激光技術(shù)在高速列車測(cè)量檢測(cè)中的應(yīng)用思考

陳繼軍

【摘要】? ? 隨著制造、檢驗(yàn)和測(cè)量一體化不斷深化，在高速列車生產(chǎn)線規(guī)劃中，各項(xiàng)工作要同步考慮，整體實(shí)施。高品質(zhì)軌道交通車輛需要更高品質(zhì)的測(cè)量技術(shù)，檢測(cè)技術(shù)手段會(huì)越來越多樣化。根據(jù)智能制造的要求與軌道交通車輛的制造特點(diǎn)，有越來越多的專業(yè)檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備，自動(dòng)化檢測(cè)方法將占據(jù)主流，傳統(tǒng)的手工檢測(cè)方式正逐漸被取代。檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和結(jié)果判斷更多地依靠智能系統(tǒng)來代替人工報(bào)告和結(jié)論，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析和趨勢(shì)預(yù)測(cè)。而激光技術(shù)可以應(yīng)用在測(cè)量檢測(cè)中，能夠提升測(cè)量檢測(cè)技術(shù)的水平和工程能力。本文探究了車輛關(guān)鍵零件空間安裝的三維激光投影測(cè)試技術(shù)、大跨距形位尺寸自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、復(fù)雜曲面構(gòu)件三維激光掃描檢測(cè)技術(shù)和基于視覺成像的車輛制造關(guān)鍵工序質(zhì)量狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)，以期為高速列車測(cè)量檢測(cè)工作帶來新思路。

【關(guān)鍵詞】? ? 激光技術(shù)? ? 測(cè)量檢測(cè)? ? 高速列車? ? 自動(dòng)測(cè)量? ? 應(yīng)用分析

引言：

高速列車制造標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，對(duì)列車的測(cè)量檢測(cè)也越來越嚴(yán)格，特別是部分關(guān)鍵零部件的監(jiān)測(cè)工作格外嚴(yán)格。但是目前，列車測(cè)量檢測(cè)工作仍然在應(yīng)用鋼卷尺、直尺等工作監(jiān)測(cè)，這種檢測(cè)手段精度低，效率低，并且檢測(cè)人員的工作量大。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)人工錄入，存儲(chǔ)和調(diào)取都存在困難。還有部分結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如一些曲面結(jié)構(gòu)或狹窄的空間結(jié)構(gòu)，不能用鋼卷尺測(cè)量。這會(huì)影響高速列車的生產(chǎn)制造工作，因此，我們需要應(yīng)用新技術(shù)改革高速列車的測(cè)量檢測(cè)模式。

一、激光測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)

激光適用于遠(yuǎn)距離的測(cè)量，激光測(cè)量技術(shù)在其他領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)有了應(yīng)用實(shí)踐，實(shí)踐證明激光測(cè)量具有精度高、抗干擾性強(qiáng)、效率高等優(yōu)勢(shì)。激光測(cè)量主要依賴于儀器的精度，不像高速列車人工測(cè)量模式一樣受操作人員技術(shù)水平的影響，測(cè)量誤差小。因?yàn)榧す饩哂懈咝芎透叻较?，所以只要在激光測(cè)量距儀的有效范圍內(nèi)，激光技術(shù)就可以對(duì)對(duì)象進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，并與智能設(shè)備相連，測(cè)量數(shù)據(jù)也可以實(shí)時(shí)顯示。而且，激光頻率高，不需要通過巨大的天線發(fā)射信號(hào)，操作成本比較低。

二、激光技術(shù)在高速列車測(cè)量檢測(cè)中的應(yīng)用分析

針對(duì)高速列車制造工程的特點(diǎn)和技術(shù)要求，本文探究了激光技術(shù)的應(yīng)用，希望為解決高速列車測(cè)量工作的誤差大、效率低、智能化水平低等問題提供思路。

2.1三維激光投影探測(cè)技術(shù)

使用激光投影測(cè)試系統(tǒng)，連接信息系統(tǒng)，可以將測(cè)量的數(shù)據(jù)直接錄入到系統(tǒng)中。激光投影直接將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的靶標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，通過遙控投影設(shè)備進(jìn)行定位，并將測(cè)量對(duì)象的位置信息和系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行匹配，進(jìn)而精準(zhǔn)判斷出車輛位置、零件位置信息，進(jìn)而迅速完成零件的安裝、焊接工作。

激光投影設(shè)備通過跟蹤驗(yàn)證列車的數(shù)據(jù)，進(jìn)而完全取代人工劃線的方式，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。這種自動(dòng)化的定位方式避免了人工定位的誤差，使得定位工作精度提高了，也能夠提高生產(chǎn)和安裝的效率。同時(shí)，數(shù)據(jù)的自動(dòng)錄入和調(diào)取也使得測(cè)量工作信息化，推動(dòng)列車生產(chǎn)和制造技術(shù)進(jìn)一步改革。

2.2大空間、形位尺寸檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于長(zhǎng)度、平面度較大的儀器，鋼卷尺的測(cè)量精度太低，無法滿足檢測(cè)要求。光比測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)這些大跨距形位尺寸進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。光比測(cè)量系統(tǒng)攜帶一套具有高精度的電光式便攜坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，具有三維空間檢測(cè)能力，能夠檢測(cè)角、線、面的數(shù)據(jù)信息。光比測(cè)量系統(tǒng)鏈接智能信息系統(tǒng)，自動(dòng)記錄并顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，一方面簡(jiǎn)化了測(cè)量工作，另一方面可以記錄全面的數(shù)據(jù)，比如工藝信息、車輛信息、站點(diǎn)信息、設(shè)備信息、接口信息、狀態(tài)確定管理等。在光比測(cè)量系統(tǒng)的客戶端平臺(tái)上，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)信息，并且實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。

目前，已開發(fā)出來的光比測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)在列車生產(chǎn)流水線上開始應(yīng)用，其配置了手持式Minipad，測(cè)量人員可以實(shí)時(shí)傳屏。應(yīng)用光比測(cè)量系統(tǒng)，生產(chǎn)流水線上的檢測(cè)人員可以減少一半，同時(shí)線束混亂問題也能得到解決，測(cè)量效率也大大提升了，節(jié)約了測(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間。使用光比測(cè)量系統(tǒng)，列車的車高、車寬、對(duì)角線等數(shù)據(jù)都可以被測(cè)量出來。與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比，光比測(cè)量系統(tǒng)具有明顯的綜合優(yōu)勢(shì)。

激光跟蹤儀可以迅速滿足大跨距尺寸測(cè)量的需要，主要通過一套自動(dòng)化的激光測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量精度保證在微米級(jí)別。手持式測(cè)探儀器滿足多種用戶自定義功能，用探針自動(dòng)識(shí)別功能提高精度，也可以自動(dòng)測(cè)量反饋。

在測(cè)量大跨度列車車體尺寸時(shí)，需要進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、定位等工作。其中，列車結(jié)構(gòu)比較特殊性，很多位置不方便測(cè)量。因此，在激光跟蹤儀基礎(chǔ)上，開發(fā)一些特殊裝置設(shè)備，如直角定位測(cè)量基座、撓度測(cè)量工具、測(cè)量桿等是非常必要的。這些輔助檢測(cè)裝置可以大大提高測(cè)量速度，擴(kuò)大測(cè)量空間。輔助測(cè)量裝置能自動(dòng)轉(zhuǎn)換測(cè)量空間，將測(cè)量點(diǎn)建立成精確的測(cè)量基準(zhǔn)面，充分利用激光跟蹤儀的高精度空間測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。

2.3三維激光掃描檢測(cè)技術(shù)

在一些復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)上，如司機(jī)室的前窗、側(cè)窗、車燈等位置，傳統(tǒng)的測(cè)量方式是通過制作專用的曲面測(cè)量設(shè)備，每個(gè)位置都需要專門的測(cè)量設(shè)備，設(shè)備之間無法通用。因此，檢測(cè)成本很高。而同時(shí)這些測(cè)量設(shè)備一旦磨損會(huì)影響使用，必須更換。這進(jìn)一步增加了測(cè)試成本。而應(yīng)用激光掃描儀和跟蹤儀，制作數(shù)字模型開檢驗(yàn)復(fù)雜的曲面空間可以節(jié)約成本。同時(shí)，數(shù)字模型不會(huì)存在磨損問題，因此，檢測(cè)精度也相對(duì)較高，這明顯提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)能力，提高檢測(cè)效率，降低檢測(cè)成本。

激光掃描測(cè)試是以非接觸的方式進(jìn)行的，檢測(cè)人員手持或者固定檢測(cè)設(shè)備，掃描儀自動(dòng)采集數(shù)據(jù)信息，以點(diǎn)匯面，獲得云點(diǎn)圖。激光掃描儀應(yīng)用于生產(chǎn)流水線上，提高檢測(cè)效率，同時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)和組織工藝，解決磨損、蓋板開合、線束一體化和空間狹窄等問題。

將三維激光掃描儀與三維模型進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)三維激光掃描儀的優(yōu)點(diǎn)，它可以迅速獲取司機(jī)室的尺寸和位置信息，通過三維激光建模，將位置和尺寸信息拼接在一起，將所有的司機(jī)室數(shù)據(jù)都整合在一個(gè)坐標(biāo)系中，迅速精準(zhǔn)地展示司機(jī)室的尺寸和位置信息，快速指導(dǎo)安裝調(diào)修工作。

2.4高級(jí)視覺成像技術(shù)，提高檢測(cè)技術(shù)質(zhì)量

隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，激光檢測(cè)也可以結(jié)合工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，完成自動(dòng)識(shí)別和掃買哦工作。工業(yè)機(jī)器人搭載激光檢測(cè)設(shè)備，根據(jù)導(dǎo)航無軌行走，及時(shí)定位位置信息，構(gòu)建區(qū)域地圖。這就進(jìn)一步節(jié)省了人工，工業(yè)機(jī)器人不間斷24小時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航執(zhí)行任務(wù)，執(zhí)行很多高危測(cè)量作業(yè)。

例如，研制了一種基于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的裙板自動(dòng)檢測(cè)與圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)，使其應(yīng)用于列車生產(chǎn)組裝流水線上，進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，替換了人工列檢方式，流水線上也不再有檢驗(yàn)員，減輕了人員的工作強(qiáng)度，提高了檢測(cè)的效率和質(zhì)量。系統(tǒng)自動(dòng)收集數(shù)據(jù)，分析和識(shí)別圖像，發(fā)現(xiàn)很多人眼無法識(shí)別的問題和故障。如果在采集圖像中出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)定位和報(bào)警，進(jìn)而工作人員很方便地查看。

工業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)使用激光導(dǎo)航、3D掃描和圖像識(shí)別技術(shù)，視覺系統(tǒng)非常發(fā)達(dá)，大仙問題可以迅速響應(yīng)。可靈活擴(kuò)展識(shí)別和掃描功能，實(shí)現(xiàn)了列車機(jī)組裙座底板裝配狀態(tài)的自動(dòng)化和圖形化檢測(cè)的工程應(yīng)用。

在人機(jī)交互界面上，裙底板部件的數(shù)據(jù)清晰地展示出來。因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)中存有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型，所以系統(tǒng)可以對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，通過獲取平穩(wěn)的影像信息顯示出來，以提高檢測(cè)工作的效率。

三、激光檢測(cè)的關(guān)鍵問題

激光檢測(cè)技術(shù)具有其他檢測(cè)技術(shù)無可比擬的優(yōu)越性，但是也存在一些問題。比如，一些激光檢測(cè)設(shè)備無法根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的變化而迅速調(diào)整，并影響它的使用。例如，當(dāng)車身變形時(shí)，由于激光檢測(cè)設(shè)備是以目標(biāo)點(diǎn)和特征標(biāo)記點(diǎn)的方式投影和測(cè)量的，而車體發(fā)生變形，會(huì)使得激光投影儀本來的數(shù)據(jù)模型與車體的尺寸、位置不相符，進(jìn)而影響測(cè)量精度。

再者，由于列車車體較長(zhǎng)，空間結(jié)構(gòu)大，而工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展尚不成熟，所以所以在檢測(cè)時(shí)仍然需要人工操作激光設(shè)備，自動(dòng)化檢測(cè)程度不足。部分檢測(cè)工作仍然依賴于操作人員的技術(shù)能力，比如在采集司機(jī)室這種曲面較多的空間時(shí)，因?yàn)閽呙鑳x設(shè)定的掃描點(diǎn)過多，所以當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)站時(shí)，整體掃描出現(xiàn)困難，需要操作人員選取電影的區(qū)域特征，擬合數(shù)據(jù)，對(duì)操作人員的技術(shù)能力和操作經(jīng)驗(yàn)要求比較高。

最后，激光檢測(cè)設(shè)備購(gòu)買成本、養(yǎng)護(hù)成本都比較高。激光探測(cè)設(shè)備價(jià)格昂貴，精度高，投資成本高。由于車間環(huán)境惡劣，金屬材料飛塵進(jìn)入設(shè)備孔隙，容易造成設(shè)備故障，如果有部件損壞，不僅維修費(fèi)用高，周期還較長(zhǎng)。

四、結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、移動(dòng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)和大數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)將給列車制造和測(cè)試帶來巨大改革。作為一項(xiàng)新的測(cè)繪技術(shù)，激光技術(shù)在未來將進(jìn)一步發(fā)展，它應(yīng)用于列車檢測(cè)工作中，測(cè)量對(duì)象的三維圖像數(shù)據(jù)能夠快速、高效地獲取，使測(cè)繪技術(shù)人員突破傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)行新的數(shù)據(jù)挖掘和研究。

激光測(cè)圖技術(shù)作為一種新的測(cè)量方法，與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。在未來，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的生產(chǎn)和制造將成為軌道交通裝備制造業(yè)的發(fā)展方向。未來軌道交通檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將是專業(yè)化、自動(dòng)化、智能化、集成化和信息化。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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