基于點激光的CRTSⅢ型無砟軌道板輪廓尺寸快速檢測方法

蘭可豪， 李淑娟， 王嘉賓， 高向陽， 任朋欣

（西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，陜西 西安 710048）

CRTSⅢ型無砟軌道板是我國自主研發的一種新型的板式軌道，具有平順性高、性能穩定等優點[1]。相比于傳統的軌道板，CRTSⅢ型無砟軌道板改變了限制位移的模式，通過在軌道板下增加填充層材料，優化了軌道板的結構和提高了軌道板的彈性[2]。中國鐵路總公司發布的《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道先張法預應力混凝土軌道板》（Q/CR 567—2017）提出了CRTSⅢ型無砟軌道板的檢驗要求和生產節拍，并要求部分尺寸全檢[3]。目前，軌道板的尺寸檢測方法主要包括三坐標檢測法、全站儀檢測法和激光檢測法[4-6]。德國的博格板基本都采用全站儀進行檢測，該方法的關鍵在于軌道板鋪裝過程中的實時跟進檢測[7]。全站儀檢測法的應用較為成熟且檢測精度滿足要求，但其在實際應用中仍采用人工抽檢，檢測單塊軌道板所需的時間為30～50 min，檢測效率較低且難以實現全檢，無法滿足自動化生產節拍的需求。三坐標測量機是目前國內外應用最為廣泛的檢測儀器之一，其檢測精度可達微米級，可作為行業檢測標準。但該方法同樣采用人工抽檢方式，檢測效率較低，不能實現全檢，且無法實時處理數據[8]。三維激光掃描技術以其掃描速度快、非接觸、檢測精度高等優點，成為了應用廣泛的測量技術[9-12]。與其他非接觸式測量方法相比，三維激光掃描技術具有與計算機集成方便、數據實時處理和三維重建靈活性高等優點[13-16]。Lindenbergh等[17-18]指出三維激光掃描技術是一種新型的三維測量技術，不僅能實現非接觸式測量，而且用時短和精度高，是測繪領域的一項重大技術突破。Luo等[19]指出三維激光掃描測量的結果能直接導入多種軟件，因此該方法被廣泛應用于各領域，同時它相當于是正向建模軟件的對稱應用。許磊[20]提出了一種結合手持式激光掃描儀和激光跟蹤儀的軌道板尺寸檢測方法。薛峰等[21]提出了一種基于圖像處理的非接觸式的軌道板表面質量檢測方法，可實現軌道板裂縫的準確定位。楊銘等[22]介紹了三維激光掃描技術的測量原理、操作流程及其目前在CRTSⅢ型無砟軌道板檢測中的應用情況。李強等[23]設計了一款基于激光檢測技術的自動化測量小車，實現了對CRTSⅢ型無砟軌道板的快速檢測，其檢測效率是傳統全站儀的3倍。

綜上所述，現階段軌道板的檢測仍依靠人工輔助檢測，檢測效率低，難以達到每板必檢的要求，且無法融入自動化生產線。由于激光檢測法具有精度高、速度快的優點，因此研制一種基于激光檢測技術的CRTSⅢ型無砟軌道板檢測系統具有重要意義。

為此，筆者擬根據Q/CR 567—2017中CRTSⅢ型無砟軌道板生產線對生產節拍的要求[3]，提出一種基于點激光的立式軌道板輪廓尺寸快速檢測方法。采用點激光傳感器配合磁柵尺同步采集軌道板及其承軌臺的輪廓數據。同時，設計基于差值處理的數據預處理方法，并采用最小二乘法對關鍵輪廓尺寸進行擬合計算，以實現在軌道板生產線要求的生產節拍內完成輪廓尺寸的自動檢測。最后，通過實驗來驗證所提出的檢測方法的精度和一致性。

1 CRTSⅢ型無砟軌道板的點激光檢測原理

CRTSⅢ型無砟軌道板的結構和主要輪廓尺寸如圖1所示，其整體外形尺寸為5 600 mm×2 500 mm×200 mm，表面均勻分布著9對承軌臺。承軌臺的結構及其主要尺寸如圖2所示。

圖1 CRTSⅢ型無砟軌道板的結構和主要輪廓尺寸Fig.1 Structure and main contour dimensions of CRTSⅢballastless track slab

圖2 承軌臺的結構及其主要尺寸Fig.2 Structure and main dimensions of rail support platform

CRTSⅢ型無砟軌道板的生產線包含多道工序，其生產節拍為10 min。其中，檢測工序的前道工序為水養工序，在水養工序中軌道板立式放置在水養池中。檢測工序的后續工序為存放工序，在存放工序中軌道板同樣是立式放置。但在傳統的檢測方法中，必須將軌道板平放才能檢測。為了節約生產時間，根據軌道板的工藝流程，本文設計了一種立式檢測方法，以避免軌道板翻轉2次，且方便軌道板吊裝，從而提高檢測效率。所設計的軌道板立式檢測設備如圖3所示。

圖3 CRTSⅢ型無砟軌道板立式檢測設備三維模型Fig.3 Three-dimensional model of CRTSⅢ ballastless track slab vertical detection device

相較于其他激光檢測方法[9]，點激光檢測產生的數據少，數據處理實時性高，且對上位機計算資源的需求小，可滿足軌道板的快速檢測需求。本文采用點激光傳感器配合磁柵尺同步采集軌道板及其承軌臺輪廓的關鍵數據。如圖3所示，點激光傳感器和磁柵尺的數量均為9個（與承軌臺數量相對應）。其中：點激光傳感器安裝在橫梁上，橫梁通過多個滑塊固定在直線導軌上；磁柵尺安裝在檢測立板的凹槽中。

軌道板立式檢測設備的動力來自伺服液壓缸。伺服液壓缸安裝在檢測設備的背面，如圖4所示。當檢測設備工作時，伺服液壓缸通過伸縮帶動鋼絲繩，鋼絲繩拉動橫梁沿直線導軌方向（Z向）勻速運動，從而實現軌道板輪廓尺寸的快速檢測。

點激光傳感器采集的原始數據為軌道板輪廓表面到傳感器的距離，定義軌道板平面（非承軌臺處）所在位置的高度為零點，對傳感器采集的原始數據進行處理后得到點激光數據；磁柵尺采集的數據為點激光傳感器在Z向上的位移。軌道板立式檢測設備的工作原理如圖5所示。當檢測設備開始工作時，上位機通過PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器）控制伺服液壓缸的伸縮，以拉動橫梁作勻速運動；與此同時，點激光傳感器和磁柵尺同步采集數據并上傳至上位機。隨后，上位機實時處理點激光傳感器和磁柵尺采集的數據并將最終結果存入數據庫。當軌道板的型號發生變化時，可通過上位機控制步進電機來調整點激光傳感器的位置，以實現對不同型號軌道板的檢測。

圖5 CRTSⅢ型無砟軌道板立式檢測設備的工作原理Fig.5 Working principle of CRTSⅢ ballastless track slab vertical detection device

2 點激光數據處理方法

由圖1和圖2可知，CRTSⅢ型無砟軌道板需要檢測的關鍵輪廓尺寸大多位于承軌臺上，而點激光傳感器所采集的數據為其到軌道板輪廓表面的距離，因此要設計合適的點激光數據處理方法，以獲取承軌臺的關鍵輪廓尺寸。

2.1 點激光數據預處理方法

在CRTSⅢ型無砟軌道板的檢測過程中，可能會存在數據丟失、數據突變等異常情況。圖6所示為采集的某組存在異常的原始點激光數據（承軌臺輪廓數據）。導致異常情況產生的因素包括邊緣折射、灰塵和點激光傳感器自身損壞等，這些因素均會嚴重影響檢測精度。因此，在對點激光數據進行擬合計算前，須對其進行預處理，以剔除異常值。

圖6 存在異常的原始點激光數據Fig.6 Original point laser data with anomalies

差值處理是指對一組數據中所有相鄰的2個數據進行差值運算，并利用異常數據（相鄰數據差值大于設定閾值）相鄰范圍內多個數據的平均值替代異常數據來消除誤差的方法[8]。根據點激光數據的特點，本文采用差值處理方法對其進行預處理。首先，以存在數據突變的位置為界，將需要處理的點激光數據分割為多個區域，圖6所示數據的區域分割結果如圖7所示。然后，依次對每個區域內的數據進行差值處理，以去除異常數據。最后，采用MATLAB軟件中的Smooth函數對數據進行平滑處理。綜上所述，基于差值處理的點激光數據預處理流程如圖8所示。

圖7 點激光數據區域分割結果Fig.7 Region segmentation result of point laser data

圖8 基于差值處理的點激光數據預處理流程Fig.8 Preprocessing flow of point laser data based on difference processing

基于圖8流程，對圖6所示的原始點激光數據進行預處理，結果如圖9所示。由圖9可知，預處理后的點激光數據平滑連續，不存在突變，且對應外形與圖2所示的承軌臺輪廓一致，可用于承軌臺關鍵輪廓尺寸的擬合計算。

圖9 點激光數據預處理結果Fig.9 Preprocessing result of point laser data

2.2 點激光數據擬合計算方法

CRTSⅢ型無砟軌道板承軌臺的關鍵輪廓尺寸包括小鉗口距、大鉗口距、預埋套管中心距、承軌面夾角和預埋套管歪斜等。為了在預定的生產節拍內完成軌道板輪廓尺寸的快速檢測，采用最小二乘法對預處理后的點激光數據進行擬合計算，具體流程如圖10所示。

圖10 基于最小二乘法的點激光數據擬合流程Fig.10 Fitting flow of point laser data based on least square method

鑒于承軌臺小鉗口距的擬合計算較為復雜，下文以該輪廓尺寸為例進行分析。基于圖9所示的預處理結果，先采用最小二乘法擬合得到鉗口面直線Y1、Y3和承軌面直線Y2，如圖11所示。隨后，將擬合直線Y2向上平移28 mm，得到直線Y4。直線Y4與Y1、Y3的交點分別為G1和G2，這2個點之間的距離即為小鉗口距。

圖11 承軌臺小鉗口距擬合計算示意Fig.11 Schematic of fitting calculation of small jaw distance of rail support platform

圖11中的4條直線可分別表示為：

直線Y1、Y2、Y3通過擬合直接得到，而直線Y4由直線Y2向上平移28 mm所得。由此可知，k4=k2，參數b4可由以下幾何關系求得：

聯立式(4)和式(5)，確定直線Y4的方程。隨后，求解直線Y4與Y1、Y3的交點G1(xG1,yG1)和G2(xG2,yG2)的坐標，公式如下：

根據兩點距離公式，求得小鉗口距A4：

3 檢測方法的精度和一致性驗證

3.1 精度分析

三坐標檢測法的精度高，為行業檢測精度標準[8]。為驗證本文所設計的檢測方法的精度和可靠性，分別采用本文檢測方法和三坐標檢測法對多組CRTSⅢ型無砟軌道板承軌臺的關鍵輪廓尺寸（承軌面夾角、小鉗口距、預埋套管中心距和大鉗口距）進行測量，并取其中一組針對同一軌道板上9個承軌臺的測量結果進行對比。基于本文檢測方法和三坐標檢測法的承軌臺關鍵輪廓尺寸的測量結果分別如表1和表2所示。為方便直觀觀察，以折線圖形式比較基于2種檢測方法的承軌臺關鍵輪廓尺寸，如圖12所示。

表1 基于本文檢測方法的承軌臺關鍵輪廓尺寸測量結果（部分）Table 1 Measurement results of key contour dimensions of rail support platform based on detection method in this paper (part)

表2 基于三坐標檢測法的承軌臺關鍵輪廓尺寸測量結果（部分）Table 2 Measurement results of key contour dimensions of rail support platform based on three-coordinate detection method (part)

圖12 基于不同檢測方法的承軌臺關鍵輪廓尺寸對比Fig.12 Comparison of key contour dimensions of rail support platform based on different detection methods

通過觀察圖12可知，基于本文檢測方法與三坐標檢測法的承軌臺關鍵輪廓尺寸的測量結果相差不大，說明本文檢測方法的精度與三坐標檢測法相近，能夠滿足實際生產中軌道板檢測精度的要求。

3.2 一致性分析

通過對同一軌道板的9個承軌臺的小鉗口距進行5次重復測量來驗證本文檢測方法的一致性，測量結果如表3所示。

表3 基于本文檢測方法的承軌臺小鉗口距的5次重復測量結果Table 3 Five repeated measurement results of small jaw distance of rail support platform based on detection method in this paper單位：mm

由表3可知，本文檢測方法對9個承軌臺的小鉗口距的5次重復測量結果基本一致，最大極差為0.010 mm，最小極差為0.002 mm，極差平均值僅為0.006 7 mm，表明本文檢測方法的一致性良好。

4 結 論

本文采用點激光測量技術對CRTSⅢ型無砟軌道板進行了立式檢測，實現了對承軌臺關鍵輪廓尺寸的自動化快速檢測，主要工作和結論如下。

1）設計了基于點激光測量技術的CRTSⅢ型無砟軌道板立式檢測設備，能夠滿足軌道板生產線對生產節拍的要求，且減少了軌道板翻轉的次數，節約了生產時間。

2）基于差值處理對點激光傳感器采集的數據進行了預處理；并以小鉗口距的擬合計算為例，設計了基于最小二乘法的承軌臺輪廓尺寸擬合計算方法。

3）采用本文檢測方法和三坐標檢測法對同一軌道板上9個承軌臺的輪廓尺寸進行了測量并對比了兩者的精度。結果表明，2種檢測方法的測量結果相差很小，說明本文檢測方法的精度較高。利用本文檢測方法對同一軌道板上9個承軌臺的小鉗口距進行5次重復測量，以進行一致性分析。結果表明，5次重復測量的最大極差為0.010 mm，說明本文檢測方法具有良好的一致性。

綜上所述，本文所設計的CRTSⅢ型無砟軌道板輪廓尺寸快速檢測方法的檢測效率較高，可以在要求的生產節拍內完成檢測任務，且其精度較高和一致性良好，具有很高的應用價值。