激光限界裝置在軌道交通中的應(yīng)用

何永寧 崔文良

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

關(guān)鍵詞：激光限界裝置;城軌車輛;限界試驗(yàn)

0 引言

根據(jù)IEC 6113標(biāo)準(zhǔn)要求，軌道交通車輛組裝機(jī)械調(diào)試完成后，需要進(jìn)行車輛限界例行試驗(yàn)。軌道車輛限界是和橋梁、隧道等限界起相互制約作用的，當(dāng)城軌車輛車輛在滿載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，也不會因產(chǎn)生搖晃、偏移等現(xiàn)象而與橋梁、隧道及線路上其他設(shè)備相接觸，以保證行車安全。傳統(tǒng)限界試驗(yàn)的方法為在龍門架上安裝木質(zhì)、尼龍等材料的仿形限界規(guī)，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(guī)有無干涉以判斷限界試驗(yàn)是否合格。由于各項(xiàng)目車輛外部限界輪廓不同，每個(gè)項(xiàng)目都需制作專用限界規(guī)。對于軌道交通制造主機(jī)廠，每天都有各種項(xiàng)目車輛下線，限界規(guī)頻繁更換，勞動強(qiáng)度大，而且耗費(fèi)大量生產(chǎn)時(shí)間。同時(shí)這種傳統(tǒng)限界試驗(yàn)方法還存在測量精度低、工裝成本制造及維護(hù)高、異常因素影響比較大、非試驗(yàn)過程時(shí)間過長等缺點(diǎn)，此試驗(yàn)方法已經(jīng)不符合軌道交通車輛智能制造、精益生產(chǎn)需求。

為解決傳統(tǒng)限界規(guī)試驗(yàn)問題，研發(fā)應(yīng)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(shí)，激光限界裝置持續(xù)掃描車輛，形成車輛連續(xù)的斷面輪廓，通過與標(biāo)準(zhǔn)的車輛限界包絡(luò)線進(jìn)行對比，對超限部位進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。激光限界裝置能自動標(biāo)識超界部位和自動輸出檢測報(bào)告，根據(jù)需求可以生成三維點(diǎn)云圖形，限界數(shù)據(jù)可以存儲、標(biāo)識和數(shù)據(jù)追溯，實(shí)現(xiàn)無模板精準(zhǔn)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(shù)據(jù)處理單元、帶升降結(jié)構(gòu)龍門框架、輔助功能設(shè)備組成。通過實(shí)時(shí)獲取激光測距儀和車的距離，作為系統(tǒng)測量開始及測量結(jié)束的判斷依據(jù)，測量過程中實(shí)時(shí)記錄車輛距離用于超限輔助定位。

帶升降結(jié)構(gòu)龍門框架：由龍門框架、步進(jìn)電機(jī)、減速單元、垂直運(yùn)動單元構(gòu)成。龍門架橫梁可以通過軟件控制進(jìn)行自由多模式上下運(yùn)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(yè)相機(jī)組成，3D相機(jī)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(shí)現(xiàn)整車點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集。

數(shù)據(jù)處理單元：由兩臺工控機(jī)組成。主要對各個(gè)單元進(jìn)行指令控制、功能實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)計(jì)算處理。

輔助功能設(shè)備：根據(jù)需求配備打印機(jī)、視頻監(jiān)控等輔助設(shè)備。

根據(jù)生產(chǎn)車型的外尺寸及限界試驗(yàn)精度要求，激光限界裝置主要技術(shù)參數(shù)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(zhǔn)備→升起測距儀→創(chuàng)建任務(wù)→開始測量→測量結(jié)束→超限定位→生成測量報(bào)告

測量準(zhǔn)備：系統(tǒng)上電、打開工控機(jī)，在工控機(jī)上運(yùn)行操作軟件，選擇待測車輛限界參數(shù)。如為新項(xiàng)目，則先將待測新項(xiàng)目車輛的限界參數(shù)導(dǎo)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(diǎn)能打到反光板上，測距儀用于自動計(jì)算車輛超限位置。

創(chuàng)建任務(wù)：在測量操作界面填寫待測車型項(xiàng)目類型，選擇車輛充氣/放氣狀態(tài)，填寫任務(wù)名稱。

開始測量：點(diǎn)擊“創(chuàng)建任務(wù)”，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(xù)掃描車輛，注意人員不要進(jìn)入測量區(qū)域，防止掃描結(jié)果無效。

測量結(jié)束：等待系統(tǒng)處理計(jì)算數(shù)據(jù)，界面顯示測量結(jié)果。測量結(jié)果界面會顯示所測車輛限界輪廓，判斷是否限界試驗(yàn)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(diǎn)擊“回溯超限界面”，該界面實(shí)時(shí)顯示距離超限的位置。

超限定位：測量結(jié)果不合格，可以將車回推，配合激光測距儀回溯測量數(shù)據(jù)，界面實(shí)時(shí)顯示距離超限的距離。

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

3 激光限界裝置應(yīng)用效果

與傳統(tǒng)限界方式對比，激光限界裝置具體優(yōu)點(diǎn)如下：

①極大提高試驗(yàn)效率。采用激光限界裝置試驗(yàn)不再需要更換限界規(guī)，減少了限界試驗(yàn)前限界規(guī)更換的時(shí)間，限界試驗(yàn)由原來約60分鐘減少到20分鐘。

②減少限界試驗(yàn)成本。激光限界裝置可以適用所有項(xiàng)目車型，減少每年限界規(guī)工裝的巨大采購費(fèi)用。

③減少工人勞動強(qiáng)度及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。工人無需頻繁更換限界規(guī)，無需再登車頂測量車輛高度等數(shù)據(jù)，大大減少了工人勞動強(qiáng)度及登頂作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

④提高了限界試驗(yàn)質(zhì)量。檢測精度由傳統(tǒng)限界方式3mm提高到1mm內(nèi)，且能測量車輛高度、寬度、長度等尺寸，提高了試驗(yàn)質(zhì)量。

⑤解決下部限界設(shè)計(jì)要求。部分項(xiàng)目新增下部限界要求，傳統(tǒng)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(jī)，可以直接測量車輛下部限界，滿足限界試驗(yàn)車輛下部限界的要求。

⑥容錯(cuò)率高，能快速解決現(xiàn)場問題。限界試驗(yàn)如因設(shè)計(jì)或制造錯(cuò)誤，限界規(guī)需要修改或重新制造時(shí)，周期較長，還需要重新安裝計(jì)量。而激光限界裝置只需在軟件修改限界參數(shù)就可以馬上重新進(jìn)行限界試驗(yàn)，不會因工藝裝備更改問題影響試驗(yàn)計(jì)劃。

在激光限界裝置調(diào)試及應(yīng)用中，也發(fā)現(xiàn)一些問題，改進(jìn)后已解決。 例如黑色油漆輪廓部分測量效果差，掃描結(jié)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(jī)曝光率。限界檢測掃描完成后，由于掃描數(shù)據(jù)龐大，計(jì)算車輛整車最終輪廓耗時(shí)約10分鐘，速度較慢。此問題可以通過優(yōu)化算法，提高硬件配置，以減少計(jì)算時(shí)間。

4 結(jié)語

激光限界裝置采用先進(jìn)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(yàn)時(shí)間、提高限界試驗(yàn)效率、減少試驗(yàn)成本、容錯(cuò)率高、應(yīng)用效果良好，各方面優(yōu)于傳統(tǒng)限界規(guī)檢測方式。

參考文獻(xiàn)

[1]楊鳳春.激光掃描在軌道限界檢測中的應(yīng)用[M].現(xiàn)代軌道城市交通，2017-2.[2]何帥.激光限界檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].微型機(jī)與應(yīng)用，2010.

[3]劉維楨.基于激光掃描技術(shù)的鐵路限界檢測系統(tǒng)[M].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2012.

[4]陶雄.三維激光掃描技術(shù)在隧道斷面檢測中的應(yīng)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(xiàn)從事城市軌道交通組裝工藝工作