一种新型高精度激光轮对检测装置

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摘要：介绍了一套光机电一体化火车轮对自动检测系统。该系统采用了高精度激光位移测量、高速同步采样等多项新技术。测量算法采用数字滤波、曲线拟合等多种数据处理方法。所实现的系统具有可靠性高、抗干扰能力强、测量精度高等优点，具有很强的实际应用价值。

    关键词：自动检测 激光位移测量 同步采样 数字滤波 货车轮对

近年来，由于列车的提速以及列车轴承化的发展和铁路信息化管理的需求，传统的手工轮对测量装置因效率低、差错率高、不便于信息化管理而不能满足当前的需要。与此同时，由于列车向高速重载方向发展，使得列车轮对的磨耗加剧，检修周期缩短，导致各车辆检修段的工作量加大，因此及时准确地掌握车轮轮对的磨耗状况是非常必要的。研究相应的检测技术可以为铁路部门提供实用的检测装置，同时也为高速铁路轮轨关系的研究提供了实用的检测手段。本文针对轮对检测的关键技术问题，提出了采用ＣＣＤ摄像头、大量程高精度激光位移传感器以及高速同步采样、数字滤波和曲线拟合等先进技术实现的包括控制总成和机械总成在内的光机电一体化的火车轮对检测及诊断系统。该系统不仅能够迅速检测出轮对的外形参数，而且能够解决目前最为关键的踏面参数检测问题。该系统按照《中华人民共和国铁道部铁路货车轮对和滚动轴承组装及检修规则》对工艺标准的要求，可对检修过程中的已安装或未安装轴承的列车轮对的相关尺寸参数进行非接触快速自动测量，其应用必将为列车轮对的测量和检修提供一种全自动、高精度、高效率的检测手段。

１ 测量系统简述

本系统是能全自动测量铁路车辆轮对几何参数并实现计算机自动化管理的装置。检测系统采用高精度激光传感器ＬＫ５０１以及高速同步采样等新技术，从而保证了所设计的系统能够既快速又准确地完成轮对相关参数的检测。整个检测系统的电控部分主要由上位控制计算机及接口、下位计算机（完成测量头运动控制、同步数据采集、采集数据的上传等）、伺服电机控制器、轮对运动控制部分、标志板图像录入部分等组成。上位机软件操作界面友好、功能丰富，具有一定的动画显示功能，能完成测量数据的显示、存储，检测结果能自动打印在车统５１－Ｃ卡片上。
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    １．１ 系统的基本组成

本系统由机械系统和电控系统两大部分组成。机械系统是轮对控制的执行机构，主要完成轮对的运动功能，如进轮、缓冲、举升、转轮、落轮和出轮等，其执行部件是电磁阀和气缸。本文主要研究电控系统的设计与实现，故下面将重点介绍电控系统。电控系统由两部分组成：(１)测量控制电路；(２)随动执行机构。系统的组成如图１所示。

１．２ 系统工作原理简介

１．２．１ 随动执行机构

螺旋滚珠丝杆和精密直线滑动导轨组成的机械传动机构安装在伺服电机上，而激光传感器安装在滑座上。当电机按预定的运行方式运动时，带动激光传感器对轮对进行扫描。

１．２．２ 测量控制电路

通过下位机的控制输出单元驱动轮对控制执行机构，使轮对到达预定工位,同时启动伺服电机开始扫描测量。

测量开始时，被测工件与激光传感器之间的距离为一设定值(此设定值对应于激光传感器线性测量段的零点)。在测量过程中，激光传感器沿着滑动导轨运动，当被测工件尺寸发生变化时，激光传感器与工件的距离也将改变，其输出电压信号也随之改变，经过Ａ／Ｄ转换单元采样后送入下位机，此为轮对的径（Ｙ）向数据。

与此同时，下位机同步计数来自伺服电机控制器的反馈脉冲数，单片机以此计算激光传感器沿滑动导轨运动的位移，此为轮对的轴向数据。

伺服电机根据设定的运动速度运行，同时电机控制器把电机上光电编码器输出的一定频率的反馈脉冲送入下位机。下位机对该脉冲进行计数，每隔２０个计数脉冲(对应于轴向的０．１ｍｍ)，通过Ａ／Ｄ转换器对激光传感器的测量输出数据进行采样。这样就实现了同步采样。

下位机通过基于ＲＳ４２２Ａ标准的串行接口将数据高速传输到上位机。上位机融合径向和轴向数据后，即可画出被测工件的二维图像并计算出相关的轮对外形几何参数。
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２ 系统检测与管理软件

２．１ 软件系统简述

系统检测与管理软件主要完成测量数据的处理及解算出轮对的各种几何参数，从而获得检测结果。该软件以Ｃ＋＋ Ｂｕｉｌｄｅｒ ５．０为开发平台，采用多任务和多线程模块化设计，主要包括主界面显示模块、测量信息处理模块、串行通信模块、数据库管理模块、图像录入及显示模块和轮对信息打印模块等。根据本检测系统的具体特点和要求，软件系统总框图如图２所示。

２．２ 软件模块及功能

监控模块是该软件的核心，主要包括主界面显示模块、测量信息处理模块和数据库管理模块等。

２．２．１ 主界面显示模块

该模块显示检测列车轮对过程中的测量信息，包括轮对运动的控制和动画显示、轮对轴端标志牌的摄像、轮对外形几何参数以及被测轮对的外形图显示等。

２．２．２ 测量信息处理模块

该模块用于下位机上传的测量数据的分析和处理，主要包括数字滤波和曲线拟合以及相关参数的计算等。该模块是上位机软件的重点所在，其数据处理算法的优劣直接关系到了本检测系统的最终测量精度。

２．２．３ 数据库管理模块

该模块存储操作人员管理信息、被检测列车轮对的全部信息。这些信息不能随意修改，模块提供密码保护功能，只有系统管理员才能进入。同时它还具有数据库查询和统计功能，可以分别按操作人员、检测日期来查询历史检测记录，并且管理人员可以统计近期工作量，以此来制定后阶段的工作计划。

串行通讯子线程主要负责上位机和下位机之间的信息交换，是相对于主线程比较独立的线程，平时运行于后台，随时监视串行口的动作。该线程采用双串口协调机制，以保证达到高速同步测量的目的。图像信息的录入采用基于ＵＳＢ接口的摄像头，以满足高速高质量图像传输的要求。

采用上述的软硬件设计方法，本高精度激光轮对检测系统可靠性高、抗干扰能力强，各项性能指标都达到了系统测量精度的要求，具有很强的实际应用价值。系统测量精度如表１所示。

表1 系统测量精度度

项目名称	设计精度/mm	实际精度/mm
轴中央直径	±0.1	±0.08
轮缘厚	±0.2	±0.1
踏面磨耗	±0.5	±0.1
车轮直径	±0.5	±0.1
轮辋宽	±0.5	±0.15
轮座直径	±0.5	±0.15