（材料加工工程专业论文）钢轨焊接接头平直度检测仪研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 曼i i 一一i i i一一i一 ； 一一i i 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼是曼曼舅曼量皇皇 捅斐 随着国内高速铁路的发展，对钢轨焊接质量的要求也越来越高。焊接接头平直度 作为评价钢轨焊接接头质量重要指标之一，根据不同线路速度其值要求也各不相同， 客运专线要求其值为o 0 2 舳米。现阶段国内主要使用型尺、直尺和电子型尺来进行 钢轨焊接接头的平直度测量，但使用型尺和直尺来测量钢轨平直度不仅费时费力，而 且存在着很大的人为误差；电子型尺具有体积小，测量精度高，自动化程度高，使用 简单方便等优点。然而国内使用的电子型尺大部分依赖进口，且价格昂贵。因此研制 具有自主知识产权的电子测量仪具有很重要的工程应用价值。 在阅读相关文献的基础上，设计并制作了一种新型的钢轨焊接接头平直度测量仪 的相关软件和硬件。将激光测距传感器安装在设计的机械装置的导轨上，机械装置在 钢轨上可以很方便的固定和拆除。通过直流电机带动激光测距传感器，即可测出在各 个位置焊接接头的轨顶踏面到传感器的距离，传感器在钢轨上的相对位置通过拉绳式 位移传感器来实现；针对所设计的机械装置，研制了带动激光测距传感器运动电机的 驱动电路和相应的控制电路；激光测距传感器所测信号通过r s 2 3 2 串口进入计算机； 拉绳式位移传感器的信号通过u s b 7 3 6 0 a n 多功能数据采集卡，从计算机的u s b 接口进 入计算机。在上述机械和控制电路的基础上，开发了计算机平直度测量软件：通过计 算机控制电机运动，通过r s 2 3 2 串口和u s b 口采集相应数据并以图形的方式显示出来， 同时对数据进行保存和处理，根据输入的标准就可进行钢轨平直度是否合格的评判。 利用所研制的该平直度检测仪进行了钢轨焊接接头的平直度测量，应用表明：所 研制的装置能够实现钢轨焊接接头的平直度测量。 关键词：平直度检测；激光位移传感器；串口采集：u s b 采集卡 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dr a i l w a yi nc h i n a , r a i lw e l d i n gq u a l i t yr e q u i r e m e n t s h a v eb e c o m em o r es o p h i s t i c a t e d s m o o t h n e s so fw e l d e dj o i n t si sa ni m p o r t a n ti n d i c a t o ro f t h eq u a l i t ye v a l u a t i o no fr a i lw e l d e dj o i n t s ，a n di t sv a l u ei sr e q u i r e di n0 0 2 m m n o wt h e s m o o t h n e s so fw e l d e dj o i n t si sm e a s u r e dw i t ht y p es c a l e ，r u l e ra n de s c a l e ，b u ti tt a k e st i m e a n dh a r dw o r kw h e nt h et y p er u l e ra n dar u l e rw a su s e dt om e a s u r et h er a i ls t r a i g h t n e s s ，a n d t h e r ei sag r e a th u m a ne r r o r e - s c a l ei ss m a l l ，h i g hp r e c i s i o na n da u t o m a t i o n ，e a s yt ob eu s e d a n ds oo n h o w e v e r ，t h em o s to fe - s c a l eu s e di nc h i n ad e p e n do nt h ep r o d u c ti m p o r t i ti s s t r a t e g i c a l l yi m p o r t a n tt od e v e l o pt h e e l e c t r o n i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n ts y s t e m sw i t h s e l f - o w n e di n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s b a s e do nal o to fr e l a t e dd o c u m e n t s ，i nt h i sa r t i c l e ，t h eh a r da n ds o f ts y s t e mo fan e w s t y l eo fe - c l a s sr a i lf o o tf l a t n e s sm e a s u r i n gi n s t r u m e n tw a sd e s i g n e da n dm a d e t h el a s e r d i s p l a c e m e n ts e n s o rw a sm o u n t e do nt h eg u i d eo fm e c h a n i c a ld e v i c ew h i c hc a nb ef i x e da n d r e m o v ee a s i l y t h el a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o rw h i c hw a sd r i v e nb yad cm o t o rc a nm e a s u r e t h ed i s p l a c ef r o mr a i ls u r f a c eo fw e l d e dj o i n t st os e n s o r t h er e l a t i v ep o s i t i o nb e t w e e nl a s e r s e n s o ra n ds t e e lt r a i li sm e a s u r e db yr o p e t y p ed i s p l a c e m e n ts e n s o r c o n s i d e r i n gt h e d e s i g n e dm e c h a n i c a ld e v i c e ，t h ed r i v i n gc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i to fd cm o t o rw h i c hu s e d t od r i v et h el a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o rh a db e e nd e v e l o p e d t h em e a s u r e ds i g n a lo fl a s e r d i s p l a c e m e n ts e n s o rw a sr e a di n t ot h ec o m p u t e rt h r o u g hr s 2 3 2s e r i a la n dt h em e a s u r e d s i g n a lo fr o p e - t y p ed i s p l a c e m e n ts e n s o rw a sr e a di n t ot h ec o m p u t e rb yu s bo fu s b 7 3 6 0 m u l t i f u n c t i o nd a t aa c q u i s i t i o nc a r d o nt h eb a s i so fm e c h a n i c a ld e s i g na n dc o n t r o lc i r c u i t d e s i g n ，t h es o f to ff l a t n e s sm e a s u r e m e n tw a sd e v e l o p e d t h em o v e m e n to fd cm o t o rw a s c o n t r o l l e db yc o m p u t e r ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gd a t aw e r ec o l l e c t e dv i ar s 2 3 2 a n du s b ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第| ii 页 s h o w e dt h r o u g hg r a p h i c a l ，a n ds t o r e da n dp r o c e s s e da tt h es a m et i m e a c c o r d i n gt ot h ei n p u t s t a n d a r d i tc a nb ej u d g e dt h a tt h es t r a i g h t n e s so fr a i lm e e t st h es t a n d a r d so rn o t m e a s u r e m e n to ft h ef l a t n e s so fr a i lh a n d b e e nf i n i s h e db yt h er a i lf o o tf l a t n e s s m e a s u r i n gi n s t r u m e n t , i ts h o w st h a tt h e d e v i c ed e s i g n e dc a na c h i e v et h em e a s u r eo f s m o o t h n e s so fw e l d e dj o i n t s k e yw o r d s ：f l a t n e s sd e t e c t i o n ；l a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o r ；s e r i a lc o l l e c t i o n ；u s bc a p t u r e c a r d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 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 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密回，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打，v ”) 学位论文作者签名： 斧小；2 _ 日期：扣l o s 21 ， 指导老师签名： 占缓墨 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：夕弘0 、红 日期：彦。加f 殄 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 钢轨不平顺性概述 第1 章绪论 铁路轨道是一种特殊的结构物，它大多支承在密实度和弹性都很不均匀的道床和 路基上，其工作条件十分复杂，承受很大的随机性列车动荷载的反复作用【1 ，2 】。与一般 工程结构物不同，轨道结构的几何形状、位置、尺寸是经常变化的。除需满足强度条 件外，还必须严格满足平顺性的要求。即使轨道各部件的应力和弹性变形都在允许范 围内，只要轨道的不平顺超过一定限度，便不能正常使用。校正轨道不平顺，维护保 持轨道的平顺性，是一项技术性很强、花费很大的繁重工作，并且必须占用区削3 1 。 轨道不平顺是轮轨系统的激扰源，是引起机车车辆产生振动和轮轨动作用力的主 要原因【4 ，s 】，对行车安全、平稳、舒适性，车辆和轨道部件的寿命，以及环境噪声等都 有重要影响。在高速、重载行车条件下，轨道不平顺对行车的影响更大，是轨道方面 直接限制提高行车速度的主要因素。轨道平顺性也是轨道结构综合性能和承载能力的 重要体现。 轨道不平顺的形成和发展是诸多具有随机性的因素共同作用的结果，这些因素包 括：钢轨的初始平直性，钢轨磨耗、损伤，轨枕间距不均、质量不一，线路施工高程 偏差道床的级配和强度不均、松动、脏污、板结，路基下沉不均匀、刚度变化，道 床、路基的不均匀残余变形积累，机车车辆时刻变化的动力作用，。以及雨雪、气温、 地震等自然环境因素，它们综合作用，造成了轨道不平顺的随机特性。实际运营中的 轨道不平顺都是经常变化的，显得很不规则，从本质上讲，轨道不平顺是一个随机过 程，任一特定区段的轨道不平顺可看成随机过程的一个样本【3 】。 由于钢轨焊缝材质、金相组织、硬度、韧度等与钢轨母材的差别，焊接设备的精 度高低，操作工人的技术熟练程度等，都会造成钢轨焊接接头处的轨面不平整。钢轨 焊接技术是实现无缝线路铺设工程中的关键环* 【6 。其主要方法有闪光焊、气压焊、 铝热焊和电弧焊四种【8 】。四种种焊接方法的焊接接头质量也有差异，铝热焊钢轨接头质 量最差。所以钢轨焊接接头是无缝线路轨道单独不平顺的来源之一。为保证高速列车 的高速、平稳地运行，并减少轮轨之间的动力作用，对钢轨焊接接头的焊接质量、平 直度等提出了更高的要求。所以钢轨焊接接头也是轨面不平直的控制部位。表卜l 列 出了中国和世界主要高速铁路焊接接头的平直度标准【9 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 i i 表卜1高速铁路焊接接头平直度标准 部位项目京沪技术条件 t g v 同本新干线t b t 16 3 2 - 9 1 接触焊0 - 0 2 m m l m0 - 0 2 m m l m0 - 0 3 m m l m0 - 0 3 m m l m 顶面 铝热焊 0 - 0 2 m m l m0 - 0 2 m m l m0 - 0 3 m m l m0 - 0 3 m m l m 气压焊 内侧接触焊 0 - 0 2 m m l m0 0 2 m m l m 0 - 0 3 m m l m 0 - 0 3 m m l m 工作铝热焊 0 3 m m l m0 3 m m l m0 3 m m l m0 3 m m l m 回 气压焊 由上表可知：京沪高速铁路和德国t g v 标准是一样的，对工作面的平顺性要求是 很高的。 1 2 钢轨平直度检测国内外现状 随着我国铁路提速事业的发展，列车运行速度的提高对铺设钢轨的平直度要求也 相应的有着较大提高。铁轨线路的检测，如在铁轨的日常维护和保养中，传统的方法 主要是用目测和一般的量具相结合，进行人工测量，这种方法费时费力，而且测量精 度不高，不能满足铁路提速发展的要求。而在铁轨线路的建设中，主要是用专用的铁 道检测车来测量，这种方法快速省力，精度较高，但使用成本较大，不适合日常维护 的频繁测量。因此，研制一种快速、可靠、使用简便、经济的测量设备进行铁轨线路 的日常保养和维护具有重要的意义。 目前，轨道平直度检测技术分两类【1 0 1 ，一类是静态检测技术，主要包括传统的轨 距尺、弦线测量、手推式线路检测仪：另一类是动态检测技术，主要包括轨检车、动车 组综合检测车、车载式和便携式检测仪等。 国外轨道检测技术从2 0 世纪6 0 年代以后，欧、美、日等许多发达国家都相继研发 出高新技术轨道检查车，检测精度、速度不断提高，检测项目功能也更加完善【1 0 1 。而 我国铁路部门现有无缝钢轨焊接生产线上，还没有已经大范围推广应用的对钢轨焊接 后进行直线度自动测量的装置。 西南交道大学硕士研究生学位论文第3 页 1 21 静态测量技术平尺 1 1 1 钢轨专用平尺和塞尺手工测量时，钢轨被测部位表面应清理干净，将钢轨平尺 测量工作边贴靠在钢轨表面，焊缝应居平尺中央，用塞尺测量轨面与平尺工作面间的 缝隙大小。然后根据缝隙所在位置判断钢轨不平直的类型：根据缝隙的大小计算 平顺性的偏差州。 测量轨顶面卣线度的测量方法如图卜l ”i i m 直尺放在轨顶面纵向的中心线位置。 当焊缝位置凸起时是正偏差( 见图a ) ，直尺的一半长度紧贴在焊缝一侧钢轨顶面，直 尺的另一端与轨顶面最大缝隙的l 2 就是正偏差值。例如图中2 a 缝隙的大小用塞尺检 验是06 珊，那么平直度的偏差就是06 m 的1 2 ，即+ 03 柚。当焊缝位置的轨顶面凹 下时是负偏差( 见图b ) ，直尺长度的中心位置对正焊缝，直尺两端紧贴在轨顶纵向的 中心线位置，用塞尺检验缝隙。若检验最大缝隙处a ：是04 硼，那么直线度偏差就是 一04 m m ，未达到t b t 1 6 3 2 一g i 标准要求。 图11 平直度检查 此方式测量得到的结果精度低，人为误差较大。加之铁道部对焊接后无缝钢轨的 技术标准规定，钢轨垂直方向对轮面接触处的直线度是有个方向只能上凸的要求。 苴室銮塑奎：罂圭至耋兰主簦鎏銮芝：至 因此与标准直尺的比较只是与中m 凸出点的接触，两端有缝隙。测量的结果小太容易 用数字柬量化也不能进行存储。 12 2 动态测量技术轨检车和电子平尺 l2 2 1 轨检车 国内于上世纪j 0 年代开始自行研制轨道检测设备，并取得了定的成绩。我国 第辆j 5 型轨检车于1 9 5 3 年研制成功，其采用机械装置传导、计算测量信号，用圆珠 笔记录波形。在1 9 7 0 年，第二代轨检车t s k l5 型试制成功，其采用磁笔记录轨道几何偏 差波形。但是以上两代设备均采用“弦测法”，线路超限评判和线路质量均由人工进 行。其测量原理存在固有缺陷，测量精度低，不能满足精确测量轨道状态的需要。第 三代轨检车x c j l 型和c j3 型于1 9 8 6 年试制成功，其采用惯性基准法测量，用非接触式 测量替代了以往的接触测量，测量速度提高到1 2 0 公里4 , 时。在此之后，我国于1 9 9 3 年开始，相继从国外引进各型轨检车，并在其基础上自行研制出g j4 、轨道状态确认 车、安全综合检测车等设备。 手推式轨检车( 图卜2 ) 也有了一定发展，国内一些厂商的线路检测仪产品征式推广 使用从g j _ y ，g jt n g jh 型。并且于2 0 0 5 年将其纳入了铁道部检测标准中，其检测 项目主要有高低、轨向、轨距、水平及超高、三角坑等，并开发出计算分析处理软件， 检测速度为5 公里d , 时。如图l 一2 ，即为国内的一种手推式钢轨直线度测量仪“。 图卜2 手推式轨检车 从轨检技术的国内外发展状况来看，基于动态检测技术的轨检车等设虽然工程应用中 占据重要地位，但是其体积庞大、操作复杂、价格极高因此不便于移植到目前铁路 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 工务部门日常维护铁路所使用的便携式工具上，并且在短线路检修工作中，这种设备 的实用性就大打折扣。 1 2 2 2 电子平尺 随着计算机和电子技术的发展，很多厂家都开始研制集成嵌入式系统、传感器、 信号处理等新技术的新型设备用于铁路的各项检测中。波兰的g r a w 公司、德国的施密 特公司、丹麦的g r e e n w o o d 公司等等都推出了各种用于线路、钢轨和道岔的自动化检测 系统，其中也包括对钢轨平直度的检测仪器。在国外的著名钢轨生产厂例如德崮蒂森 ( t h y s e n ) 、法国的撒西诺( s o g e r a l l ) 、波兰卡特维兹( k a s o w i c e ) 等均采用激光平直度 检查仪，在钢轨的生产过程中保证钢轨的平直度达到要求。 波兰g r a w 公司的钢轨平直度检查仪适用于测量钢轨焊补“接头以及绝缘轨接头 的平顺度1 圳。其非接触犁测量方式可同时测量垂直和水平两个方位的平顺度情况。而 且，该设备还可以对钢轨的垂直面的磨损程度进行评估，如图卜3 。 图卜3 波兰g r a w 平直度检测仪 仪器装有图形显示和薄膜键盘，便于操作者对基于微处理器技术的测量控制模块 进行设定，如图24 所示。操作者可以使用键盘设定钢轨焊缝接头在线路上的位置，并 提供所有测量所需的其它辅助信息。测量工作完成后，设备将显示所测量的剖面图形 以及对其所做出的评估结果。操作员可将测量结果储存在设各控制单元的内存罩，在 完成一组测量之后，通过r s 2 3 2 串型接口拷贝到微机硬盘里。 至室塞塑查兰至圭塑耋兰耋篁耋塞矍! 至 图卜4 操作键盘和图形显示界面 德国施密特公司也推出了类似的设备，采用电磁原理对钢轨平直度进行检。如图 卜；所示。该仪器能测量各种钢轨运行表面平直度、例面平直度，并能与以前的数据对 比。仪器可以显示绝对数值、最大值和最小值，并把数据存储在内置的微计算机中。 和g r a w 公司不同，该仪器的数据处理和显示部分采用p d a ( p e r s o n a ld i g i t a l a s s is l a 1 3 c e ) 实现，方便了产品的开发以及用户的操作。另外，电子平直尺提供长度为 l m 和3 m 两种型号的仪器，能够测量l m 和3 m 的钢轨平度”。 图卜5 施密特公司电子平直尺 1 2 3 课题研究的测量技术激光测装置 在准直测量领域，利用激光所具有的单色性、高定向性、相干性、高亮度性几个 特点，以激光作为基准线来测量直线度误差，可以克服传统的光学准直法的照度低和 有效工作距离较短等缺点，并且激光准直法具有成本较低精度高，实施方法多样等 优点被越来越多的在工程上使用1 矗埘。 国内在钢轨平直度检测方面也做了很多的研究推出了各种钢轨平直度检测仪器。 国内的钢轨生产厂家，例如攀枝花钢铁集团公司在2 0 0 1 年率先从法国进了一套g e l s 姒r _ 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 激光平直度检测仪并成功应用于高述铁路钢轨生产，从而为攀钢大批量生产高速铁路 钢轨奠定了基础l 。中国铁路工程公司在2 0 0 6 年研制出采用接触式测量的钢轨半直度 检查仪】，以同时对钢轨的顶面和侧面进行榆测。该仪器主要由机架和便携式电脑两 大部组成，传感器、信号处理接口板、电源模块等等都安装在机架上，机架和便携脑 之旬通过可插拔接头的电缆连接。正式检测时，首先将机架固定在测点钢轨面，将电 脑与机架连接，进行检测。检测时，测量轮与钢轨顶面的接触点位于顶中线。测量轮 通过弹簧的预压力与轨项面紧密接触，当测量轮在轨项面滚动，测量轮轴心的运动轨 迹就反映了钢轨顶面的凹凸不平，轴心的位移通过摇干t 动扇形齿条、齿轮传给高精度、 非接触的光电传感器；位移信号在采集器内经处理，数字信号通过串口进入笔一记本 电脑，采集处理软件实时显示波形、虽大、最小值，还可显示详细数据列表等信息。 采样信号由安装在测量轮轴上的光编码器提供，采样闻隔为1 s 。 上海理工大学也研制了基于激光测量的钢轨平直度测量仪拉埘。该仪器采用了非触 测量方式，与可编程控制器、显示系统和存储系统及机械主体结构组成一个动平直度 检测系统，主要对焊接后的无缝钢轨进行在线平直度自动测量，测量结果以彩色二维 曲线的方式直接显示在显示屏上，也可以数据形式保存在计算机内供需要时查阅。该 仪器机体是一个横粱横梁上安装了日本t f f k 公司生产地高精度直线导轨，导轨的滑块 连接测量组件，当测量组件在导轨上作直线运动时，其轨迹形成了相对测量的模拟理 想直线。在测量组件上安装有用于垂直和水平方向测量的两个激光位移传感器，选用 的是日本o 帅州公司生产的型号为z 4 mw 4 0 红外线半导体激光位移传感器，其测量距离 为4 0 a r n ，测量范围l o m m 。跟随测量组件的直线运动，这两个激光位移传感器可分别 测量出相对被颡钢轨的垂直和水平两个工作面问的变动量，测量系统主体结构如图卜6 所示。 翟隐i ；酗，蠡一一一世；一一 - 。商； 图1 6 测量系统主体结构示意图 学睦 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 将计算机技术和传感技术的快速测量与运算，和平顺性静态测量方式结合，是实 现适用于在线自动直线度测量的方向。这罩的测量系统安装有一个测量组件，能沿一 条模拟理想直线运动。这里提出的测量系统安装有一个测量组件，能沿一条模拟理想 直线运动。测量组件上安装有激光位移传感器( 非接触测量能加快运行速度) ，在较小 间隔( 2 5 r a m ) 距离的间隔点上测量分辨出与被测钢轨间距离的变动量，通过计算处 理这些间隔点的变动量，就能将这些点的变动量转换成误差曲线显示出来，适用于铁 路无缝钢轨生产线上直线度误差的自动测量，这一方式得到的测量结果非常直观。 激光发生嚣 罨舟机构 屏善显一：我线 图1 - 7 实际测量过程示意图 1 3 课题研究的意义和内容 1 3 1 课题研究的意义 在高速铁路线路里程不断增加，列车大提速的背景下，随着使用年限的增加，为预 防因线路老化问题带来的重大事故的发生，越来越多的线路需要人工进行检测和维护。 我国准高速线路、高速铁路试验段的钢轨焊接接头不平顺幅值也存在较严重的超限问 题。造成这一现象的原因除了焊接工艺水平因素之外，另外一个重要因素就缺乏高精 度的检测手段来指导焊接、修理，以前依靠人工塞尺的检测方法显然不能满足精度要 求，而且检查效率低下。因此，工程中急需一种较高精度、较低成本、测量距离长、 使用简便的铁轨直线度测量仪器。现在国内使用的钢轨直线度测量仪器大部分为进口 仪器。虽然国内也有对该种测量仪的研究，如中国铁路工程公司在2 0 0 6 年研制出采用 接触式测量的钢轨平直度检查仪和上海理工大学研制的基于激光测量的钢轨平直度测 量仪，但是都未大规模推广应用。中国铁路工程公司研制的钢轨平直度检查仪，采用 测量轮对钢轨平直度进行测量，为实现计算机对测量信号的读取，需设计专门的信号 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼量曼量曼曼量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼i ii 曼曼皇曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼 传送和放大电路，电路和机械设计复杂；测量轮作为主测元件，其加工精度将直接影 响测量精度；测量轮在使用过程中将不断磨损，使用磨损后的测量轮进行钢轨平直度 测量，所测数据将无法准确反映所测钢轨平直度信息。而上海理工大学研制的基于激 光测量的钢轨平直度测量仪，由于采用可编程控制器对数据进行读取和处理，因此外 围电路设计复杂，数据读取和处理能力较弱；该检测仪采用同步齿形带为传动装置， 在同步齿形带驱动轮轴上安装有旋转编码器，用于测量组件运行时测量间隔点的信号 输出。当同步齿轮带出现打滑现象时，将会出现读取数据不对应等问题。针对于当前 国内铁轨平直度检测仪器研究状况，设计了一种基于激光测距原理的测量系统。检测 系统主要由激光测距模块、图像处理和数据处理模块构成。该测量仪测量精度较高， 操作简单，体积小，非常适合现场使用。 1 3 2 课题研究的主要内容 本文的主要内容包括以下几方面： 1 根据当前铁轨检修需求，提出一种基于激光测距原理的小型钢轨平直度检测仪 设计方案。 2 根据总体方案，进行机械和电气控制系统硬件的设计与制作。 3 针对所设计的硬件，开发平直度测量系统软件，完成测量过程的自动控制、检 测数据的处理与存储、数据管理与查询等功能。 4 在经过了系统硬件设计和软件设计后，进行制作与调试，初步得到满足相关要 求的钢轨焊接接头平直度测量样机。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 曼皇曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼皇曼曼曼量鼍曼曼曼曼曼曼曼寰曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼量曼鼍i i i i ii ii 第2 章钢轨焊接接头平直度检测仪硬件系统设计 2 1 设计目标 钢轨焊接接头平直度检测仪主要用于对钢轨顶面和侧面平直度进行检测。现有的 钢轨平直度检测仪主要分为两种类型：一种为型尺式测量尺，该尺为手动检测方法。 检测时将型尺紧靠被测钢轨表面，然后用塞尺对不平直处进行测量。该种方法测量精 度不高，测量点数少，并且容易受工人操作方法、熟练程度的影响。另一种测量方法 为自动式电子平尺。现有的大部分电子平尺采用单片机系统进行数据采集和处理。单 片机数据采集和存储能力有限，并且受限于屏幕显示能力，人机界面差，不利于操作。 为克服上述钢轨平直度检测仪的不足，我们将设计一种新型平直度检测仪。该检测仪 具有以下特点： ( 1 ) 能自动检测钢轨1 0 0 0 m m 范围内钢轨顶面和侧面平直度信息，并达到现场检测 精度和测量范围要求。 ( 2 ) 将数据信息以图形方式显示在电脑屏幕上，直接用于指导现场作业。 ( 3 ) 将检测数据进行自动保存，并能方便查询。 ( 4 ) 测量速度快，测量精度高。 ( 5 ) 具有较高的智能化，友好的人机交换界面，操作简单。 ( 6 ) 体积小，重量轻，适合现场使用。 2 2 总体方案设计 该小型钢轨焊接接头平直度检测仪作为一种钢轨平直度全自动检测仪器，它将对 1 0 0 0 m m 范围内的钢轨顶面和侧面进行扫描，并将扫描数据读取入计算机，计算机对扫 描数据进行处理后，将钢轨平直度信息以图形的形式显示在电脑屏幕上。该平直度检 测仪主要由p c 机、激光位移传感器1 、拉绳式位移传感器2 、滑块3 、直流电机4 、高 精度直线导轨5 等组成。其硬件总体图如图2 1 所示。 塑耋耋星奎耋堡圭墼耋耋耋堡篓兰兰! ! 至 毒! ! ! 竺! 竺竺! ! ! 卿鼍! ! ! ! 竺妄 三旱i 二_ 二= 二o 望 3 l 1 图2 一l 硬件总体图 如图2 1 所示，基座上安装有高精度直线导轨5 ，导轨的滑块3 连接测量组件，当 测量组件在导轨上作直线运动时，其轨迹形成了相对测量的模拟理想直线。在测量组 件上安装有用于垂直方向测量的激光位移传感器1 和水平方向测量的拉绳式位移传感 器2 。跟随测量组件的直线运动，这两个位移传感器可分别测量出相对被测钢轨的垂直 和水平两个工作面间的变动量。测量组件由齿轮齿条驱动，通过直流减速电机4 提供 同步齿轮齿条驱动动力。 为实现体积小，重量轻，便于现场使用的要求，在机械设计过程中，将腔体分为 上下两部分。下腔体安装直线导轨、滑块、激光位移传感器、拉绳式位移传感器、直 流电机等部件。上腔体安装u s b 数据采集卡、电路板、电源等部件。这样使得该测量 仪结构紧凑，太大缩小了其体积。在关键元器件进型上，在满足使用条件下，尽量选 择体积小、重量轻的元器件。并且在进行机械设计时，除高精度直线导轨和基座采用 钢材料外，其余部分全部采用铝合金材料，这样能大大减轻该测量仪的重量。 为实现快速、准确的自动化数据采集，该测量仪采用进口高精度激光位移传感器 为探头，该传感器自带r s 2 3 2 串口，通过r s 2 3 2 串口，能有效的实现激光位移传感器 和p c 机之间的数据通讯。同时采用u s b 多功能数据采集卡，该数据采集卡具有模拟量 输入、开关量输入和输出等功能。通过该采集卡，可将拉绳式位移传感器、各开关量 信息读取入p c 机中，并可传送指令给直流电机控制电路，以控制直流电机的正反转。 在编程环境选择方面，采用了易于界面化设计的v i s u a lb a s i c 语言。v i s u a lb a s i c 简单易学，同时v i s u a lb a s i c 自带串口编程控件m s c o n m 控件。通过该控件可轻松 实现高精度激光位移传感器和p c 机之间的通讯。同时采用模块化编程方式。以便于 程序的编写与调试。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 2 3 关键元器件选型 2 3 1 激光位移传感器选择 激光位移传感器是一种非接触式的精密激光测量装置，它具有适应性强、速度快、 精度高等特点，适用于检测零件的尺寸和形位误差。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传感器变形。现有的 小型钢轨平直度检测仪探头主要以电磁传感器为主，本论文将对以激光位移传感器为 探头的小型平直度检测仪进行研究。 激光位移传感器作为检测仪的关键元器件，必须满足以下要求： ( 1 ) 激光位移传感器作为检测仪的探头，其精度将直接影响检测仪的精度。高 速列车铺设用轨，其平直度要求为0 - 0 2 m m m ，因此激光位移传感器的测量精度应高 于0 0 1 m m 。 ( 2 ) 为便于同p c 机进行通讯，激光位移传感器应自带r s 2 3 2 串口或u s b 接 口。 ( 3 ) 为便于现场使用，体积越小越好，重量越轻越好。 ( 4 ) 设定该检测仪测量1 0 0 0 m m 钢轨所用时间为2 0 s ，数据测量间隔为毫米级， 因此采样频率应大于5 0 次秒。 充分考虑了该测量仪野外作业、电气化铁路下的抗干扰能力和抗震动能力等因素， 并结合钢轨平直度检查仪的性能指标要求，严格考察其分辨率、重复性、线性度、温 度、功耗等指标，同时参考其价格，力求降低整机研发和制造成本，最终选用德国进 口的o d s l 8 d 4 4 5 s 1 2 0 7 高精度的激光位移传感器。该传感器的性能见表2 1 所示。 表2 1o d s l 8 d 4 4 5 s12 0 7 激光位移传感器性能表 序号项目参数 1量程2 5 4 5 m m 2线性度0 5 3 分辨率5 0 0 1 n 3 n 4 输出r s 2 3 2 或r s 4 8 5 5测量频率2 0 0 h z 6防护等级i p 6 7 7 电压 1 0 3 0 v 8 工作温度 2 0 + 5 0 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 o d s l 8 d 4 4 5 s 1 2 0 7 激光位移传感器使用激光三角法进行测量。如图2 2 所示， 半导体激光器1 被镜片2 聚焦到被测物体6 。反射光被镜片3 收集，投射到c c d 阵列 4 上；信号处理器5 通过三角函数计算阵列4 上的光点位置得到距物体的距离。激光三 角法的原理和结构简单，随着半导体激光器和c c d 等图像探测用芯片的发展，基于三 角法原理的激光位移传感器响应速度越来越快，体积越来越小，精度越来越高。 | ；二)移 桫 j 、 隋诞 厂孓信号处遥各 丁2 鼢t j卜 l i 一。j ；一、 _ z 、l l 惹始距蘑 塞疆 t 融磐v 艘 图2 2o d s l 8 d 4 4 5 一s 1 2 0 7 激光位移传感器测量原理图 所使用的激光位移传感器的有效测量距离为2 5 4 5 m m ，当被测钢轨到激光位移传 感器的距离不在上述测量范围时，则系统对测量采集的数据不予处理。 o d s l 8 d 4 4 5 $ 1 2 0 7 激光位移传感器具有自我检测系统。该传感器拥有两盏l e d 显示灯，盏为绿色l e d 显示灯，另一盏为黄色l e d 显示灯。这对两盏l e d 不同的 灯亮灭状态将显示激光位移不同的工作状态： 1 ) 绿色l e d 显示灯常亮：激光位移传感器供电正常，处于准备阶段。 2 ) 绿色l e d 显示灯闪烁：激光位移传感器处于出错状态。 3 ) 绿色l e d 显示灯熄灭：激光位移传感器处于未供电状态。 4 ) 黄色l e d 显示灯常亮：激光位移传感器处于有效测量范围内。 5 ) 黄色l e d 显示灯熄灭：激光位移传感器未处于有效测量范围内。 根据两盏l e d 显示灯的亮灭状态，将方便准确的判断激光位移传感器的工作状态。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 2 拉绳式位移传感器选择 l x w 拉绳式位移传感器是北京杰凌朗月科技公司生产的一款高精密传感元件，该 传感器具有体积小，密封性好，测量精度高，温度误差小，寿命长等优点，非常适合 本平直度检测仪水平方向位移量的测量。 l x w 拉绳式位移传感器将机械位移两转换成可计量的、成线性比例的电信号。被 测物体产生位移时，拉动与其相连的钢绳，钢绳带动传感器传动机构和传感元件同步 转动；当位移传感器反向移动时，传感器内部的弹簧回旋装置将自动收回绳索，并在 绳索伸收过程中保持其张力不变，从而输出一个与绳索移动量成正比例的电信号。 l x w 拉绳式位移传感器在使用时，需要和调理模块配合使用。l x w 拉绳式位移传 感器与调理模块的接线电路图如图2 3 所示。 0 图2 3l x w 拉绳式位移传感器与调理模块的接线电路 测量过程中，l x w 拉绳式位移传感器通过三芯线与调理模块右端相连，通过调理 模块进行信号调理，最后将拉绳式位移传感器的值以0 - 5 v d c 的形式输出。 2 3 3u s b 7 3 6 0 a n 多功能数据采集卡 在小型钢轨平直度检测仪系统中，由直流电机、按钮开关、限位开关等组成的控 制系统，与位移传感器配合，共同完成数据的采集。如何实现控制系统、l x w 拉绳 式位移传感器与p c 机之间的通讯，成为我们必须考虑的问题。由于控制系统中既包含 开关量输入信号也包含开关量输出信号，l x w 传感器还具有模拟量输出信号，为方便 数据采集，选用数据采集卡来实现控制系统、l x w 拉绳式位移传感器与p c 机之间的 通讯。所选用的数据采集卡必须具有以下功能： ( 1 ) 能轻松实现与p c 机之间的通讯。 ( 2 ) 分辨率和精度数据采集卡的分辨率和a d 转换器的位数有关，一个1 1 位的转 换器，精度为： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 1 p = 寺 ( 2 1 ) 当输入电压为u 时，最大绝对误差为： w ：尘旦( 2 2 ) 2 2 ” 精度包含分辨率、零位误差、零漂等因素，因此其比分辨率低，一般说来要低2 、4 位。即1 2 位分辨率的采集卡精度为8 1 0 位。 拉绳式位移传感器最大测量距离为1 0 0 0 r a m ，测量数据间隔为毫米级，根据公式2 - 1 所示，a d 转换器的位数应大于1 0 位。 ( 3 ) 通道数数据采集卡的通道数指数据采集可以同时采集信号的路数。一般说 来，对于模拟信号输入有两种通道：单端( s i n g l e e n d e d ) ，差分( d i f f e r e n t i a l ) 。单端信号为 每个通道只有一根线作为信号输入，这跟线的电压值是相对于参考点大地言的。差分 信号为每个通道有两根线，信号的电压值是两根线间的电势差。 由于本系统中既具有模拟量信号输入，又具有开关量信号输入和输出。根据分 析，用的数据采集卡至少具有1 路模拟量输入，8 路开关量输入和2 路开关量输出功能。 ( 4 ) 安装尺寸越小越好。 ( 5 ) 抗干扰性好，重复精度高。 通过对不同厂家不同型号产品的比较，最终选用北京中泰研创科技公司生产的 u s b 7 3 6 0 a n 多功能数据采集卡。其功能如表2 - 2 所示。 表2 2u s b 7 3 6 0 a n 多功能数据采集卡性能表 序号 项目 参数 1 通讯方式 u s b 2 通讯协议 u s b 2 0 3 输入信号范围 0 5 v0 1 0 v 5 v 4 a d 转换精度1 2 位a d 尸 0 模拟量输入a d 采样程控频率 5 0 0 k h z 6 a d 启动方式 程控触发 7 a d 转换非线性度误差 1 l s b 8 开关量输入路数1 6 路 9 开关量输出路数1 6 路 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 2 3 控制系统硬件总体设计 该小型钢轨平直度检测仪主要用于对1 0 0 0 m m 范围内的钢轨顶面和侧面平直度进行 测量。其控制系统应满足以下技术要求： ( 1 ) 能实现钢轨平直度信号的自动读取。 ( 2 ) 检测控制面板的各操作信号，根据操作信号控制直流电机正反转，实现激光测 量仪的自动扫描，并通过拉绳式位移传感器和行程开关实现双限位控制。 ( 3 ) 为方便操作和调试，系统应具备手动、自动双控功能。 ( 4 ) 控制系统应具有良好的操作界面和显示界面，其操作过程要尽量简单化，要易 于被工人所理解、掌握。 ( 5 ) 整个系统要做到体积小、重量轻、可靠性高，搬运、维护、使用方便，且性能 价格比高。 根据控制系统的技术要求，将系统划分为：数据采集系统、电机正反转控制系统。 这两个子系统通过p c 机相互联系起来，由p c 机来协调这两个子系统的工作。控制系 统硬件总框图如图2 - 4 所示。 操作面板二u s b 二：p c 机 及限位开关一采集卡1 2 3 1 数据采集系统设计 u s b 一采集卡_ 激光位移 传感器 u s b 采集卡 拉绳式位移 传感器 图2 4 控制系统硬件总框图 直流电机 控制系统 数据采集系统主要由激光位移传感器和拉绳式位移传感器组成。传感器安装在高 精度直线导轨上，分别用于测量水平方向和垂直方向的位移。 要奎銮鎏查兰至圭至窒兰兰竺篁耋兰! ! 至 基座 直线导轨! 堂 激光位移 一 传感器 拉绳位移 传感器 图2 - 5 传感器安装位置图 如图2 5 所示，激光位移传感器安装于滑块上，主要用与测量垂直方向的位移量： 拉绳式位移传感器安装于基座上，其拉绳固定在滑块上主要用于测量水平方向的位 移量。当滑块沿直线导轨运动时，拉绳式位移传感器将测量出激光位移传感器与右基 座的相对距离，激光位移传感器将测量出在该点处与被测钢轨之间的距离。在两个传 感器的配合下，我们便可以测量出相对于右基座起01 0 0 0 m m 内钢轨相对与激光位移 传感器的距离值。 数据采集系统原理图如图2 - 6 所示。 一1 2 0 擞位移一! 塑! ! 传感器 噩薏妒聃删里 r s 2 3 2 图2 - 6 数据采集系统原理图 选用德国进口的高精度激光位移传感器，该传感器支