激光平面度檢測技術在高速動車組安裝中的應用

趙峻松

(廣東南車軌道交通車輛有限公司 技術部 廣東新會 529000)

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激光平面度檢測技術在高速動車組安裝中的應用

趙峻松

(廣東南車軌道交通車輛有限公司 技術部 廣東新會 529000)

根據CRH6動車組車下設備的安裝技術條件要求，引入車下設備安裝座激光平面度檢測技術，可以快速而準確的掌握車下設備各個安裝座平面度誤差，保證安裝質量，提高安裝效率。

高速動車; 平面度誤差; 激光檢測

在城際動車組車下設備的安裝過程時，我們都會不斷進行車體安裝座和設備安裝座的平面度誤差檢測。當車體安裝座和設備安裝座的平面度誤差控制不好，設備安裝后車體安裝座與車下設備安裝座之間的間隙(俗稱閃縫)相對偏大時,高速行駛的動車組在剎車制動時，懸掛在車下的設備會產生較大的動態載荷，這種動態載荷會對列車的安全運行帶來較大的隱患。由于動車組車體安裝座和車下設備安裝座的平面度誤差直接影響安裝座之間閃縫的大小,為此，必須控制好車體安裝座與車下設備安裝座的平面度誤差值。

以和諧號CRH6動車組車下設備安裝技術標準規定為例。根據其動車組設備安裝技術標準規定：各設備安裝座的整體平面度控制在±1 mm以內，單體安裝座平面度控制在±0.5 mm以內[1]。為此，車下設備的平面度被列為需要重點檢測項目之一。

目前和諧號CRH6動車組車下設備安裝中，常規的平面度誤差檢測方法采用的是直尺塞尺法，這種檢測方法簡單實用，但測量效率低、精度差，不能實現整體平面度控制在±1 mm以內的準確值，由此帶來的后果將是提前進入維修周期或運行中存在安全隱患的可能性增大。為了解決這個問題，筆者在工作實踐中引入三維激光平面度檢測技術進行平面度誤差控制，既可得到精準的平面度誤差值，又能提高檢測效率，且達到《標準規定》的要求，進而保證動車組安裝質量。

下面將動車組現行的平面度測量方法與引入的激光掃描測量方法進行對比分析。

1 平面度誤差檢測方法

1.1 平面度定義及測量方法

(1)平面度定義

平面度是指基片具有的宏觀凹凸高度相對理想平面的偏差。公差帶是距離為公差值的兩平行平面之間的區域[2]。平面度的標示符號為。

平面度誤差是指"被測實際表面相對其理想表面的變動量，理想平面的位置應符合最小條件，平面度誤差屬于形位誤差中的形狀誤差[2]。

(2)平面度誤差測量的幾種方法

平面度誤差常用的測量方法有：水平儀測量法、打表測量法、平臺塞尺法、直尺塞尺法、激光平面度測量儀等。

下面以目前動車裝配中常用的直尺塞尺法為例來說明平面度測量原理及方法。

1.2 直尺塞尺法

測量原理：用直尺抵住被測物平面，直尺與被測物平面自檢插入塞尺，能插入塞尺的最大厚度為平面度誤差。

特點：適用于測量精度較低的平面。

如圖1所示，被測物平面度誤差要求0.5 mm；則被測物周邊插入塞尺，能插入塞尺的厚度小于0.5 mm則合格。

圖1 直尺塞尺法原理圖

目前動車組車下設備安裝座平面度測量方法如下：

將直尺置于單個安裝座上，插入塞尺的最大厚度為單體安裝座的平面度誤差；將直尺放在任意兩個安裝座表面，能插入塞尺的最大厚度為設備的整體平面度誤差。

判定方法：直尺置于單個安裝座時，0.5 mm厚度的塞尺均不能通過；直尺置于兩個安裝座時，在所有的地方1 mm厚度塞尺均不能通過。

圖2 直尺塞尺平面度測量法

直尺塞尺平面度測量法的優點是測量方法簡單、直觀；缺點是測量效率低下、精度差，不能得到準確的平面度誤差值。

因此,平面度誤差測量的常用方法如水平儀測量法、打表測量法、平臺塞尺法、直尺塞尺法等都存在效率低下、精度差，不能得到準確的平面度誤差值的效果。

1.3 激光平面度檢測法

激光平面度檢測法是使用激光掃描儀來進行平面度誤差檢測。

(1)激光掃描儀的工作原理

激光掃描儀測量系統包括激光發射器、信號接收器、圖像處理器3大部分。

激光發射器產生激光脈沖信號，經物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到CCD1和CCD2(信號接收器)[3]；信號經過圖像處理器處理后，可以得到被測物體的三維坐標。即得到描述物體空間位置的三個方向的坐標值(x,y,z)；激光掃描儀能構建系統坐標系并測繪出被測物各點的空間三維坐標，所以激光掃描儀也稱為三維激光掃描儀。通常三維激光掃描儀獲取體現被測物形態的數據，我們稱之為點云數據。

圖3 激光掃描儀工作原理

(2)激光掃描儀的特點

①測量速度快，每秒鐘可測40～60萬個點；精度可達±0.016 mm；測量完美、精準；測量時可動態觀察三維點云模型。

②不需要接觸被測物體。

③能利用測量軟件標注和測量點云模型，如兩點距離、兩個面高度差、模型的表面積、模型的體積、某個截面等。

④能將3D模型與CAD系統平臺接口，進行三維建模。

(3)三維激光的特點

三維激光掃描儀彌補了常規平面度誤差檢測方法的不足，解決傳統平面度誤差檢測所不能及的問題。運用三維激光掃描儀進行平面度測量不但可以測量單點的坐標，更重要的是它能以點云的方式獲取幾乎整個物體表面的空間信息，能測出物體的整體空間形態。

激光平面度測量原理是通過點云數據擬合成平面，點云偏離擬合平面的距離就是平面度誤差。

2 三維激光平面度檢測技術在高速動車組車設備安裝中的運用

以CRH6A-200型動車組污物箱為例來說明激光掃描儀檢測平面度誤差的方法及過程。

2.1 激光掃描儀測量平面度誤差的方法及過程

采用目前流行的Creaform公司的HandySCAN 700TM型激光掃描儀，該型號掃描儀特點是：便攜、精度高、掃描速度快；這些特點適用于生產車間、物料現場等場所。

首先，我們在污物箱4個安裝座之間的設備上貼上掃描儀專用的標識點(如圖4所示)；每相鄰兩個標識點的間距大約100 mm左右。其作用是關聯4個安裝座之間的空間幾何位置，使其具有統一的坐標系。

圖4 標識點的作用

由于激光掃描儀單次測量的范圍有限，而4個污物箱安裝座距離遠，掃描儀不能一次測全4個安裝座，必須使用上述標識點關聯4個安裝座的空間位置。

貼好標識點后，我們使用掃描儀自帶的專用掃描軟件Vxelements掃描這些標識點，系統將自動生成一個坐標系文件，如圖5所示。

圖5 掃描標識點得到統一的坐標系

然后利用Vxelements軟件的掃描命令分別掃描污物箱的4個安裝座平面(圖6)；得到如下點云數據(圖7、圖8)：

然后將掃描得到的點云數據導入Geomagic Qualify軟件里進行處理。先去除噪聲點后得到圖9所示點云圖形。

圖6 掃描污物箱安裝座表面

圖7 掃描后的點云數據

圖8 放大后的點云數據

圖9 處理后的點云圖形

在Geomagic Qualify軟件里選擇菜單特征，選擇平面里的最佳擬合(圖10)，然后用鼠標選擇圖形區域的所有4片點云；從而得到污物箱4個安裝座的平面度誤差值(圖11)。

圖10 平面擬合方法：最佳擬合

2.2 CRH6動車組車下設備安裝使用三維激光平面度檢測技術取得的效果

從圖11中可以得出污物箱4個安裝座所構成平面的平面度偏差值為：0.479 642+0.320 091=0.799 733 mm。

根據和諧號CRH6動車組車下設備安裝技術標準，以上平面度誤差小于1 mm;故判定此污物箱安裝座平面度誤差合格且測量值精準。

圖11 平面度偏差值

如果測量的平面度偏差值大于1 mm，則通過圖11中的偏差色值得知4個安裝座平面度大小及位置，從圖中可以看出，紅色區域表示安裝座平面凸出的區域，藍色區域表示安裝座凹陷的區域；從而可以對安裝座進行打磨和修補；修理后再進行平面度測量，直至合格為止。

同理，用同樣的方法測量安裝污物箱的4個車體安裝座的平面度誤差，車體的4個安裝座整體平面度誤差必須控制在±1 mm以內[1]就能滿足安裝的技術條件。

一旦熟悉使用了激光平面度檢測方法后,檢測的時間大大縮短。

2.3 現場測量提高激光掃描儀測量精度的方法

激光三維激光測量誤差可分為：儀器誤差、被測表面造成的誤差和外界環境引起的誤差這3類。激光掃描儀現場測量必須盡量降低這3個因素的影響。

(1)儀器誤差

儀器誤差指的是儀器本身的系統缺陷造成的誤差，比如激光測距誤差、掃描角度測量誤差。比如車下設備整體平面度誤差要求±1 mm[1]；使用掃描儀精度±0.05 mm便可達到檢測使用需求。激光掃描儀的精度鑒定可委托國家級計量部門進行測試和鑒定；鑒定的方法是利用激光掃描儀特定條件下檢測一些標準樣件來評估掃描儀的精度。

(2)被測表面造成的誤差

被測表面造成的誤差指的是：被測表面粗糙度、附著于被測表面的雜質引起的測量誤差。

被測表面的粗糙度、附著于被測表面的雜質造成表面反射角度偏差，從而影響掃描得到的點云精度。為此，現場測量時，應該清潔所有設備安裝座平面，避免灰塵、油垢和其他雜質，保持被測面干凈、光潔；可以降低物體反射面引起的誤差。

(3)外界環境造成的誤差

外界環境因素包括溫度、濕度、風力、噪聲、振動等。

溫度能使儀器結構尺寸發生熱脹冷縮的微小變化，對測量造成一定的影響；針對此問題的對策是進行激光掃描儀現場校準；比如FARO激光掃描儀配備了一個校準球進行現場校準；實例所用Creaform公司的HandySCAN 700TM型激光掃描儀采用一塊校準板進行現場校準(圖12)。

激光掃描儀校準也叫標定，所謂標定就是通過標準球 (或者標準塊) 上已知的被測點的三維坐標，得出激光掃描儀的傳感器坐標系和測量基準坐標的變換方程。當溫度變化影響了掃描儀結構尺寸細微變化時，標定時測量標準球(或者標準塊)上被測點的三維坐標值，從而得出該值偏離理論坐標值的變化系數，將此系數寫入激光掃描儀測量軟件中，修正由于溫度變化引起的測量誤差。

濕度：空氣濕度較大時空氣中細小的霧珠影響光線垂直穿透，光線通過水珠時會發生折射現象，造成測量偏差。

風力：風力較大的環境造成地面灰塵雜質流動、懸浮于空氣中，這些微小的顆粒影響光線的穿透，造成測量誤差。

噪聲：現場噪聲環境能影響工作人員的情緒，造成操作偏差和失誤。

振動：振動會使被測工件發生運動，造成掃描點云出現分層現象，影響測量精度。

圖12 激光掃描儀現場校準

為了解決外界環境因素對精度的影響，在安裝測試的環境中要注意保持溫度、濕度的控制，減少風力、噪聲、振動的影響，將外界影響值降到最小，從而保證檢測的精度。

3 直尺塞尺平面度法與激光平面度檢測法的對比

將直尺塞尺平面度檢測方法與激光平面度檢測法兩種方法的各自優缺點對比如下：

從表1中可看到直尺塞平面度尺法與激光平面度檢測法的比較中除了成本一項外,激光平面度檢測法有其他檢測法不可替代的優點。

表1 直尺塞尺平面度法VS激光平面度檢測法

激光掃描儀平面度檢測法對比傳統的平面度測量法，其具有以下優點：

效率高：測量速度快，每秒鐘可測40～60萬個點；單個污物箱安裝座150 mm×100 mm區域僅幾秒鐘內便可準確性測量完畢；

精度高：精度可達±0.016 mm；測量完美、精準；

操作方便：掃描儀所測點云數據能和CAD系統軟件接口，輕松操作處理軟件便可獲取需要的測量信息。

4 結束語

將三維激光掃描檢測技術引入高鐵動車組檢測領域，能使平面度檢測按照人們所需要的尺寸精度進行，能夠解決以往由于閃縫過大時，高速行駛的動車組在剎車制動中，氣流通過車體安裝座與車下設備安裝座之間的間隙對懸掛螺栓產生剪切而引起的安全問題；同時，可以較大的提高檢測精度和檢測效率，保證動車組安裝質量和運行安全。隨著動車技術的不斷完善,激光平面度檢測法不久將有替代其他檢測法的趨勢。

從2007年高速動車組在各條鐵路干線投入運營開始到如今，我國的準高速和高速列車已運行7年時間。對動車組的安裝、運行和維修這個階段來說，還是在一個引進、學習、摸索、消化、實踐的過程。如何利用先進的現代化手段實施盡快完成這個引進、學習、摸索、消化、實踐的過程，實現真正意義上的自有知識技術產權化，完成從跟跑者向領跑者過渡是現階段歷史交給我們的重任。

[1] 時 蒙. 時速200 km和諧號CRH6型城際動車組車下設備安裝技術條件[R]. 南車南京浦鎮車輛廠， 2011.

[2] GB/T 11337-2004 平面度誤差檢測[S]. 2005.

[3] 顧 斌，董 杰，董 妍. 探討三維激光掃描技術的應用[M]. 北京：中國礦業大學環境與測繪學院， 2010.

Application of Laser Flatness Detection Technique in Installation of High Speed EMU

ZHAOJunsong

(CSR Guangdong Rolling Stock Co., Ltd., Xinhui 529000 Guangdong, China)

According to the installation technology requirements of CRH6 EMU hanging equipment, this paper introduces the laser flatness detection technology into the hanging equipment installation , which can quickly and accurately grasp the flatness error of each installation seat for the hanging equipment, can ensure the quality of installation, and can improve the installation efficiency.

high speed EMU; flatness error; laser detection

1008-7842 (2015) 03-0115-05

??)男，工程師(

2015-01-19)

U260.7

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.28