非接觸式鋼軌平直度及扭曲度測量研究

方 睿, 李 筠, 楊海馬, 謝銘剛, 江聲華, 宋正忠, 閔 華

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院, 上海 200093;2.上海瑞紐機械股份有限公司, 上海 200120)

非接觸式鋼軌平直度及扭曲度測量研究

方 睿1, 李 筠1, 楊海馬1, 謝銘剛2, 江聲華2, 宋正忠2, 閔 華1

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院, 上海 200093;2.上海瑞紐機械股份有限公司, 上海 200120)

為了對鋼軌廠生產的成品鋼軌外表面輪廓進行全面的檢測,設計了一種非接觸式鋼軌輪廓檢測系統。該系統基于激光輪廓儀和高精度位移傳感器采集到的鋼軌輪廓數據,使用弦測法及移動平均平滑濾波計算鋼軌的平直度,使用共面法計算鋼軌扭曲度,完成鋼軌輪廓數據的檢測。試驗表明,系統測量的標準差為20 μm以內,與標準測量方法所得結果對比誤差均在合理范圍內,該系統能夠準確且穩定地完成對鋼軌平直度和扭曲度的測量。

激光輪廓儀; 平直度; 扭曲度; 平滑濾波; 共面法

引 言

對鋼軌尺寸的精準測量是生產合格鋼軌的基礎,尤其是鋼軌的平直度、扭曲度、軌高、軌頂寬度以及軌底寬度等參數,是影響鋼軌焊接后平直度的重要因素,另外鋼軌的表面質量好壞對列車運行的安全性也有著非常大的影響。因此,焊接前鋼軌外形幾何尺寸的控制以及表面質量的檢測對提高高鐵無縫線路的質量至關重要。目前,我國各焊軌基地焊接生產線上鋼軌外形尺寸檢測主要靠人工使用檢查樣板、平直尺、扭曲尺等檢測工具,同時需要技術人員用眼睛查看鋼軌表面質量。由于采用機械式接觸測量方法,檢測人員作業是否規范、是否正確使用檢測工具都對測量結果存在較大影響,同時還存在測量速度慢、測量效率低、長時間觀察導致疲勞等影響因素[1]。鑒于這些原因,本文基于激光輪廓儀對百米鋼軌進行輪廓掃描,采用四個Gocator高精度激光輪廓儀、JC09光柵位移傳感器以及KEYENCE激光位移傳感器等多種3D智能傳感器對鋼軌外觀尺寸進行檢測,利用弦測法及移動平均平滑法對平直度曲線進行處理,利用共面法計算鋼軌扭曲度,測量數據精準,克服了人工檢測存在的諸多不足。檢測數據可自動錄入檢測系統,可實現有效的數據追蹤,有利于提高管理水平,保證產品質量。應用自動檢測系統對百米鋼軌焊前進行檢測后,作業效率得到較大的提高,對鋼軌一端的檢測作業用時由原來人工用時3 min降低至1 min,不僅可以對鋼軌全斷面外觀質量進行檢測,還可以防止人工作業疲勞帶來的漏檢,保證了檢測質量。由于檢測作業自動化程度高,可將目前需要四人進行的作業降低至單人進行,有利于降低生產成本,降低因人為因素導致的意外人身傷害的潛在不安全性。

1 鋼軌輪廓檢測系統構成

鋼軌輪廓檢測系統結構,如圖1所示。

圖1 鋼軌輪廓檢測系統結構Fig.1 Structure of rail profile detection system

該系統由機械傳動模塊、輪廓儀掃描模塊、數據采集測量模塊、位移傳感器模塊、數據顯示模塊以及電源模塊六部分組成。其中,核心為輪廓儀掃描模塊,該模塊由四個激光輪廓傳感器組成,它們同時對鋼軌的上頂面、下底面、左側面以及右側面進行掃描,得到各個表面的幾何尺寸。在鋼軌傳送帶相對行走平臺運動時,掃描鋼軌軌身得到鋼軌的平直度及扭曲度,圖2為檢測系統功能示意圖。

機械傳動模塊是由伺服電機、鋼軌傳送帶以及液壓夾緊閥組成。液壓夾緊閥起到固定作用,防止鋼軌在運動過程中發生位置偏移而影響測量精度。伺服電機控制鋼軌傳送帶將鋼軌送到預定位置停下,等待輪廓儀勻速行進掃描,這種測量方式用于對百米鋼軌前端3 m及末端3 m進行測量。百米鋼軌中間96 m的測量則采用行走平臺靜止,鋼軌勻速運動的方式進行。

圖2 檢測系統功能示意圖Fig.2 Schematic diagram of detection system

輪廓儀掃描模塊由四個激光輪廓儀外加金屬防護罩構成,為一個可移動平臺,亦可稱為行走平臺。四個激光輪廓儀發出的線激光沿鋼軌水平方向運動,對鋼軌進行全方位掃描,通過計算機處理將輪廓外形轉換成二維坐標數據,再經算法處理,可完全還原出掃描過的任何一段鋼軌的三維立體圖像。每秒可采集25個鋼軌斷面,每個斷面由3 000多個數據點組成,測量精度能夠達到0.02 mm。

位移傳感模塊一端固定于行走平臺上,輪廓儀模塊平移時,實時記錄其運動位移數據,精度可達0.03 mm。

數據采集測量模塊由兩臺工控計算機構成:一臺用于采集激光輪廓儀和光柵位移傳感器的數據;另一臺則對傳感器采集的數據進行處理,對鋼軌斷面尺寸、平直度以及扭曲度進行計算,并將結果存入數據庫,產生的平直度曲線將以pic格式保存,以便管理人員以后對數據的管理及查詢。

數據顯示模塊可顯示已掃鋼軌各斷面的尺寸信息,如平直度、扭曲度以及掃描長度等測量結果,并且對不合格的鋼軌進行報警提示。該模塊功能齊全,操作方便。

電源模塊為整個系統提供能量,使機械傳動、控制、測量和記錄等工作正常進行[2]。

2 平直度的測量及計算

圖3為非接觸式鋼軌檢測系統測量鋼軌平直度示意圖。

圖3 平直度測量Fig.3 Flatness measurement

鋼軌平直度是一個反映鋼軌沿長度方向起伏狀況的指標量,分為水平平直度和垂直平直度[3]。水平平直度反映了鋼軌導向面水平方向的起伏狀況,垂直平直度反映鋼軌行車面的起伏狀況。鋼軌作為列車行駛過程中的重要載體,它的平直度直接關系到列車高速行駛過程中的平穩度以及乘客乘車時的舒適度。鋼軌靜止時,激光輪廓儀模塊在電機控制下運動或者靜止,鋼軌在鋼軌傳送帶的牽引下作勻速運動時,激光輪廓儀對鋼軌表面進行掃描測量,結合位移傳感器采集的數據,計算出鋼軌的平直度。激光輪廓儀模塊運動速度大約為300 mm/s,數據采集速度為20幀/s,在3 m的檢測范圍內便能采集200個鋼軌斷面的輪廓。本文采用弦測法計算其平直度,原理如圖4所示(該原理圖對測量水平平直度和垂直平直度均適用)。以3m測量范圍為例,具體測量步驟如下:

(1) 從輪廓儀掃描結果中選取鋼軌端部一點P1以及軌端3 m內鋼軌最高點P2,將P1與P2用直線連接,直線P1P2稱為基準線。

(2) 選取曲線P1P2(即鋼軌實際輪廓)上等間距(50 mm)的若干個點M1,M2,…,Mn,…(n為正整數),將這些點到基準線的距離記為平直度的偏差值,正數為向上偏差,負數為向下偏差。

(3) 所有偏差值中求平直度偏差的最大值,圖4中Mn處的偏差值達到最大,即為所求的平直度。

圖4 弦測法測量原理Fig.4 Measuring principle of string method

弦測法所得鋼軌平直度曲線如圖 5 所示,曲線平滑度較差,造成該結果的原因是傳感器數據跳動以及系統有機械振動,因此需要對原始數據進行平滑濾波。通常使用的平滑方法有:移動平均法、中值法以及指數平滑法等[4]。

圖5 未平滑的平直度曲線Fig.5 Non Smooth flatness curve

本文采用移動平均法,移動平均法是指將一定長度的數值取加權平均,進行一次加權平均后便向前添加一個數同時舍棄最后一個數。正如將多個原始值放置于一個大小固定的窗口,處于窗口內的數值將進行加權平均計算,并且窗口逐次向前移動。窗口大小、窗口位置以及加權值被稱作移動平均法的三要素[5],其中:窗口大小決定了進行計算的數值數量,取值過大會使曲線失真,取值過小則會使曲線平滑效果不好。窗口位置是指當前值在窗口中的位置,有前端、中端之分。當取值處于窗口前端的時侯,移動平均法能根據以往的數值預測隨后數值變化的趨勢,也稱作移動平均預測法,這種方法對于波動不大的平直度曲線處理效果很好。但因為本系統測量后得到的平直度曲線變化幅度較大,該方法不適于本系統。當前值處在窗口中端時,移動平均法將對當前值、過去值以及未來值進行綜合考慮,因此適用于各種曲線的平滑處理[6]。加權值是指對窗口內的值求平均的同時為其賦予一定權值,該權值反映求平均時各值所占比重。本文將采取嘗試取值,之后對結果進行對比的方法確定移動平均法的三要素。

窗口大小嘗試6個坐標點、8個坐標點、10個坐標點、12個坐標點四種情況,對比效果后發現取10個坐標點時,測量值與實際值誤差最小,濾波效果最佳,此時的窗口長度約為6.8 cm。窗口位置的選擇需要對當前值及其前后數值進行綜合考慮,將當前值作為窗口中心數值。加權值有兩種取值方式:取等權值或取比當前值更重的權值。重復性試驗顯示:取等權值的濾波效果更好,在6.8 cm長的窗口范圍內鋼軌平直度變化很小,測量值沒有因為當前值的權值不高而發生失真。移動平均法的三要素確定后,使用OriginPro軟件對原始平直度曲線進行平滑處理,處理后的曲線如圖6所示。對比處理前后的曲線圖可以看出,兩條曲線峰值大致相同,數值準確度及曲線走向基本未受影響,平滑效果明顯,達到了預期要求。

圖6 平滑后的平直度曲線Fig.6 Smooth flatness curve

3 扭曲度的測量及計算

鋼軌扭曲度是指鋼軌縱向的扭曲程度,采集鋼軌1 m 內的鋼軌信息,扭曲度不超過 0.45 mm[7]。根據 TB/T 3276—2011 的要求,如圖7所示,在軌端下表面取兩個計算點P1、P2,在距端部1 m 的斷面軌底下表面取兩個計算點P3、P4,點中心與軌底邊緣的距離為10 mm。如圖8所示,采用共面法計算鋼軌扭曲度,先求P1、P2、P3三點 所在的平面,那么P4到該平面的距離即為扭曲度[8]。實際計算時,為提高計算精度,一般取一定厚度的橫截面求計算點平均值,具體方法如下:

(1) 以鋼軌端部距軌底邊緣10 mm 的點為中點,選取圖8中x、y方向距離中心點7 mm的10個點,然后求這些點的平均值,這樣所求的點P1、P2是所測范圍內所有點的綜合平均值。

(2) 按步驟1求距端部 1m 處橫截面上的兩點P3、P4。

(3) 根據三點共面原理,求出P1、P2、P3三點的平面方程。

(4) 求 點P4到該平面的距離,即為扭曲度。

圖7 扭曲度測量Fig.7 Distortion measurement

圖8 共面法測量原理Fig.8 Principle of coplanar measurement

設P1、P2、P3坐標分別為(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3),則過此三點的平面為

ax+by+cz+d=0

(1)

式中:

點(x0,y0,z0)到平面ax+by+cz+d=0的距離為

(2)

4 測量結果與分析

檢測試驗中是以標準60 kg鋼軌作為檢測對象,對鋼軌的水平平直度、垂直平直度以及扭曲度三個參數進行20次重復性測量,結果如表1所示。重復性實驗顯示,鋼軌平直度測量的標準差約為20 μm,扭曲度測量的標準差約為15 μm。為了判斷該系統的精確度,還需對其準確度進行驗證。因此,采用精度為10 μm的電子扭曲尺對另一根鋼軌扭曲度、平直度進行測量,采用精度為20 μm的SEC-RC電子平直測量儀對鋼軌端部1 m的平直度進行測量,所得結果與本系統測量結果如表2所示。

表1 重復測量結果Tab.1 Results of the repeated measurement

注：表格內均為1 m范圍的檢測數據

表2 扭曲度、平直度的測量結果對比Tab.2 Comparison of the measurement results of distortion and flatness

注：表格內均為1 m范圍的檢測數據

進行測量實驗時,任何測量方法或多或少都有一定的誤差,不存在絕對準確的測量[9]。綜合考慮系統自身精度的限制、光線強弱以及機械振動對系統檢測時產生的影響,該系統在設計之初便采用多種措施以有效減小這類因素帶來的誤差,但減小并不等于消除。灰塵、燈光、噪聲等干擾引起的偶然誤差出現次數雖少,但是與正常數據間的差距很大,因此這些數據都已去除。另一個需要注意的問題是,在進行扭曲度的測量時,激光輪廓儀發出的光線相對鋼軌被測平面并非垂直,在進行坐標定位以及距離計算時需考慮該入射角帶來的誤差,系統運動過程中的振動使得該角度存在微小的變化,從而造成該系統測量的扭曲度誤差相對標準測量方法要大,但此類誤差可通過機械改進和算法優化來進一步減小。

5 結 論

本文對百米鋼軌輪廓檢測系統設計了20次重復試驗,對鋼軌的平直度及扭曲度進行測量,測得鋼軌平直度標準誤差約為20 μm,扭曲度標準誤差約為15 μm,與常用的標準測量方法比較,發現本系統測得的誤差滿足鐵路生產標準。因此,本系統對于鋼軌平直度及扭曲度的測量具有較好的可靠性及穩定性。另外,本系統不僅能夠高效迅速地完成鋼軌平直度及扭曲度的測量與計算,檢測準確度達到97%以上,而且能對工藝不合格的產品進行報警顯示,并能生成數據報表供用戶查詢了解,該測量系統對提高鋼軌輪廓合格率具有很大的幫助。

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Researchonthemeasurementoftheflatnessanddistortionofnon-contactrail

FANG Rui1, LI Jun1, YANG Haima1, XIE Minggang2, JIANG Shenghua2, SONG Zhengzhong2, MIN Hua1

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2.Shanghai Ruinew Machinery Co., Ltd., Shanghai 200120, China)

In order to complete the detection of the outer surface of the finished steel rail,a rail profile detection system is designed in this paper.This system is based on the data of the rail profile measured by a laser profilometer and high-precision displacement sensor.The flatness of rail is calculated by using chord method and average move smoothing method.Rail twist is calculated by using coplanar method.Experimental evaluation shows that the standard deviation of system measurement is less than 20 μm.Compared with the standard method,the results are in a reasonable range.The results show that the system can accurately and stably measure the straightness and distortion of rail.

laser profilometer; flatness; twist degree; smoothing filtering; coplanar method

1005－5630（2017）05－0008－07

2017-04-21

國家自然科學基金青年基金項目(61302181)

方 睿(1992—),男,碩士研究生,主要從事智能檢測與控制方面的研究。E-mail:913741401@qq.com

楊海馬(1979—),男,副教授,主要從事光電智能儀器方面的研究。E-mail:snowyhm@sina.com

O 435

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2017.05.002

(編輯:劉鐵英)