基于光學原理的鐵路鋼軌直線度測量系統設計

黃志高，王元芳

（武漢鐵路職業技術學院，湖北武漢430205）

基于光學原理的鐵路鋼軌直線度測量系統設計

黃志高，王元芳

（武漢鐵路職業技術學院，湖北武漢430205）

提出采用激光位移傳感器測量技術對鐵軌直線度尺寸進行測量的方法，設計了主要由運動控制測量平臺、激光位移傳感器、二維PSD位置傳感器、信號采集及信號處理模塊等四部分組成測量系統。軟件系統按照最小二乘擬合的方法對采集數據進行計算，并具備分析、處理存儲功能。根據測量結果，分析了系統誤差及影響系統精度的主要因素。應用表明：該系統滿足高速鐵道長軌直線度測量測量要求。

鋼軌；直線度；非接觸式測量；最小二乘法

隨著我國鐵路交通事業的迅速發展，特別是國家對高速鐵路發展建設的需要，高鐵已經成為提高鐵路運送能力的重要手段。在鐵路系統中，鐵軌起到了舉足輕重的作用，然而高速鐵道用長軌直線度測量一直是困擾生產企業的一個重要的技術難題。目前在生產現場，對鐵軌直線度測量大多采用人工的方法，利用直尺和拉繩法等直接測量。此測量方法效率低下，且測量精度遠遠達不到預定要求，已經無法跟上鐵路事業發展方向的要求。

基于此，本文設計了一種基于光學的測量系統，該系統具有高精度、高速度及非接觸式測量等特性，實踐證明，該測量系統具有較高的性價比，其系統的組成結構如圖1所示。

圖1 結構簡圖

1 系統測量原理

基于激光位移傳感器測量方法是一種強有力的非接觸式測量方法，作為幾何量的非接觸式測量檢測技術，激光位移傳感器基于激光三角測量原理[1]，具有測量精度高、響應時間短、光斑精密等特點，所以，提出采用激光位移傳感器測量技術實施對鐵軌直線度尺寸進行測量。從圖1中可以看出，該測量系統主要由高穩定性運動控制測量平臺、高精度激光位移傳感器、高精度二維PSD位置傳感器、高速信號采集及信號處理模塊等四部分組成。其中激光位移傳感器模塊和激光器安裝在運動控制平臺上，二維PSD位置傳感器固定安裝在測量平臺一端。運動控制平臺帶動激光位移傳感器和激光器作直線運動，PSD位置傳感器用來接收激光器位置信號，彌補運動平臺自身直線度偏差，同時信號系統對激光位移傳感器和PSD位置傳感器數據進行采集，信號系統對得到的數據進行分析與處理，最后即可計算工件的直線度。在該系統中，激光位移傳感器部分主要是對鐵軌形位尺寸進行測量，PSD位置傳感器主要是對激光位移傳感器位置進行實時記錄，信號采集與處理系統部分主要是對測量的信號進行處理計算。

2 測量系統結構設計

由于工廠生產出來的鐵軌長度從十幾米到二十幾米不等，為了能夠滿足其測量范圍要求，本系統設計了一種固定龍門式全自動化的鐵軌測量系統，該系統能夠滿足各種不同長度鐵軌直線度測量要求。從結構簡圖中可以看出，該系統由測量龍門架、測量平臺、測量傳動機構等幾部分組成。

本系統設計龍門架跨度為30 m，考慮到龍門架長度的原因，在選材上選擇輕質結構鋼，可以有效增加龍門架的剛度，同時也可以減輕龍門架的重量；測量平臺是由40組測量支架組成，一方面，可以避免因鐵軌自身重力作用而發生彎曲；另一方面，可以大大減少制造成本；測量傳動機構包含運動直線軌道及步進運動機構，運動直線軌道是由10根標準的直線導軌安裝在龍門架上，如圖2所示。

圖2 系統結構圖

理論上，傳感器運動直線軌道本身就有直線度偏差影響，再加上運動直線軌道是由10根直線導軌組成，所以存在累積誤差，為了能夠消除上述本身直線度誤差給測量結構帶來的影響，在結構設計上增加了激光器和PSD傳感器，激光器安裝在傳感器傳動機構上，跟隨激光位移傳感器一起運動，PSD傳感器安裝在龍門架一端，此傳感器接收激光器信號，從而可以有效補償運動直線軌道偏差，提高測量數據準確性。

3 測量系統軟件設計

本系統軟件是在WINDOWS操作平臺的基礎上利用Visual C++工具編制而成，具有良好的人機界面，操作簡單。系統軟件主要由激光移傳及PSD位移感器模塊、信號采集與處理模塊、運動控制平臺模塊等幾部分組成，系統軟件算法主要流程圖如圖3所示。

圖3 系統軟件流程圖

4 系統測量計算方法、測量結果及誤差分析

4.1 系統測量計算方法

本系統測量數據包含兩組數據，一組是激光位移傳感器得到的數據為X[i]，另一組是PSD位移傳感器得到的數據為Y[i]，所以通過此兩組數據即可得到一系列的鐵軌數據Z[i]=X[i]+Y[i]，如圖4所示。

圖4 測量示意圖

然后選擇最小二乘擬合的方法計算鐵軌數據Z[i]的直線方程。設x和y之間的函數關系由直線方程[2]：

解上述正規方程組便可求得直線參數a0、a1的值，即可擬合Z[i]數據點的直線，然后再計算每個點與直線的偏差即可得到鐵軌的直線度。

4.2 系統測量的結果

本系統對鐵軌尺寸做了大量的直線度測量試驗，本文僅對12.5 m鐵軌直線度進行測量分析，其中鐵軌直線度示值為2 mm/m.測量20次結果如表1所示，測量結果波形圖如圖5所示。

表1 測量結果（單位：mm）

圖5 測量結果波形圖

由測量的結果表1可知，鐵軌直線度均值為1.995 mm/m，標準偏差為0.022 3 mm，其誤差范圍在允許的范圍內，完全能夠滿足國標標準。如圖5所示的測量結果波動性比較平穩，可見測量重復性比較穩定。

4.3 測量系統的誤差分析

本測量系統是基于激光位移傳感器的測量方法，每一個測量環節都可能有影響測量精度的因素。從本測量系統來看，影響該測量系統的誤差主要有：激光位移傳感器與PSD位移傳感器的測量精度[3]、系統的機械結構[4]、信號處理算法精度[5]。

（1）在本測量系統中，采用了高速高精度激光位移傳感器直接的測量方法，為了能夠精準獲取接頭外系統輪廓，本系統選用的激光位移傳感器和PSD位置傳感器精度為5μm，此傳感器抗干擾能力強，另外通過PSD位置傳感器能實時補償系統本身的直線度誤差的影響。

（2）本測量系統測量平臺采用多支撐平臺支撐工件的測量方法，在測量前，會通過結構光方法調整支撐平臺在同一水平面上，因而可以減小測量系統的誤差。

（3）信號處理的精度對尺寸測量有直接的影響，本文采用最小二乘擬合的方法進行計算測量結果，能夠準確描繪鐵軌表面情況，從而能減小算法對測量系統的誤差。

5 結束語

鐵路鋼軌直線度測量系統基于激光三角測量原理，實現了對鐵軌直線度尺寸的非接觸式測量。通過適當的結構設計和傳感器選用，實現了測量精度的有效控制，測量結果滿足國標標準。同時，對鐵軌直線度參數進行檢測，經過數據采集和處理后，能夠按實際試驗要求的格式存儲并輸出檢測報告。

該系統結構簡單，工作可靠，操作使用方便。投入了正常的使用之中，它對于鐵道鋼軌的科學管理和使用，保證正常生產、安全生產具有重要的實際應用價值和現實意義。

[1]韓世卓.鐵路無縫鋼軌直線度測量[J].儀器儀表學報，2004，25（A1）：191-192.

[2]王可，宋天皎，孫興偉，等.直線度誤差曲線形成機理與形位特性研究[J].重型機械，2016，64（1）：29-32.

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[4]張麗萍，李業農，趙建杰.某數控車床貼塑導軌直線度誤差的灰色預測[J].制造技術與機床，2016，56（4）：38-41.

[5]羅鈞，麻錦俠，劉學明，等.三維坐標點集的空間直線度高精度快速評定[J].上海交通大學學報，2016，51（5）：730-735.

Design of Railway RailStraightness Measurement System Based on OpticalSystem

HUANG Zhi-gao，WANG Yuan-fang
（Wuhan Railway Vocational College of Technology，Wuhan Hubei 430205，China）

A measurement system which is composed of four parts with themotion controlmeasurement platform，laser displacement sensor，two-dimensional PSD position sensor and signal acquisition and processingmodule was designed，tomeasure the straightness of the rail size by using a laser displacement sensormeasurement technology in the paper.According to the least square fitting method，the software system was used to analyze the collected data.The main factors affecting the accuracy of the system and systematic error are analyzed，according to the measurement results.The system can meet the requirements of high speed railway long track straightnessmeasurement.

rail；straightness；non-contactmeasurement；least squaremethod

U213.4

A

1672-545X（2017）04-0046-03

2017-01-01

黃志高（1972-），男，湖北隨州人，講師，碩士研究生，研究方向：鐵道機車車輛。