（测试计量技术及仪器专业论文）基于激光测距物体形貌检测系统研究.pdf

武汉理1 = 人学硕上学位论文 摘要 轮对是机车走行部的重要部件，是影响列车安全运行的主要因素之一。从铁 路诞生以来，铁路运输一直为世界各国经济的发展做杰出的贡献，特别是第二次 工业革命，为世界的工业化道路奠定了基础。机车轮对，是车辆走行与铁轨连接 的重要部件，在铁路安全稳定运输中占有极其重要的地位，轮对的可靠性直接影 响铁路运输的效率与安全。传统的轮对检测方法主要是靠人工进行，测量时问长、 测量精度低并且误测率高。在我国国内，目前对火车轮对外形尺寸还普遍采用卡 尺等传统工具测量，这种低效率的接触性的测量方式十分落后，对机车的安全行 驶造成一定隐患。论文针对轮对踏面检测技术，对国内外为此进行的相关检测方 法进行了论述。在分析和比较国内外各种轮对检测技术的基础上，提出了一种通 过激光测距传感器测量轮对踏面与传感器基准线距离的方法来拟合轮对踏面曲 线的方法。 第一部分主要论述了本文研究的背景与意义，并通过对目前国内外轮对检测 方法及研究现状的论述，探讨激光位移测量方法在轮对踏面非接触检测上的应用 与意义。 第二部分从机车轮对踏面的基本知识、激光三角法测距原理以及曲线拟合的 基本原理等几方面论述了轮对踏面检测系统的基本原理。 第三部分是本检测系统的总体硬件设计，包括a v r 单片机最小系统的设计、 光电数据采集系统的设计、运动控制系统的设计以及u s b 数据存储系统的设计。 第四部分主要是上位机l a b v i e w 数据分析系统的设计，包括前面板和程序 框图的设计。 第五部分主要是系统误差的分析，系统是由硬件系统和上位机软件系统组 成，硬件结构中，步进电机与位移台之间是通过滚珠螺杆进行传动，而轮对在负 重挤压后损伤的表面形状都是千变万化的，这些都会造成系统误差，如何避免系 统误差也是本章研究的内容。 关键词：轮对，l a b v i e w ，激光三角法，曲线拟合 武汉理- t 犬学硕士学位论文 a b s t r a c t w h e e ls e ti sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fb o g i el o c o m o t i v e ，o n eo ft h em a i nf a c t o r s a f f e c t i n gt h es a f e t yo p e r a t i o no ft r a i n s o v e rt h ey e a r s ，r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h ec o u n t r i e s e c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nt h ew o r l d ，a sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to ft h ew h e e lv e h i c l e si nt h er a i l w a y ss a f e t yt r a n s p o r t a t i o n ，i to c c u p i e sa n i m p o r t a n tp o s i t i o n t h et r a d i t i o n a ld e t e c t i o nm e t h o d so fw h e e lr e l yo nm a n u a l ， r e s u l t i n gi ni t sl o we f f i c i e n c y , h i g he r r o rr a t e a tp r e s e n t ，o u rc o u n t r yh a sn o ty e t u n i v e r s a l l y r e a l i z e da u t o m a t i cn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tt o w a r d st r a i nw h e e l d i m e n s i o n s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e l e v a n t t e s t i n gm e t h o d sb o t ha th o m ea n d a b r o a da c c o r d i n gt op a r a m e t e r so fw h e e lp a i r sm e a s u r e d c o m i n gu pw i t ham e t h o do f m e a s u r i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nw h e e lt r e a ds u r f a c ea n dt h es e n s o rb a s e l i n et h r o u g h l a s e r - d e t e c t i n gs e n s o rt of i tw h e e lt r e a dc u r v e ，a f t e rt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no f v a r i o u sd e t e c t i o nm e t h o d s t h ef i r s tp a r tm a i n l yd i s c u s s e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i ss t u d y , a n d t h r o u g ht h ec u r r e n tr o u n do ft e s t i n gm e t h o d sa n dr e s e a r c hs t a t u sb o t ha th o m ea n d a b r o a d ，e x p l o r e st h ea p p l i c a t i o na n ds i g n i f i c a n c eo fl a s e rd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t m e t h o d sn o n c o n t a c td e t e c t i o ni nw h e e lt r e a ds u r f a c e t h es e c o n dp a r ts t a r t sf r o mt h eb a s i ck n o w l e d g eo ft h et r e a dw h e e ls u r f a c e ，t h et h e o r y o fl a s e rt r i a n g u l a t i o nr a n g e f i n d e r , a n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fc u r v ef i t t i n g ，d i s c u s s e s t h eb a s i cp r i n c i p l e so fd e t e c t i o ns y s t e mt o w a r d st r e a dw h e e ls u r f a c eb a s e do nt h e b a s i cp r i n c i p l e sm e n t i o n e da b o v e t h et k r dp a r ti st h eo v e r a l lh a r d w a r ed e s i g no ft h i sd e t e c t i n gs y s t e m i n c l u d i n gt h e d e s i g n so fa v r m i c r o c o n t r o l l e r ss m a l l e s ts y s t e m ，o p t i c a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ， m o t i o n - c o n t r o l l i n gs y s t e ma n du s b d a t as t o r a g es y s t e m t h ef o u r t hp a r ti sm a i n l ya b o u tt h ed e s i g no fh o s tc o m p u t e rl a b v l e w sd a t aa n a l y s i s s y s t e m ，i n c l u d i n gd e s i g n so ft h ef r o n tp a n e la n dt h ef r a m er i n gp r o g r a m t h ef i f t hp a r ti st h ea n a l y s i so fs y s t e m a t i ce r r o r s t h es y s t e mi sc o n s i s to fah a r d w a r e s y s t e ma n dah o s tc o m p u t e rs o f t w a r es y s t e m ，w i t h i nt h eh a r d w a r e ss t r u c t u r e ，t h e n 武汉理工人学硕上学位论文 t r a n s a c t i o nb e t w e e nt h es t e p p e rm o t o ra n dt h ed i s p l a c e m e n tp l a t f o r mi sc o n d u c t e d t h r o u g hb a l l s c r e w ，w h i l et h ew h e e l se x t r u s i o ns u r f a c es h a p eo fp o s b i n j u r yi nt h e w e i g h t - b e a r i n ga r ee v e r - c h a n g i n g ，a n dt h e s ew i l lr e s u l ti ns y s t e me r r o r s ，h o wt oa v o i d s y s t e m a t i ce l r o r si sa l s oas t u d yo ft h ec o n t e n t so f t h i sc h a p t e r k e y w o r d s ：w h e e l ；l a b v i e w ；l a s e rt r i a n g u l a t i o nm e t h o d ；c u r v ef i t t i n g 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中明确的说明并表示了谢意。 签名：瑾日期：盟型6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 签名) ：夏节 导师( 签名) ：鸯先汤 日期：动吵2 f 占 武汉理工大学硕- 学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 轮对是铁路车辆中的重要行走部件，在铁路安全运输和速度方面起着至关 重要的作用，特别是在机车车辆追求高速度、大载重发展的今天，对轮对的要 求更高【l 】。轮对的作用是保证机车车辆在钢轨上的运行和转向，承受来自机车车 辆的全部静、动载荷，把它传递给钢轨，并将因线路不平顺产生的载荷传递给 机车车辆各零部件。此外，机车车辆的驱动和制动也是通过轮对起作用的【2 j 。 车轮在机车运行中与钢轨接触部分承受很大的压力和冲击力，其接触表面 即轮对踏面产生弹性变形和很大的挤压应力；在运行中，左右两轮不可避免地 以不同直径在钢轨上滚动，产生滑行和车轮磨耗；在行经铁轨两端连接点时， 由于目前我国无缝铁轨还不普及，两铁轨的连接点缝隙还普遍存在，因此造成 了轮对踏面的撞击；在制动时，车轮踏面还受到闸瓦和铁轨的剧烈磨损，并产 生高温。因此，每个列车轮对经过一定使用期限就要进行一次全面尺寸检测， 对于尺寸变形以及踏面严重的轮对需要进行维修或者报废，否则会给列车的行 驶带来极大的安全隐患，对国家财产和旅客安全造成威胁。我国铁路机车管理 部门对各车辆轮对的磨耗与变形限度有明确的规定【3 】，并要求各车辆段机务段严 格遵守，机车轮对在使用一段时问后必须进行全面检测，本文所研究的踏面损 伤的检测就是其中一项重要的检测内容。 目前，我国轮对踏面故障的检测技术还比较落后，主要采取定期检修的方 式，如月检、季检等，即在规定的时间罩，如每个月月末或每个季度季末时集 中大量的人力物力对一定批次的车轮进行检修。当前轮对参数的检测和数据记 录在国内基本上还是靠手工完成，测量工具采用特制卡钳和直尺【4 j ，这种传统的 方式测量效率低，不适合多工况条件下作业，并且测量的劳动量极大，由于工 人熟练程度的高低，在测量中也存在一定的人为因素，较低的熟练程度直接影 响了测量的精度和可靠性，并且由于是纸张作业，也不便于信息管理，对于后 续对该轮对的数据查询十分困难，在列车高速度大载荷化的今天，这样落后的 人工检测方法早己不适应车辆设备管理的需要。因此，开发出检测速度快、测 量精度高、使用方便、可重复使用的的轮对参数检测系统己经成为实际检测工 作的迫切要求，迅速准确地检测轮对踏面损伤，及时维修或更换损伤的轮对， 武汉理工人学硕上学位论文 对我国铁路事业的运行与发展具有非常重要的意义。 1 2 国内外研究现状 目前国内外对轮对几何参数的测量主要有静态检测和动态检测或接触式测 量和非接触式测量【5 ，6 】。静态检测是指机车车辆在检修时进行的测量，静态检测 劳动量大，无法及时检测出轮对踏面数据；动态检测则是指机车车辆在运行时 进行的测量，检测效率高，数据反馈及时。接触式测量极易造成接触传感器的 损坏，因此实际应用较少，而多用非接触式测量。动态非接触测量以其稳定性 好，自动化程度高等优点f 1 益受到重视，并将得到广泛应用。 1 2 1 国外研究现状 铁路最先在工业化国家存在，特别是在近代，国外发达国家对安全运行 的要求越来越高，它们对列车轮对踏面擦伤等参数的自动检测也进行了长期 的研究，并取得了显著的成果。 ( 1 ) 日本的“新干线”被誉为最成功的冷轨运输，日本在这方面的研究 一直处在世界的前列。日本一公司在二十世纪八十年代末研制的“轮对自动 检查装置 【7 1 ，此装置可同时检测轮对两边车轮的外形参数。测量时轮对随 回转装置转动，通过安装在机架两边的c c d 摄像机拍摄踏面图像，并将轮对图 像数据及时反馈进计算机，并经计算机处理后在显示器上显示，操作人员根据 显示器显示可以方便的识别出踏面的损伤程度，实现了检测的自动化，十分安 全、高效。 ( 2 ) 作为全球最发达的国家，美国也对机车轮对的损伤测量进行了研究。 美国国际电子机械有限公司于八十年代末期研制出了一种便携式车轮断面测 量仪【引。该仪器可以在2 5 分钟的时间内完成轮缘厚度和踏面磨耗等参数的测 量，并能直接打印出测量的数据或将测量数据传送给计算机处理，由于该仪 器可以在各种工况下作业，又便于携带，十分受轮对检测工人的欢迎。该仪 器通过两组控制机构可确保仪器放在车轮的正确位置，因而人为的影响很小， 测量精度也十分高。 该公司还于同期研制出一种便携式的车轮轮廓测量仪，轮廓测量仪主要 是对轮对的轮缘和踏面进行测量。它通过精密的光学成像测量系统对车轮轮 廓进行测量，并传输给计算机模拟出轮廓造型，再通过计算机计算损伤大小 2 武汉理工大学顾士学位论文 及位置。 ( 3 ) 罗马尼亚于二十世纪九十年代前中期研制出“车轮外形、磨耗自动 检测系统”【9 1 。该系统通过安装在轮对上方的连续跟踪照明系统( 缝隙型集中 光束的聚光灯) 对轮对踏面进行照射，再通过8 倍光学变焦的松下g l 摄像机 对踏面图像进行拍摄。此方法适用于低速检测，采用缝隙型集中光束，可以 增加图像的对比度，有效简化图像处理，但受外界光环境的影响较大。 ( 4 ) 1 9 9 5 年美国l o r a m 公司开发出了适用于不同速度的三种型号车轮自 动检测系统【l o 】，在车间使用的低速车轮检测系统可作为一种连续扫描器，由 于其不受机车行驶速度的影响，还能检测车轮表面剥离和剥落，以确保新、 旧轮对质量。低速用车轮检测系统可在速度8 k m h 以下的运行状态对轮对参 数进行测量并可以输出检测图表和统计数据。而在列车高速( 7 2 k m h 以下) 运行时，则可采用高速车轮检测系统。现场使用表明，该系统可以成功在不 同列车行驶速度下完成对车轮的轮缘高度、轮缘厚度、轮辆厚度，直径和冲 角等的测量。 ( 5 ) 丹麦国家铁路公司于2 0 0 0 年将一种新型的车轮缺陷探测系统i l l j 投 入到了城市高速铁路网的检测中。该系统能测量车轮踏面磨耗，同时也能检 测车轮表面缺陷，既能降低车辆维修成本，又能降低列车运行噪声。 1 2 2 国内研究现状 国内关于轮对的检测研究起步较晚，但随着近几年的发展，特别是我国 铁路里程的飞速增加，铁路的几次大提速，对轮对快速准确检测的需求越来 越强烈，通过国内各车辆段、机务段以及高校研究机构的不懈努力，在理论 上的研究和实践中的成果都有了一定的发展。 西南交大崔占涛【1 2 】等开发出了一种基于d s p 技术的便携式轮对轮廓检测 装置，它的测量机构包括便携式专用测量机架、运动副、测量装置以及智能 处理器d s p 。智能数据处理主机以d s p 芯片为核心，接收和处理光电编码器传 输过来的数据，并将处理的数据存入6 4 k 的临时存储器，并在液晶显示器上显 示。根据需要，数据可通过接口连入微型打印机将其打印出来，还可以把数据 导入上位p c 主机的数据库中，方便以后导出。 大连理工大学卢湖川【1 3 】等研制出了一种基于c c d 成像和图像处理技术的 “利用c c d 成像系统检测火车轮对几何尺寸”的非接触在线测量系统。c c d 是 3 武汉理t 大学硕1 ：学位论文 一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，中文全称电荷耦合元件。 该系统利用7 个c c d 摄像机作为前端图像截取工具，可以实现对轮对的全尺 。 寸进行测量，然后通过高速图像采集卡采集到计算机内，利用算法分割、滤 波、二值化、复原、变换、信息隐藏等数字图像处理的相关理论对数据进行 重构与处理，得出测量结果，从而实现对火车车轮的智能检测。该系统是一 套高度集成的测量系统，拟测量的参数较全，难度大，还涉及到工业现场的 自动控制以及物理光学中的成像技术等多个领域，是一个理论性很强，又具 有实用性和挑战性的课题。 广东工业大学的敖银辉【1 4 l 介绍了一种轮对参数的静态光电自动检测装 置。该检测系统由龙门架通过式结构和光电测量机构构成，主要包括升降机 构、带传动机构、进给传动机构以及包含各种测量传感器的测量机构等。在 测量时，将轮对沿轨道置入测量装置，通过光栅位移传感器、c c d 摄像机、图 像采集卡和各个机械部件的协调动作，自动完成轮对的测量。并通过步进电 机控制传感器的位置，以及带转总成控制轮对旋转，全尺寸测量轮对参数， 在线自动完成测量。 车辆车轮检测技术经历了从利用卡尺、卡钳等传统测量工具的接触式检 测，到利用激光、声波、电涡流、图形处理等技术的非接触性测量，从人工 固定测量到便携式静态测量，再到动态自动在线检测，轮对检测技术在近几 十年有了突飞猛进的发展【1 5 1 7 】。在轮对参数检测技术的发展中，国内外专家 越来越青睐检测速度快、检测精度高、使用方便的光电测量方法，但是国外 研制的检测设备造价普遍很高，并且轮对尺寸参数也与我国存在一定的差异， 特别是有些检测方法与设备是国外的重要技术，我国无法直接获得，而且国 外车轮几何参数的检测也还在不断发展改进，随着科学技术的进步，国外许 多检测技术和方法还有待进一步的完善。 通过对国内外轮对检测技术的研究发现，光电检测越来越被各国重视， 因此利用光电检测技术，结合高效的智能控制系统，开发出测量精度高、自 动化程度高的便携式自动检测设备，改变我国车辆车轮检测技术落后的现状， 保证机车安全稳定的运行，成为迫切需要。我国铁路总里程处于世界第一位， 轮对自动检测设备的需求十分可观，因此许多车辆段、机务段、高校以及研 究所等也在积极合作研发，争取开发出相应的设备以占领国内轮对检测市场， 并大量推向全国各车辆段、车务段，从而推向国际市场，与欧美先进的检测 4 武汉理工人学硕上学位论文 仪器进行竞争。 1 3 激光检测技术的应用 激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，配以 相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时问短、非接触 式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参刻博j 。 在光电检测领域，利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。 由泰曼干涉仪到莫尔条纹，然后到散斑，再到全息干涉，出现了一个个干涉场， 物理量( 如位移、温度、压力、速度、折射率等) 的测量不再需要单独测量， 而是整个物理量场一起进行测量。自从激光出现以后，电子学领域的许多探测 方法( 如外差、相关、取样平均、光子计数等) 被引入，使测量灵敏度和测量 精度得到大大提高【1 9 1 。由于光纤能控制光束的传播路径，光纤技术的出现使光 调制方法增多，接收更为方便，同时它能进入物体内部，扩大了测量范围，提 高了测量精度，甚至可以事先铺设在各种建筑物内部，作实时检测和自动控制 等。光纤激光器具有非常高的电光转换效率，其光束质量无与伦比，在光学检 测领域发挥着重要作用。 目前，光电检测技术主要以激光检测和红外探测为代表，而激光检测技术 是最先进、应用最广泛的检测技术之一【2 0 】。可实现高精度、高效率、非接触在 线检测。随着激光检测技术的发展，其在国防及民用工业生产中的产品零件检 测中越来越被重视。 激光器诞生于1 9 5 4 年，它以1 9 1 6 年爱因斯坦提出的受激辐射概念作为理 论基础，它作为一种新型光源，与普通光源有显著的不同。首先，激光是单色 的，或者说是单频的，虽然有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是 这些激光都是相互独立并相互隔离的，使用时也是分开的。第二，激光是相干 光，相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。第 三，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收 敛的现象。第四，激光的亮度高，能够照亮远距离的物体，以红宝石激光器为 例，其发射的光束在月球上产生的照度约为o 0 2 勒克斯( 光照度的单位) ，颜色 鲜红，激光光斑明显可见。第五，激光的方向性好，1 9 6 2 年，人类第一次使用 激光照射月球，地球离月球的距离虽有3 8 万公里，但激光在月球表面的光斑直 径不到两公里。 5 武汉理工人学硕士学位论文 利用激光的这些特点，形成了各种激光检测方法，主要有：激光干涉法、 光纤法、激光三角法、激光扫描法等。 1 激光干涉法 1 8 8 3 年，美国物理学家迈克尔逊设计出了世界第一台干涉仪，它是在平板 和薄膜干涉现象的基础上发展起来的，迈克尔逊用它否定了“以太 的存在， 发现了真空中光速的恒定值，是爱因斯坦相对论的基础。 目前，干涉法一直是精密测量长度、位移的有效手段。特别是二十世纪血 十年代以后，激光器的发明克服了单色光源对干涉仪的限制，增强了干涉测量 方法的通用性，而现代电子技术的发展也大大提高了干涉信号的处理精度和速 度。 激光干涉是以激光波长为已知长度，在高频的激光脉冲输入下，依靠入射 激光和反射激光的相位差来测量工件的瞬间位移变化，瞬间位移变化量的叠加 可以描述工件轮廓的状况。照射到工件表面光斑直径保持为2 0 0 微米左右，足 够大的参考光斑可以给干涉仪提供稳定的参考信号。激光干涉技术应用十分广 泛，主要用在光通信、计量等领域。根据激光干涉的特性，利用其进行高精度 长度量测量时十分有效，目前还没有可替代的高精度测量方法。而天文领域， 激光干涉技术也十分常用，比如美国国家航空航天局( n a s a ) 和欧洲航天局 ( e s a ) 合作的引力波探测计划，利用三颗航天器组成的三角形激光干涉仪，用 以探测引力波。 2 光纤传感 光纤传感技术是二十世纪七十年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起 来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技 术。 以光波作信号载体，以光纤作传播煤质，具有不怕外界电磁干扰，接收能 量损失小，传输信息量大，易于接收，方便进行光电转换等特点，因此它极易 和现在电子设备进行连接使用。由于其受外界环境影响小、体积小、易弯曲的 特点，光纤传感特别适用于遥测遥控，如医学中的胃镜等，在血管检测中使用 也十分普遍。 3 激光三角法【2 l 】 激光三角法是以经典的光学三角原理为基础，利用激光良好的方向性，以 及几何光学成像的比例特性，将一束激光照射到物体上，当物面移动时，由于 6 武汉理工大学硕，t ：学位论文 位移方向与接收光路光轴成一三角形，故称光学三角法。并用光电传感器阵列 ( c o m s 、c c d 等) 检测光斑的像的位置，则可以根据三角形性质计算出光斑 位置。这种测量方法可以十分有效的测量较短的距离。 近年来，在原有理论的基础上，不断对激光三角测头进行改进设计，随着 半导体激光器和c c d c o m s 等图象探测用电子芯片的发展，激光三角测距器在 性能改进的同时，体积不断缩小，成本不断降低，正逐步从研究走向实际应用， 从实验室走向实际，广泛应用于各种精密机械制造业，可以有效的测量设备关 键参数，如：平面度、直线度等形位误差，实现对物体表面粗糙度的测量，以 及各种圆形器件的圆度、内膛尺寸等参数的检测。 4 激光扫描法 原理比较简单，事实上和全息照片有着相同的原理。首先，需要将激光分 成两束，一束光照射物件，一束直接照到底片上，使感光元件感光。这是利用 了从物体后部反射的激光束与物体前部反射的激光束所走过的距离不同，因此 与直接照射的参考光束所形成的干涉条纹不同，而三维型激光扫描仪则记录了 全部的条纹，也就记下了物体的立体形象，只要再用激光去照射全息图片，就 可以显出物体的真面目。观看这样的图片时，只要改变观察的角度，就可以看 到被前面物体挡住的部分，而且从这机关报照片中任意剪下一小块，都可从它 看到物体的全貌，只是观察的窗口较窄，就好比从钥匙口看室内的情况一样。 激光扫描以h e n e 激光器或半导体激光器为光源，通过一个旋转的扫描转 镜将激光束投射到发射光学系统上，再通过发射光学系统将平行光扫描到被测 物体上，经接收光学系统聚焦，再投射到光学接收器件上并进行光电转换、数 据处理，从而得出所测结果。这种方法在三维物体形貌重构中得到广泛应用， 在机械加工中，是逆向工程的重要方法。由于这种方法的优点是测量速度快， 可实现现场处理，也被广泛应用在超市、物流中心等条形码扫描中。 1 4 本文的主要研究内容 本文研究的是基于“激光三角法”技术的离线非接触动态测量方式，通过 高精度激光位移传感器高速同步采样达到较高的检测精度，并通过上位机 l a b v i e w 曲线拟合等先进技术实现高效处理。主要有以下几方面的研究： 1 研究基于激光传感器的测量物体二维甚至三维轮廓的测量机构，激光传 感器、步进电机的机械结构以及机车轮对踏面数字矩阵等； 7 武汉理工人学硕上学位论文 2 开发基于a v r 单片机的轮对检测系统的硬件系统，包括u s b 数据存储 模块、激光传感器数据采集和信号调理模块、直线步进电机的驱动模块、系统 供电模块、液晶显示模块、按键输入模块等； 3 基于u s b 的数据存储技术的实现。 1 5 本章小结 随着经济的发展，我国越来越重视列车行走的安全和效率，作为列车安全 行驶的重要部件，轮对的创伤检测越来越受到国家各部门各学者的重视，本章 主要论述了本文研究的背景与意义，并通过对目前国内外轮对检测方法及研究 现状的论述，探讨激光位移测量方法在轮对踏面非接触检测上的应用与意义。 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章机车轮对踏面检测系统的基本理论 2 1 机车轮对踏面的基本知识 机车车轮踏面( 1 0 c o m o t i v ew h e e lt r e a d ) 是车轮与钢轨的接触部分，简称踏 面【2 2 1 。踏面与钢轨内侧接触的凸出部分称为轮缘，轮缘的作用是防止车轮脱轨， 车轮通过曲线轨道时，轮缘与外轨内侧面接触，引导机车在曲线上运行。 2 1 1 轮对踏面外形参数 踏面外形对机车的运行性能有很大的影响，设计必须合理。踏面必须具有 斜度，图2 1 为中国机车锥形踏面的外形。左右两轮装在车轴上成为轮对，两轮 缘内侧距离为1 3 5 3 m m ，在轮对组装时必须严格检查该尺寸，此距离决定了轮缘 与钢轨的间隙。 图2 1 中国机车锥形踏面 机车锥形路面的特点是【2 3 j ： 轮缘的厚度为3 3 m m ，高度为2 8 m m ，轮缘外侧与水平面成6 5 。角，称为 轮缘角，保证安全通过曲线。 踏面有1 ：2 0 及l ：1 0 两段斜面，在外侧有5 4 5 。倒角。 轮缘内侧面有r 1 6 的圆弧，以便引导车辆顺利通过护轨。 轮对在曲线上运行时，外轮沿外轨所走距离大于内轮沿内轨所走距离。由 于内外轮固装在同一车轴上，如果两轮的踏面为圆柱形，势必引起内外轮的滑 行。实际踏面具有斜度，当轮对在曲线上运行时，由于轮缘与钢轨之间有间隙， 9 武汉理- t 大学硕十学位论文 随着轮对向外偏移，外轮与外轨接触的直径大于内轮与内轨接触的直径，与外 轨和内轨的不同长度相匹配，就能显著减少车轮的滑行。 因为踏面具有斜度，轮对在直道上运行时因轨道横向不平顺等原因，轮对 偏离中央位置时，两轮以不同的半径滚动，形成轮对的蛇行运动，轮对向中央 位置复原，在轮对蛇行运动的过程中自动对中【2 4 1 。这种特性能防止在直道上轮 缘与钢轨接触而形成轮缘偏磨。但是随着机车速度的提高，轮对的蛇行运动会 引起机车横向振动加剧，使机车运行品质恶化。踏面斜度愈大，蛇行运动愈剧 烈，因此要合理控制踏面斜度。 斜度为l ：2 0 的一段踏面经常与轨面接触，磨耗后使踏面凹陷，轮对在进入 道岔或小半径曲线时可能发生剧烈跳动。为了避免这种现象，在l ：2 0 斜度的外 侧有一段1 ：1 0 的斜坡，这一段仅在小半径曲线上才与轨面接触。 锥形踏面与钢轨的接触宽度较窄，接触部分磨耗后踏面呈凹形。运动经验 表明，踏面磨耗至某种凹形后，磨耗变慢，外形便相对稳定。如果把踏面外形 设计成磨耗形( 凹形) ，轮轨接触条件就比较稳定，这就是国际上2 0 世纪6 0 年 代提出的磨耗形踏面设计。磨耗形踏面的优点为t 踏面磨耗较慢，延长了旋轮里程，减少了旋轮时的切削量； 轮轨接触面积较大，接触应力较小，在同样的接触应力下，能够承受更 高的轴重； 减少机车通过曲线时的轮缘磨耗。轮对通过曲线时，轮缘向外轨帖靠， 如果车轮为锥形踏面，则产生踏面及轮缘与钢轨的两点接触，踏面接触点为滚 动的瞬时中心，而轮缘与钢轨的接触点具有相对的滑动速度，因此轮缘接触点 磨耗快。而磨耗形踏面进入曲线时，从踏面过渡到轮缘与钢轨的接触是连续过 程，始终是一点接触，轮缘与钢轨的相对速度小，磨耗小。轮轨接触点的位置 随通过曲线时随轮缘力的大小而变化。 现在，许多国家的铁路已把磨耗形踏面定为标准的踏面外形。中国机车j m 型磨耗形踏面见图2 2 2 5 】，与锥形踏面一样，作为机车踏面的一种标准，按机车 运行条件选用。中国地铁车辆及轻轨车辆的车轮踏面也都采用磨耗形踏面，以 减少通过曲线时的轮缘磨耗。 1 0 武汉理_ t 大学硕上学位论文 图2 2 中国机车磨耗形踏面 磨耗形踏面为凹形，不像锥形踏面那样具有直观的踏面斜度，但它却同样 具有斜度特性，即轮对横移y 时，左右轮滚动半径出现差异。因此，对磨耗形 踏面引出等效斜度j 。的概念。 ，：垒玉：垒 ( 2 1 ) ，e 一一 上yy 式中，j 。为踏面等效斜度；y 为轮对的横移量；r 左，r 右分别为左右轮的滚动 半径；a r 为左右轮滚动半径差之半，a r = ( r 左- - r 右) 2 。 2 1 2 轮对的磨损 轮对损伤是指车轴及车轮在运行过程中，受到各种影响表现出来的缺陷形 式【2 6 1 。包括车轴损伤和车轮损伤。鉴于本测量装置只检测车轮轮廓和直径的尺 寸，以下只详细介绍几种和待测参数相关并且危害严重的车轮损伤形式的形成 原因及不良影响。 1 踏面磨耗 所谓踏面磨耗是指：踏面在工作过程中，沿车轮半径方向尺寸的减小。机 武汉理t 大学硕上学位论文 车车辆在运行时，车轮在钢轨上不断滚动， 使得车轮踏面与钢轨相互作用时产生摩擦。 之间的摩擦力也会造成踏面的磨耗。 车轮踏面与钢轨形成一对摩擦副， 另外，机车制动时闸瓦和车轮踏面 踏面磨耗使踏面的斜度受到破坏，造成以下几方面的影响： 加剧蛇行运动：车辆沿直线线路运行时主要靠车轮踏面的斜度来自动调节 轮对，使它经常处在轨道的中间位置，防止轮缘偏磨。当运行至弯道时，由于 轮对偏向曲线外侧，故可依靠带有斜度开始的踏面使轮对圆滑的通过曲线。如 果踏面磨耗过多，其斜度必然遭到破坏，将引起蛇行运动的加剧，使车辆运行 平稳性特别是横向平稳性下降。踏面磨损后，斜度受到破坏，这样会使轮对通 过曲线时，车轮产生局部滑行。这样不但增加了运行阻力，更加据了车轮与钢 轨的磨损，同时也会影响行车安全。 由于踏面凹入，使轮缘的相对高度增加，当踏面磨耗过大而且钢轨顶面 磨耗也过大时，列车经过钢轨连接处时有可能切断钢轨鱼尾连接螺栓，造成车 辆颠覆事故。 由于以上几种原因，当车轮踏面磨耗量达到一定尺寸时，车轮就不能继续 使用，必须进行维修。使得轮辋厚度不断减薄，直到超过运用限度而报废。 2 轮缘磨耗 轮缘磨耗的形成机理比较复杂，它不是由单一的磨损机理所引起，而是由 几个或更多的机理同时作用形成的。从动力学方面看，车轮与钢轨相互作用时， 车轮承受了垂直载荷和水平载荷。当机车通过曲线和道岔时，离心力给车轮带 来水平载荷，加上转向架及车架机构各参数不匹配，列车会产生蛇行运动，而 由此产生滑动，其摩擦力造成轮缘磨耗和钢轨侧面磨耗。 轮缘厚度减小，轮缘顶部形成锋芒及轮圆垂直磨损。如果轮缘磨损过大， 会产生如下不良后果： 轮缘厚度由于磨损变薄后，强度下降，当轮对经过衄线做蛇行运动时，轮 缘在来自钢轨水平的作用力下，会导致崩裂缺损，甚至造成行车事故。同时， 车轮与钢轨的安全搭载量是根据轨距和车轮内侧距及轮缘厚度等因素而定的， 如果轮对的一侧车轮轮缘由于磨损过薄，则会影响另一侧车轮与钢轨的安全搭 载量。 轮缘垂直磨损超过限度时，其轮缘根部与钢轨内侧面形成平面接触，当车 轮通过道岔时，由于轮缘与钢轨接触处没有弧形，就会使车轮碰击尖轨，同样 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 会造成脱轨事故。因此，轮缘垂直磨损过限的轮对也不能继续使用。 2 2 激光位移测距原理 激光位移传感器是一种非接触式的精密激光测量系统，它具有适应性强、 速度快、精度高等特点，适用于检测各种回转体、箱体零件的尺寸和形位误差。 该传感器可与快速的反馈跟踪系统配合使用，能够准确快速地测出物体表面的 形状与轮廓。它克服了接触式检测中的诸多缺点，既提高了检测速度，又保护 了被测工件表面免受划伤及防止测头变形。 激光位移传感器设计采用了激光三角测量原理，激光三角法在光学测量中 是一种十分常见的测量技术，常被用于机器人视觉传感或二维三维坐标测量系 统中 2 7 - 3 1 】。如今，接触式坐标测量技术越来越受到限制，所使用的范围越来越 狭小。而激光三角测量法作为一种非接触式测量方法可以简单准确的对物体的 形貌参数和运动特征进行测量，应用领域广泛。该方法是通过激光器对被测物 表面发射激光束，通过c c d c m o s 等光电探测元件接收其反射光，入射光和反 射光形成一定夹角，物体移动时，反射光的光斑也会跟着移动，并通过三角反 射原理进行放大，再根据反射光的位置差求出被测物的距离 3 2 - 3 5 1 。 激光三角测量系统的工作原理如图2 3 所示 3 6 l 。激光器1 发出的激光光束， 经过反射镜将光束反射进凸镜光学聚焦系统，并通过凸镜的聚焦产生的高斯光 束，照射在被测物体上并形成一个很小的散射光点，散射光点的漫反射光再通 过另一凸镜光学聚焦系统聚焦，将散射光点的共轭像点投射到在光学探测( 接 收) 器上。当被测点从a 变化到c 时，光学接收器上的像点也会随之变化，从a 变化到c 位置，再根据光学接收器上的两个共轭像点位置差，就可以得到形貌 偏移尺寸h 。 1 3 武汉理t 大学硕：+ ：学位论文 图2 3 激光三角测量系统原理图 设某种情况下，入射光与反射光在光学系统的光轴与基准面法线分别成口和 a 的夹角，接收光学系统的垂轴放大率为f o 当被测物体表面相对测头的位置发 生变化时，其共轨像点也必然发生变化，为了使像点均能够成像在c o m s 面上， 则必须满足s c h i e m p f i u g 条件【37 1 ，即要求成像光学系统的像平面、光斑所处的物 平面和成像光学系统主平面三者相交于一条直线，也就是要是激光器发射光束 轴线与成像系统主平面投影和c m o s 的光敏面投影相交于一点。如图2 4 所示。 1 4 武汉理t 大学硕上学位论文 图2 - 4 激光三角成像光学系统成像原理图 光学系统的垂轴放大率为f 可得： ll1 士一= 一l ql o 、歹1 f = - f 由图2 - 4 可知，二筹一筹，即： 一c a s i n 1 0 + c a c o s - - _ - _ - - - - - _ - - _ - - - - - - - _ - - _ 一= = - - - - - - - - p - - - - - _ - - _ _ - - - - - - _ _ _ _ - 一 去s i 嘶删小去一( 刑) 令c a _ s 带入式2 4 并整理，得： ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) h ：j 鸦竺坐冬 ( 2 5 ) ，- t = 一 i 三j - o s i n ( a + 日) + s s i n ( a + + 口) 、。 式中1 0l o 分别为接收光学聚焦系统6 的物距和像距；s 为目标面光学接收 1 5 武汉理工大学硕 ：学位论文 面上成像的共轭像点的位置。由于设计时已根据矽，a ，厂，t o ，l o ，确定了光学系统 的相对函数关系。因此，根据式2 5 ，通过s 的大d , o p 可求出形貌偏差h 。 2 3 曲线拟合基本理论 科学实验和生产实践中常常需要绘制曲线，由试验或观测得到的一组数据 点，要求用一个函数近似地表明数据点坐标之间的关系，同时画出函数的曲线， 这类问题称为曲线拟合【3 8 】。曲线拟合分析是一门数值分析技术，主要用来从测 量数据集中提取一组曲线参数( 或系数) 并寻找它们之f i j 存在的一种相互关系 的数学函数，然后在坐标系中对所测的离散的点进行近似的连接并使曲线圆滑， 即使离散的数据公式化。在实际应用中，我们所测得的数据往往是一种离散的 数据，比如说各类统计数据、各类物理问题的实验值，光从数据上无法读取需 要得到的信息，因此，使用拟合这门技术可以将这些离散的数据近似的表达出 一种函数关系，方便寻找这些离散数据的规律。 数学表述设给定离散数据 k ，乳) 【七21 ，2 ，- 砷， ( 2 6 ) 式中x 。为自变量x ( 标量或向量：即一元或多元变量) 的值，y 。为因变量y ( 标量) 的相应值，以与y 。都是一些离散的数据，要找出x 与y 的函数关系， 即与式2 6 相适应解析表达式： 可。( 戈，6 ) ， ( 2 7 ) 使它在某种意义下最佳地逼近或拟合2 6 ，f ( x ，b ) 称为拟合模型； b 。p o ，b t ，占糟) 为待定参数，当b 仅在，中线性地出现时，称模型为线性的，否 则为非线性的。量 窖七i 轧一，( z 七，6 ) ( 七。l ，2 ，- 砷 ( 2 8 ) 称为在x 。处拟合的残差或剩余，衡量拟合优度的标准通常有 丁0 ) = 。搿七ki 或q 岛) 昌g = l p 毛 ( 2 9 ) 2 l 毫席每m f9 l 式中k o 为权系数或权重( 如无特别指定，一般取为平均权重，即2 1 ( k = l ，2 ，m ) ，此时无需提到权) 。当参数b 使t ( b ) 或q ( b ) 达到最小时，相应的( 2 ) 分别称为在加权切比雪夫意义或加权最小二乘意义下对( 1 ) 的拟合，后者在计算 1 6 武汉理工人学硕士学位论文 上较简便且最为常用。 模型中参数的确定一般的线性模型是以参数b 为系数的广义多项式，即 ( 髫，b ) 2 b o g 。【髫) + 6 1 9 l ( x ) + 6 9 一( x ) ，( 2 1 0 ) 式中g 。，g l ，一，g 。称为基函数。如选取不同的g ，可构成多种典型的和常用 的线性模型，特别是对于复杂的曲线数据，同时选取多种g ，如x 的高阶函数、 j 下余弦函数、幂函数或值函数等，可以最精确的对数据进行拟合，但也会带来 数据处理复杂的问题，如何选取基函数也是曲线拟合的- - f j 技术。 在最小二乘法意义下用线性模型2 1 0 拟合离散点组2 6 ，参数b 可通过解方 a q