機車側面輪廓快速測量方法研究

許獻琦 宋福田 蓋玉收

【摘? 要】傳統的機車側面輪廓測量方法，已經滿足不了高效率、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，實現了自動檢測和自動分析數據;經過多次現場實驗驗證，該方法在數據精度、操作復雜度、檢測速度、自動化程度等方面，都明顯優于傳統測量方法，因此，得到了企業的充分認可。

【關鍵詞】機車輪廓;側面輪廓;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

機車車體在加工過程中，需要進行很多方面的檢測，例如車體輪廓的加工形狀跟設計模型間的差異，就是非常重要的一項檢測。

中車青島機車車輛股份有限公司中，該項檢測過程是：把機車（車長約25米，寬約3.3米，高約3.7米）放在水平臺面上，把標準形狀的樣板，以垂直于臺面的姿態靠到車體上，測量標準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試水平;待測工件的吊裝過程比較麻煩;

標準樣板因為加工、存放、材質、溫度、潮濕等原因，輪廓本身會存在一定變形或偏差;而實際工作中，在檢測前，較難對樣板輪廓的變形量或偏差進行準確檢測;

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，只能記錄樣板與實際輪廓之間的高、低點間隙，真實車體輪廓無法準確獲取;

檢測過程中，目視測量，手工記錄數據，效率低，且存在人為出錯的可能性。

目前，機車行業的生產和檢測過程，已經進入了數字化時代，要求出廠的產品帶有三維檔案;該三維數據，必須是機車出廠前真實的掃描、檢測結果;而現有的輪廓檢測過程，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上，既能達到檢測目的，又能滿足三維數字化的要求。

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）檢測設備本身不能太重，搬運方便;且只需要經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）檢測數據中要有當前機車的姿態信息，即水平、垂直狀態信息;

（4）測量過程盡量自動，從檢測過程到數據分析，不需要人工過多干預;

（5）自動輸出檢測報表，且能夠與設計輪廓進行比對。

待檢測的輪廓及位置，是如圖1所示的機車側面。該側面的幾何形狀是樣條曲面，根據機車的速度、穩定性等氣動要求設計。如果該側面的真實輪廓，與設計輪廓偏差超過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，作為主要測量設備。該設備的測量精度是±0.4毫米+1/2PPM，即當測量距離低于10米時，測量精度高于±0.4005毫米。該精度滿足機車行業關于輪廓精度的要求標準。

該全站儀重量約有2Kg，在具體使用時，用三腳架支在地面上，大致調平，即可以對100米范圍內的物體進行準確測量。

測量時，全站儀能夠自動跟蹤圖2右側的棱鏡，且能夠通過上位機控制，實現自動打點測量;能夠把測量點位數據，通過藍牙自動傳送給上位機。上位機通過編程，能夠接收和分析處理該數據。

上位機接收到數據后，首先需要對數據進行降噪處理，先用小波降噪方法，對數據中的噪音點進行清除;然后用非均勻有理B樣條（NURBS）方法，對數據點進行擬合;擬合完的曲線再與設計模型實現對比。

對比的方法有兩種，第一種以工裝設計位置為基準的對比;第二種先以最多重合點為最佳擬合為基準作對比。第一種對比，用于判斷真實機車當前姿態差異;第二種對比，觀察真實輪廓與設計輪廓的高低點的差異，以找出質量問題所在。

圖2中的全站儀，放置到三腳架上后，基本調至水平，即可以開始測量;圖中的棱鏡，是全站儀的標準配件。因為棱鏡的測量精度比非棱鏡的狀態要高，所以具體測量時，在基準構建時，采用棱鏡的方式打點測量，但是需要配圖3所示的工裝。

為了保證測量位置的準確選擇，也為了保證測量過程中帶上機車姿態信息，需要一套工裝，既能標記測量位置，也能夠測量出當前機車的姿態信息。

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構成的平面，要平行且緊靠在機車外輪廓上;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，因此可以計算出本次測量，車體所處的姿態。

2.測量過程

測量開始前，需要確定測量基準;需要把圖3所示工裝固定在機車外側底部，使①、②中心連線平行于底部邊緣，讀取陀螺儀數據;全站儀放置在離車體2米左右的位置，調至大致水平，調試全站儀看到棱鏡，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值;至此，基準點位數據即測量完畢。

控制軟件獲取到基準數據后，會自動識別出待測輪廓的位置，在輸入測量的方向，輸入測量區域的跨度，輸入打點的點數后，點擊開始測量，系統會根據跨度均勻的原則，自己計算需要打點的點位，并控制全站儀移動到各點的位置，開始打點測量。

測量完畢時，所有測量數據自動上傳，并由上位機對測量點位進行降噪、擬合處理;如果有輸入輪廓模型，系統會按照最佳擬合的原理（或測量基準對齊原理），先把測量數據與設計數據進行比對，然后找出設定位置的高度差異，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.數據結果

上位機接收到全站儀測量結果，經過降噪后，會生成圖4所示的點位輪廓（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）按照兩種數據對齊方式分別做數據比對。

圖4所示的數據比對結果，如表1所示（表中數據，單位為毫米）。

表1中是檢測到的數據與設計數據比對的結果，正值是高出設計尺寸部分;負值是低于設計尺寸部分;該表中能看出實際數據與設計數據間的高低變化趨勢;因為擬合算法的關系，測量點數越多，擬合出的樣條曲線越接近實際輪廓，越能看出實際輪廓與設計輪廓的高低差異。

表2是用標準樣板對同一車體輪廓手工檢測得到的數據;因為測量的難度和測量方法所限，一次測量的輸出點位數量有限。

通過觀察該數據，很難找出真實輪廓相對設計輪廓差異的規律，因此較難反映出加工質量的信息;把該數據與表1的數據比較也能看出，表2的數據精度偏低。因此，傳統的手工測量方式，僅僅能用作數據是否合格的判斷。

通過兩者比較可以發現，自動測量的數據，更能準確地反應出實際數據與設計模型間的差異，且能夠找出加工工藝導致質量的問題所在，對工藝的提升改進有一定的借鑒意義。

4.總結

該文中的檢測方案，使用全站儀設備及一套簡單的工裝，僅需一個人，經過簡單的工裝安裝和全站儀調整，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備的輔助。

因此，該套測量方法，較好地解決了機車制造企業中側面輪廓準確測量的難題;該方案降低了測量難度，提高了測量速度，提高了測量結果的準確性，且避免了測量數據傳抄過程的失誤。

通訊作者：蓋玉收

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