激光限界裝置在軌道交通中的應用

何永寧 崔文良

摘? 要：簡要介紹了傳統限界試驗方式的問題，新型激光限界裝置的主體部分組成、主要技術參數，簡述激光限界測量流程，通過與傳統限界方式對比，簡述激光限界裝置的優缺點，并對存在的問題提出相應的改進方案。

關鍵詞：激光限界裝置;城軌車輛;限界試驗

0 引言

根據IEC 6113標準要求，軌道交通車輛組裝機械調試完成后，需要進行車輛限界例行試驗。軌道車輛限界是和橋梁、隧道等限界起相互制約作用的，當城軌車輛車輛在滿載狀態下運行時，也不會因產生搖晃、偏移等現象而與橋梁、隧道及線路上其他設備相接觸，以保證行車安全。傳統限界試驗的方法為在龍門架上安裝木質、尼龍等材料的仿形限界規，組成車輛限界輪廓，然后將車輛緩慢推過限界輪廓，觀察車輛與限界規有無干涉以判斷限界試驗是否合格。由于各項目車輛外部限界輪廓不同，每個項目都需制作專用限界規。對于軌道交通制造主機廠，每天都有各種項目車輛下線，限界規頻繁更換，勞動強度大，而且耗費大量生產時間。同時這種傳統限界試驗方法還存在測量精度低、工裝成本制造及維護高、異常因素影響比較大、非試驗過程時間過長等缺點，此試驗方法已經不符合軌道交通車輛智能制造、精益生產需求。

為解決傳統限界規試驗問題，研發應用了一套激光限界裝置，利用激光三角測距法掃描出車輛輪廓。車輛通過時，激光限界裝置持續掃描車輛，形成車輛連續的斷面輪廓，通過與標準的車輛限界包絡線進行對比，對超限部位進行實時報警。激光限界裝置能自動標識超界部位和自動輸出檢測報告，根據需求可以生成三維點云圖形，限界數據可以存儲、標識和數據追溯，實現無模板精準檢測。

1 激光限界裝置

1.1激光限界裝置組成及功能

激光限界裝置由測量裝置、數據處理單元、帶升降結構龍門框架、輔助功能設備組成。通過實時獲取激光測距儀和車的距離，作為系統測量開始及測量結束的判斷依據，測量過程中實時記錄車輛距離用于超限輔助定位。

帶升降結構龍門框架：由龍門框架、步進電機、減速單元、垂直運動單元構成。龍門架橫梁可以通過軟件控制進行自由多模式上下運動，滿足不同高度車輛的測試需求。

測量裝置：由12臺激光3D工業相機組成，3D相機分辨率為2048*1088，幀率為25000Hz，X方向精度為0.275mm-0.756mm，Z方向精度為0.025mm，主要實現整車點云數據的采集。

數據處理單元：由兩臺工控機組成。主要對各個單元進行指令控制、功能實現及數據計算處理。

輔助功能設備：根據需求配備打印機、視頻監控等輔助設備。

根據生產車型的外尺寸及限界試驗精度要求，激光限界裝置主要技術參數如表1

1.2 激光限界裝置測量流程

激光限界裝置測量流程為：測量準備→升起測距儀→創建任務→開始測量→測量結束→超限定位→生成測量報告

測量準備：系統上電、打開工控機，在工控機上運行操作軟件，選擇待測車輛限界參數。如為新項目，則先將待測新項目車輛的限界參數導入操作軟件中。

升起測距儀：將反光板固定待測車輛前端，激光點能打到反光板上，測距儀用于自動計算車輛超限位置。

創建任務：在測量操作界面填寫待測車型項目類型，選擇車輛充氣/放氣狀態，填寫任務名稱。

開始測量：點擊“創建任務”，將待測車輛勻速緩慢推過激光限界龍門架，可以看到激光在持續掃描車輛，注意人員不要進入測量區域，防止掃描結果無效。

測量結束：等待系統處理計算數據，界面顯示測量結果。測量結果界面會顯示所測車輛限界輪廓，判斷是否限界試驗是否合格。還可顯示出車輛高度、寬度、長度等信息。如果限界不通過，選擇“超限索引”，點擊“回溯超限界面”，該界面實時顯示距離超限的位置。

超限定位：測量結果不合格，可以將車回推，配合激光測距儀回溯測量數據，界面實時顯示距離超限的距離。

生成測量報告：可以將測量報告保存成pdf格式到指定的位置或輸出打印測量報告。

3 激光限界裝置應用效果

與傳統限界方式對比，激光限界裝置具體優點如下：

①極大提高試驗效率。采用激光限界裝置試驗不再需要更換限界規，減少了限界試驗前限界規更換的時間，限界試驗由原來約60分鐘減少到20分鐘。

②減少限界試驗成本。激光限界裝置可以適用所有項目車型，減少每年限界規工裝的巨大采購費用。

③減少工人勞動強度及作業風險。工人無需頻繁更換限界規，無需再登車頂測量車輛高度等數據，大大減少了工人勞動強度及登頂作業的安全風險。

④提高了限界試驗質量。檢測精度由傳統限界方式3mm提高到1mm內，且能測量車輛高度、寬度、長度等尺寸，提高了試驗質量。

⑤解決下部限界設計要求。部分項目新增下部限界要求，傳統限界方式不便測量。而激光限界裝置在車輛底部地下安裝了相機，可以直接測量車輛下部限界，滿足限界試驗車輛下部限界的要求。

⑥容錯率高，能快速解決現場問題。限界試驗如因設計或制造錯誤，限界規需要修改或重新制造時，周期較長，還需要重新安裝計量。而激光限界裝置只需在軟件修改限界參數就可以馬上重新進行限界試驗，不會因工藝裝備更改問題影響試驗計劃。

在激光限界裝置調試及應用中，也發現一些問題，改進后已解決。 例如黑色油漆輪廓部分測量效果差，掃描結果偏差較大或者掃描輪廓不完整，存在失真問題。此問題解決方案為遮擋外部光源，增大3D相機曝光率。限界檢測掃描完成后，由于掃描數據龐大，計算車輛整車最終輪廓耗時約10分鐘，速度較慢。此問題可以通過優化算法，提高硬件配置，以減少計算時間。

4 結語

激光限界裝置采用先進的激光測量非接觸測量限界方式，其操作便捷、自動化程度高、測量精度高、縮短限界試驗時間、提高限界試驗效率、減少試驗成本、容錯率高、應用效果良好，各方面優于傳統限界規檢測方式。

參考文獻

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[4]陶雄.三維激光掃描技術在隧道斷面檢測中的應用[M].江蘇建筑，2021.

作者簡介：何永寧（1984.7），男，湖南瀏陽人，助理工程師，碩士，現從事城市軌道交通組裝工藝工作