機(jī)車側(cè)面輪廓快速測量方法研究

許獻(xiàn)琦 宋福田 蓋玉收

【摘? 要】傳統(tǒng)的機(jī)車側(cè)面輪廓測量方法，已經(jīng)滿足不了高效率、高精度、信息化的要求;為了能夠較好地解決該類問題，本文提出了采用全站儀進(jìn)行快速檢測的方案;同時，為了避開高成本的水平檢測臺，本方案采用了帶有電子陀螺儀的便于攜帶的小型工裝，配合控制軟件，實(shí)現(xiàn)了自動檢測和自動分析數(shù)據(jù);經(jīng)過多次現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法在數(shù)據(jù)精度、操作復(fù)雜度、檢測速度、自動化程度等方面，都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測量方法，因此，得到了企業(yè)的充分認(rèn)可。

【關(guān)鍵詞】機(jī)車輪廓;側(cè)面輪廓;快速測量;自動檢測;TM50全站儀

Abstract： Traditional measurement method of locomotive side profile，cant meet the requirements of high efficiency， high precision and information. In order to solve this kind of problem better， In this paper， a scheme of fast detection with total station is proposed， and in order to avoid the high cost of horizontal testing platform，a portable small tooling with electronic gyroscope is adopted. Verified by many field experiments，the new method is obviously superior to the traditional one in data accuracy， operation complexity， detection speed， automation， etc . So it is accepted by the enterprise.

Keywords： locomotive profile， side profile， quick Measure， automatic detection， TM50 total station

引言

機(jī)車車體在加工過程中，需要進(jìn)行很多方面的檢測，例如車體輪廓的加工形狀跟設(shè)計模型間的差異，就是非常重要的一項(xiàng)檢測。

中車青島機(jī)車車輛股份有限公司中，該項(xiàng)檢測過程是：把機(jī)車（車長約25米，寬約3.3米，高約3.7米）放在水平臺面上，把標(biāo)準(zhǔn)形狀的樣板，以垂直于臺面的姿態(tài)靠到車體上，測量標(biāo)準(zhǔn)樣板與車體之間的間隙，以判斷加工偏差。該種檢測方式存在以下問題：

檢測過程需要水平平臺;大尺度的平臺很難真正調(diào)試水平;待測工件的吊裝過程比較麻煩;

標(biāo)準(zhǔn)樣板因?yàn)榧庸ぁ⒋娣拧⒉馁|(zhì)、溫度、潮濕等原因，輪廓本身會存在一定變形或偏差;而實(shí)際工作中，在檢測前，較難對樣板輪廓的變形量或偏差進(jìn)行準(zhǔn)確檢測;

檢測過程中，通過目視判斷車體與樣板之間間隙，然后測量幾個最大間隙地方的尺寸;具體檢測工具是塞尺;因此檢測精度不高（最高精度0.5毫米）;

檢測過程中，只能記錄樣板與實(shí)際輪廓之間的高、低點(diǎn)間隙，真實(shí)車體輪廓無法準(zhǔn)確獲取;

檢測過程中，目視測量，手工記錄數(shù)據(jù)，效率低，且存在人為出錯的可能性。

目前，機(jī)車行業(yè)的生產(chǎn)和檢測過程，已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字化時代，要求出廠的產(chǎn)品帶有三維檔案;該三維數(shù)據(jù)，必須是機(jī)車出廠前真實(shí)的掃描、檢測結(jié)果;而現(xiàn)有的輪廓檢測過程，與該要求還有一定差距。因此，必須尋找一種新的檢測手段，在盡可能不增加成本的基礎(chǔ)上，既能達(dá)到檢測目的，又能滿足三維數(shù)字化的要求。

1.解決方案

為了解決引言中的問題，需要尋找一種新的測量手段，并滿足如下要求：

（1）檢測設(shè)備本身不能太重，搬運(yùn)方便;且只需要經(jīng)過簡單部署即可以快速開始測量;

（2）檢測過程不需要在專門的水平平臺上進(jìn)行，在普通的裝配或者加工平臺上，亦可以完成檢測;

（3）檢測數(shù)據(jù)中要有當(dāng)前機(jī)車的姿態(tài)信息，即水平、垂直狀態(tài)信息;

（4）測量過程盡量自動，從檢測過程到數(shù)據(jù)分析，不需要人工過多干預(yù);

（5）自動輸出檢測報表，且能夠與設(shè)計輪廓進(jìn)行比對。

待檢測的輪廓及位置，是如圖1所示的機(jī)車側(cè)面。該側(cè)面的幾何形狀是樣條曲面，根據(jù)機(jī)車的速度、穩(wěn)定性等氣動要求設(shè)計。如果該側(cè)面的真實(shí)輪廓，與設(shè)計輪廓偏差超過3毫米，即判定為不合格。

為了滿足（1）至（5）條的檢測要求，首先需要選擇一款精度夠用的便攜檢測設(shè)備，放置在車間地面上，即可以完成測量過程。

為此，本測量方案選用了圖2所示的德國徠卡公司的TM50全站儀，作為主要測量設(shè)備。該設(shè)備的測量精度是±0.4毫米+1/2PPM，即當(dāng)測量距離低于10米時，測量精度高于±0.4005毫米。該精度滿足機(jī)車行業(yè)關(guān)于輪廓精度的要求標(biāo)準(zhǔn)。

該全站儀重量約有2Kg，在具體使用時，用三腳架支在地面上，大致調(diào)平，即可以對100米范圍內(nèi)的物體進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

測量時，全站儀能夠自動跟蹤圖2右側(cè)的棱鏡，且能夠通過上位機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)自動打點(diǎn)測量;能夠把測量點(diǎn)位數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙自動傳送給上位機(jī)。上位機(jī)通過編程，能夠接收和分析處理該數(shù)據(jù)。

上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，首先需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，先用小波降噪方法，對數(shù)據(jù)中的噪音點(diǎn)進(jìn)行清除;然后用非均勻有理B樣條（NURBS）方法，對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合;擬合完的曲線再與設(shè)計模型實(shí)現(xiàn)對比。

對比的方法有兩種，第一種以工裝設(shè)計位置為基準(zhǔn)的對比;第二種先以最多重合點(diǎn)為最佳擬合為基準(zhǔn)作對比。第一種對比，用于判斷真實(shí)機(jī)車當(dāng)前姿態(tài)差異;第二種對比，觀察真實(shí)輪廓與設(shè)計輪廓的高低點(diǎn)的差異，以找出質(zhì)量問題所在。

圖2中的全站儀，放置到三腳架上后，基本調(diào)至水平，即可以開始測量;圖中的棱鏡，是全站儀的標(biāo)準(zhǔn)配件。因?yàn)槔忡R的測量精度比非棱鏡的狀態(tài)要高，所以具體測量時，在基準(zhǔn)構(gòu)建時，采用棱鏡的方式打點(diǎn)測量，但是需要配圖3所示的工裝。

為了保證測量位置的準(zhǔn)確選擇，也為了保證測量過程中帶上機(jī)車姿態(tài)信息，需要一套工裝，既能標(biāo)記測量位置，也能夠測量出當(dāng)前機(jī)車的姿態(tài)信息。

圖3中，棱鏡可以沿著槽滑動，測量時，棱鏡要分別處于①、②、③三個位置;工裝頂端中間的V形缺口，恰好位于①和②位置的中間;具體安裝時，①、②的中心連線，要與待測位置的邊緣平行，①、②、③構(gòu)成的平面，要平行且緊靠在機(jī)車外輪廓上;V形口的尖角，即待測位置。

圖3中，④、⑤位置分別放置一個圖3右邊所示的電子陀螺儀;該陀螺儀能夠測出工裝的水平和垂直姿態(tài)，因此可以計算出本次測量，車體所處的姿態(tài)。

2.測量過程

測量開始前，需要確定測量基準(zhǔn);需要把圖3所示工裝固定在機(jī)車外側(cè)底部，使①、②中心連線平行于底部邊緣，讀取陀螺儀數(shù)據(jù);全站儀放置在離車體2米左右的位置，調(diào)至大致水平，調(diào)試全站儀看到棱鏡，并開始跟蹤棱鏡;棱鏡先后分別處于①、②、③三個位置，利用全站儀的自動跟蹤功能，測量并保存棱鏡的三個坐標(biāo)值;至此，基準(zhǔn)點(diǎn)位數(shù)據(jù)即測量完畢。

控制軟件獲取到基準(zhǔn)數(shù)據(jù)后，會自動識別出待測輪廓的位置，在輸入測量的方向，輸入測量區(qū)域的跨度，輸入打點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)后，點(diǎn)擊開始測量，系統(tǒng)會根據(jù)跨度均勻的原則，自己計算需要打點(diǎn)的點(diǎn)位，并控制全站儀移動到各點(diǎn)的位置，開始打點(diǎn)測量。

測量完畢時，所有測量數(shù)據(jù)自動上傳，并由上位機(jī)對測量點(diǎn)位進(jìn)行降噪、擬合處理;如果有輸入輪廓模型，系統(tǒng)會按照最佳擬合的原理（或測量基準(zhǔn)對齊原理），先把測量數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，然后找出設(shè)定位置的高度差異，并自動輸出，生成報表。

該測量過程，從全站儀三腳架放置、基本調(diào)平，工裝安裝，到測量完畢，總耗時約15分鐘（該時間由普通熟練工人操作測量得出）。

3.數(shù)據(jù)結(jié)果

上位機(jī)接收到全站儀測量結(jié)果，經(jīng)過降噪后，會生成圖4所示的點(diǎn)位輪廓（左邊），和擬合后的線輪廓（中間）;并可以與輸入的模型輪廓（右邊）按照兩種數(shù)據(jù)對齊方式分別做數(shù)據(jù)比對。

圖4所示的數(shù)據(jù)比對結(jié)果，如表1所示（表中數(shù)據(jù)，單位為毫米）。

表1中是檢測到的數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)比對的結(jié)果，正值是高出設(shè)計尺寸部分;負(fù)值是低于設(shè)計尺寸部分;該表中能看出實(shí)際數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)間的高低變化趨勢;因?yàn)閿M合算法的關(guān)系，測量點(diǎn)數(shù)越多，擬合出的樣條曲線越接近實(shí)際輪廓，越能看出實(shí)際輪廓與設(shè)計輪廓的高低差異。

表2是用標(biāo)準(zhǔn)樣板對同一車體輪廓手工檢測得到的數(shù)據(jù);因?yàn)闇y量的難度和測量方法所限，一次測量的輸出點(diǎn)位數(shù)量有限。

通過觀察該數(shù)據(jù)，很難找出真實(shí)輪廓相對設(shè)計輪廓差異的規(guī)律，因此較難反映出加工質(zhì)量的信息;把該數(shù)據(jù)與表1的數(shù)據(jù)比較也能看出，表2的數(shù)據(jù)精度偏低。因此，傳統(tǒng)的手工測量方式，僅僅能用作數(shù)據(jù)是否合格的判斷。

通過兩者比較可以發(fā)現(xiàn)，自動測量的數(shù)據(jù)，更能準(zhǔn)確地反應(yīng)出實(shí)際數(shù)據(jù)與設(shè)計模型間的差異，且能夠找出加工工藝導(dǎo)致質(zhì)量的問題所在，對工藝的提升改進(jìn)有一定的借鑒意義。

4.總結(jié)

該文中的檢測方案，使用全站儀設(shè)備及一套簡單的工裝，僅需一個人，經(jīng)過簡單的工裝安裝和全站儀調(diào)整，站在地面上，即可以快速地完成整個測量過程;該過程不需要專門的平臺，不需要其它人員和吊裝設(shè)備的輔助。

因此，該套測量方法，較好地解決了機(jī)車制造企業(yè)中側(cè)面輪廓準(zhǔn)確測量的難題;該方案降低了測量難度，提高了測量速度，提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，且避免了測量數(shù)據(jù)傳抄過程的失誤。

通訊作者：蓋玉收

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作者簡介：許獻(xiàn)琦（1980--），男，山東青島人，質(zhì)量工程師，本科，主要從事機(jī)車質(zhì)量控制方面的工作。