn)位坐標(biāo)，然后用MetroIn軟件按照上述方法做數(shù)據(jù)分析得到小鉗口距的擬合結(jié)果。表2中左軌1代表第1組照片數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，左軌2代表第2組照片數(shù)據(jù)擬合結(jié)果。

表2 2組照片檢測(cè)結(jié)果小鉗口距離偏差 mm

3 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看出，2次攝影測(cè)量結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)限差要求，說明采用攝影測(cè)量的方法檢測(cè)軌道板從精度上來講是完全可行的；2次攝影測(cè)量檢測(cè)結(jié)果相差最大0.3mm（小于0.5mm），說明采用攝影測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)軌道板比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠。

本文對(duì)2種常用的軌道板檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)分別進(jìn)行了闡述，并從解決2種方法共同的缺點(diǎn)，即檢測(cè)效率不高、需要許多檢測(cè)工具致使檢測(cè)手段復(fù)雜化等方面進(jìn)行分析，提出利用攝影測(cè)量方法檢測(cè)所有軌道板參數(shù)來提高檢測(cè)效率，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了攝影測(cè)量方法的可行性，給出了攝影測(cè)量方法檢測(cè)軌道板的相關(guān)方案。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的可靠性，通過攝影測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)精度推導(dǎo)，研究軌道板參數(shù)解算結(jié)果的外符合精度和內(nèi)符合精度將是進(jìn)一步研究的主要方向。

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