一種新型高精度激光輪對檢測裝置

　　摘要：介紹了一套光機電一體化火車輪對自動檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了高精度激光位移測量、高速同步采樣等多項新技術(shù)。測量算法采用數(shù)字濾波、曲線擬合等多種數(shù)據(jù)處理方法。所實現(xiàn)的系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強、測量精度高等優(yōu)點，具有很強的實際應用價值。
　　關(guān)鍵詞：自動檢測激光位移測量同步采樣數(shù)字濾波貨車輪對
　　
　　近年來，由于列車的提速以及列車軸承化的發(fā)展和鐵路信息化管理的需求，傳統(tǒng)的手工輪對測量裝置因效率低、差錯率高、不便于信息化管理而不能滿足當前的需要。與此同時，由于列車向高速重載方向發(fā)展，使得列車輪對的磨耗加劇，檢修周期縮短，導致各車輛檢修段的工作量加大，因此及時準確地掌握車輪輪對的磨耗狀況是非常必要的。研究相應的檢測技術(shù)可以為鐵路部門提供實用的檢測裝置，同時也為高速鐵路輪軌關(guān)系的研究提供了實用的檢測手段。本文針對輪對檢測的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了采用ＣＣＤ攝像頭、大量程高精度激光位移傳感器以及高速同步采樣、數(shù)字濾波和曲線擬合等先進技術(shù)實現(xiàn)的包括控制總成和機械總成在內(nèi)的光機電一體化的火車輪對檢測及診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠迅速檢測出輪對的外形參數(shù)，而且能夠解決目前最為關(guān)鍵的踏面參數(shù)檢測問題。該系統(tǒng)按照《中華人民共和國鐵道部鐵路貨車輪對和滾動軸承組裝及檢修規(guī)則》對工藝標準的要求，可對檢修過程中的已安裝或未安裝軸承的列車輪對的相關(guān)尺寸參數(shù)進行非接觸快速自動測量，其應用必將為列車輪對的測量和檢修提供一種全自動、高精度、高效率的檢測手段。
　　
　�。睖y量系統(tǒng)簡述
　　
　　本系統(tǒng)是能全自動測量鐵路車輛輪對幾何參數(shù)并實現(xiàn)計算機自動化管理的裝置。檢測系統(tǒng)采用高精度激光傳感器ＬＫ５０１以及高速同步采樣等新技術(shù)，從而保證了所設計的系統(tǒng)能夠既快速又準確地完成輪對相關(guān)參數(shù)的檢測。整個檢測系統(tǒng)的電控部分主要由上位控制計算機及接口、下位計算機（完成測量頭運動控制、同步數(shù)據(jù)采集、采集數(shù)據(jù)的上傳等）、伺服電機控制器、輪對運動控制部分、標志板圖像錄入部分等組成。上位機軟件操作界面友好、功能豐富，具有一定的動畫顯示功能，能完成測量數(shù)據(jù)的顯示、存儲，檢測結(jié)果能自動打印在車統(tǒng)５１－Ｃ卡片上。
　　
　�。保�１系統(tǒng)的基本組成
　　
　　本系統(tǒng)由機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)兩大部分組成。機械系統(tǒng)是輪對控制的執(zhí)行機構(gòu)，主要完成輪對的運動功能，如進輪、緩沖、舉升、轉(zhuǎn)輪、落輪和出輪等，其執(zhí)行部件是電磁閥和氣缸。本文主要研究電控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，故下面將重點介紹電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)由兩部分組成：(１)測量控制電路；(２)隨動執(zhí)行機構(gòu)。系統(tǒng)的組成如圖１所示。
　　
　�。保�２系統(tǒng)工作原理簡介
　　
　　１．２．１隨動執(zhí)行機構(gòu)
　　
　　螺旋滾珠絲桿和精密直線滑動導軌組成的機械傳動機構(gòu)安裝在伺服電機上，而激光傳感器安裝在滑座上。當電機按預定的運行方式運動時，帶動激光傳感器對輪對進行掃描。
　　
　�。保�２．２測量控制電路
　　
　　通過下位機的控制輸出單元驅(qū)動輪對控制執(zhí)行機構(gòu)，使輪對到達預定工位,同時啟動伺服電機開始掃描測量。
　　
　　測量開始時，被測工件與激光傳感器之間的距離為一設定值(此設定值對應于激光傳感器線性測量段的零點)。在測量過程中，激光傳感器沿著滑動導軌運動，當被測工件尺寸發(fā)生變化時，激光傳感器與工件的距離也將改變，其輸出電壓信號也隨之改變，經(jīng)過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換單元采樣后送入下位機，此為輪對的徑（Ｙ）向數(shù)據(jù)。
　　
　　與此同時，下位機同步計數(shù)來自伺服電機控制器的反饋脈沖數(shù)，單片機以此計算激光傳感器沿滑動導軌運動的位移，此為輪對的軸向數(shù)據(jù)。
　　
　　伺服電機根據(jù)設定的運動速度運行，同時電機控制器把電機上光電編碼器輸出的一定頻率的反饋脈沖送入下位機。下位機對該脈沖進行計數(shù)，每隔２０個計數(shù)脈沖(對應于軸向的０．１ｍｍ)，通過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器對激光傳感器的測量輸出數(shù)據(jù)進行采樣。這樣就實現(xiàn)了同步采樣。
　　
　　下位機通過基于ＲＳ４２２Ａ標準的串行接口將數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)缴衔粰C。上位機融合徑向和軸向數(shù)據(jù)后，即可畫出被測工件的二維圖像并計算出相關(guān)的輪對外形幾何參數(shù)。
　　
　　２系統(tǒng)檢測與管理軟件
　　
　�。玻�１軟件系統(tǒng)簡述
　　
　　系統(tǒng)檢測與管理軟件主要完成測量數(shù)據(jù)的處理及解算出輪對的各種幾何參數(shù)，從而獲得檢測結(jié)果。該軟件以Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ５．０為開發(fā)平臺，采用多任務和多線程模塊化設計，主要包括主界面顯示模塊、測量信息處理模塊、串行通信模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、圖像錄入及顯示模塊和輪對信息打印模塊等。根據(jù)本檢測系統(tǒng)的具體特點和要求，軟件系統(tǒng)總框圖如圖２所示。
　　
　�。玻�２軟件模塊及功能
　　
　　監(jiān)控模塊是該軟件的核心，主要包括主界面顯示模塊、測量信息處理模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊等。
　　
　�。玻�２．１主界面顯示模塊
　　
　　該模塊顯示檢測列車輪對過程中的測量信息，包括輪對運動的控制和動畫顯示、輪對軸端標志牌的攝像、輪對外形幾何參數(shù)以及被測輪對的外形圖顯示等。
　　
　�。玻�２．２測量信息處理模塊
　　
　　該模塊用于下位機上傳的測量數(shù)據(jù)的分析和處理，主要包括數(shù)字濾波和曲線擬合以及相關(guān)參數(shù)的計算等。該模塊是上位機軟件的重點所在，其數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)劣直接關(guān)系到了本檢測系統(tǒng)的最終測量精度。
　　
　　２．２．３數(shù)據(jù)庫管理模塊
　　
　　該模塊存儲操作人員管理信息、被檢測列車輪對的全部信息。這些信息不能隨意修改，模塊提供密碼保護功能，只有系統(tǒng)管理員才能進入。同時它還具有數(shù)據(jù)庫查詢和統(tǒng)計功能，可以分別按操作人員、檢測日期來查詢歷史檢測記錄，并且管理人員可以統(tǒng)計近期工作量，以此來制定后階段的工作計劃。
　　
　　串行通訊子線程主要負責上位機和下位機之間的信息交換，是相對于主線程比較獨立的線程，平時運行于后臺，隨時監(jiān)視串行口的動作。該線程采用雙串口協(xié)調(diào)機制，以保證達到高速同步測量的目的。圖像信息的錄入采用基于ＵＳＢ接口的攝像頭，以滿足高速高質(zhì)量圖像傳輸?shù)囊�求�?br />　　
　　采用上述的軟硬件設計方法，本高精度激光輪對檢測系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強，各項性能指標都達到了系統(tǒng)測量精度的要求，具有很強的實際應用價值。系統(tǒng)測量精度如表１所示。
　　
　　表1系統(tǒng)測量精度度
　　
　　項目名稱設計精度/mm實際精度/mm軸中央直徑±0.1±0.08輪緣厚±0.2±0.1踏面磨耗±0.5±0.1車輪直徑±0.5±0.1輪輞寬±0.5±0.15輪座直徑±0.5±0.15

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