陳 皓，趙轉(zhuǎn)萍，黃齊敏

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

基于數(shù)據(jù)融合的動(dòng)車(chē)外廓尺寸檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 皓，趙轉(zhuǎn)萍，黃齊敏

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

在現(xiàn)有的大尺寸測(cè)量方法基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)車(chē)檢測(cè)的實(shí)際需求，提出了一種融合多種傳感器數(shù)據(jù)的掃描式三坐標(biāo)測(cè)量體系。系統(tǒng)在龍門(mén)架做直線平移時(shí)，采用一維激光測(cè)距傳感器、二維水平儀、光纖應(yīng)變力傳感器和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)依次測(cè)出車(chē)體各橫截面的三坐標(biāo)和測(cè)量誤差源數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種車(chē)體輪廓測(cè)量的誤差補(bǔ)償方法并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后將測(cè)得的各截面數(shù)據(jù)擬合成三維實(shí)體，最終求得所需尺寸和幾何量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)體主要結(jié)構(gòu)尺寸的高精度、智能化測(cè)量。

大尺寸測(cè)量;傳感器陣列;三維擬合

目前，機(jī)車(chē)車(chē)體尺寸的測(cè)量基本采用限界規(guī)的方法，其缺點(diǎn)有:占地空間大，要預(yù)留雙倍車(chē)長(zhǎng)空間;安裝調(diào)整復(fù)雜;使用測(cè)量?jī)x器種類(lèi)多，協(xié)調(diào)性、一致性較差，測(cè)量精度低;測(cè)量數(shù)據(jù)只能人工計(jì)算，不便于保存和管理。雖然有部分軌道車(chē)輛生產(chǎn)企業(yè)使用激光測(cè)量設(shè)備，但仍鮮見(jiàn)一體化智能檢測(cè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的三坐標(biāo)精密測(cè)量設(shè)備，受到測(cè)量尺寸的限制，很難滿足軌道車(chē)輛的測(cè)量要求，而基于激光陣列測(cè)距的測(cè)量系統(tǒng)可以有效彌補(bǔ)現(xiàn)有測(cè)量方法中的缺陷。

筆者嘗試在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的大尺寸測(cè)量方法基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)車(chē)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一種非接觸式測(cè)量方案，適合多種車(chē)型幾何尺寸的測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)體主要結(jié)構(gòu)尺寸的高精度、智能化測(cè)量檢測(cè)。

1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

待測(cè)的軌道車(chē)輛車(chē)體一般長(zhǎng)度達(dá)到20m以上，寬度和高度均在3m左右。各種基本車(chē)型尺寸見(jiàn)表1。

表1 典型車(chē)體基本尺寸和公差 mm

由于被測(cè)件車(chē)體尺寸較大、輪廓面形狀較為規(guī)則，為了提高檢測(cè)效率，本系統(tǒng)采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)。

按圖1所標(biāo)序號(hào)，待測(cè)車(chē)體1被事先放置在車(chē)體底座支撐臺(tái)2上。測(cè)量時(shí)，龍門(mén)3沿著軌道4和5勻速直線運(yùn)動(dòng);同時(shí)，布置在龍門(mén)立柱和橫梁上的測(cè)距傳感器陣列實(shí)時(shí)采集掃描車(chē)體外廓截面三坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖1 龍門(mén)式整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 傳感器陣列系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)量系統(tǒng)中，主要用到了激光測(cè)距傳感器、傾角傳感器和光纖應(yīng)變力傳感器。如圖2所示，激光測(cè)距傳感器被均勻布置在立柱和橫梁上，間隔250mm，每側(cè)13個(gè)。傳感器陣列作為測(cè)量的最主要部分，直接采集原始的車(chē)體輪廓坐標(biāo)信息。方案使用的是KEYENCE公司的IL－300型CMOS傳感器探頭，測(cè)量范圍為160～450mm，重復(fù)精度為50μm。

圖2 3種傳感器位置及功能示意圖

如圖2中所示，左右兩側(cè)傾角傳感器被放置在立柱上端距離立柱底端3 500mm處，橫梁上的傾角傳感器被放置在橫梁的中間位置。方案使用Baumer的雙軸傾角傳感器，分辨率高達(dá)0.001°。

由于龍門(mén)跨度較大，兩側(cè)不能保證絕對(duì)同步運(yùn)動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)形變。圖2中，在形變較大的位置處安裝了光纖應(yīng)變力傳感器，用以實(shí)時(shí)檢測(cè)形變誤差。方案中使用FSS3211DS型光纖光柵應(yīng)變傳感器，精度小于1με，根據(jù)實(shí)際的形變應(yīng)力大小計(jì)算，相當(dāng)于形變位移分辨率為0.002mm。

所有測(cè)量數(shù)據(jù)最后上傳至上位機(jī)，由軟件做數(shù)據(jù)處理。如圖3所示，激光測(cè)距和二維水平儀數(shù)據(jù)共45個(gè)模擬量由數(shù)據(jù)采集卡傳至上位機(jī)，龍門(mén)架前進(jìn)距離數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡傳回，應(yīng)變力數(shù)據(jù)通過(guò)光纖解調(diào)儀傳回。軟件通過(guò)誤差補(bǔ)償計(jì)算和三維坐標(biāo)擬合，得出待測(cè)車(chē)體所需幾何量參數(shù)。

圖3 傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集卡使用NI的PCI－6225，該數(shù)據(jù)采集卡有80個(gè)模擬量通道，采樣頻率可達(dá)250KS/s，此外還配置了24路數(shù)字I/O，滿足系統(tǒng)方案的需求。

2 數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

2.1 基于測(cè)量數(shù)據(jù)的車(chē)體三維數(shù)學(xué)模型

根據(jù)布置在龍門(mén)的相關(guān)設(shè)備的功能和特性以及采集的數(shù)據(jù)屬性，方案構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型。模型建立的主要手段就是通過(guò)龍門(mén)架平移，依次采集待測(cè)車(chē)體各橫截面的尺寸和幾何量，再將測(cè)得的各截面數(shù)據(jù)擬合成三維實(shí)體［1］。

將各測(cè)距傳感器簡(jiǎn)化為龍門(mén)架上的點(diǎn)陣，如圖4 所示，圖中 CLi(i=1，2，3，…，n)、CRi(i=1，2，3，…，n) 和CTi(i=1，2，3，…，n) 分別代表龍門(mén)架左側(cè)、右側(cè)和頂部的傳感器。

龍門(mén)架在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于車(chē)體任意一個(gè)采樣截面，激光傳感器陣列都會(huì)測(cè)得一組距離值，圖4中，dli(i=1，2，3，…，n)、dri(i=1，2，3，…，n) 和dti(i=1，2，3，…，n) 表示龍門(mén)架在起始截面時(shí)傳感器陣列的距離值;dli'(i=1，2，3，…，n)、dri'(i=1，2，3，…，n) 和 dti'(i=1，2，3，…，n) 表示在龍門(mén)架沿X軸平移了L1時(shí)傳感器陣列的距離值;dli″(i=1，2，3，…n)、dri″(i=1，2，3，…，n) 和dti″(i=1，2，3，…，n)表示在龍門(mén)架沿X軸平移了L2時(shí)傳感器陣列的距離值。

由以上分析可知，在車(chē)體任意一個(gè)待測(cè)截面，龍門(mén)架沿X軸的位移量已知，各測(cè)頭與各待測(cè)點(diǎn)的距離值已知，則截面上測(cè)得的點(diǎn)的空間坐標(biāo)即可求出，將點(diǎn)的空間坐標(biāo)用矩陣的形式表示出來(lái)，設(shè)傳感器初始坐標(biāo)系矩陣為:

傳感器坐標(biāo)系距離起始位置的平移矩陣為:

每次采樣距離值數(shù)據(jù)矩陣:

則車(chē)體任意橫截面上測(cè)得的點(diǎn)陣空間坐標(biāo)矩陣為K=C+Li+Di，即

用虛線將矩陣分為3部分，分別為車(chē)體任意橫截面左、右、頂部采樣點(diǎn)陣坐標(biāo)集合，在龍門(mén)架平移的過(guò)程中，這些點(diǎn)陣將被導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行三維擬合處理，從而可計(jì)算車(chē)體尺寸誤差和各類(lèi)幾何誤差。

2.2 誤差補(bǔ)償方法

龍門(mén)架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在各種因素影響下，測(cè)得的輪廓坐標(biāo)參數(shù)存在測(cè)量誤差。需要在測(cè)量數(shù)據(jù)處理前進(jìn)行誤差補(bǔ)償。在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中，誤差補(bǔ)償方案的制定對(duì)最終測(cè)量結(jié)果的精確度具有至關(guān)重要的作用。

經(jīng)過(guò)研究分析，得出了龍門(mén)系統(tǒng)的剛性誤差因素。如圖5所示，整個(gè)龍門(mén)架機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，共有19項(xiàng)剛性誤差［2］。

如圖5所示，X向直線度誤差(14)、X'向直線度誤差(17)以及X和X'的平行度誤差(15)，這3項(xiàng)系統(tǒng)誤差取決于軌道直線度以及安裝精度。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選定的機(jī)械元件的精度，該3項(xiàng)誤差在26m的軌道長(zhǎng)度上為0.60mm。在系統(tǒng)安裝好測(cè)量之前可先對(duì)這3項(xiàng)誤差進(jìn)行測(cè)定，將其作為系統(tǒng)參數(shù)的一部分。

圖5 龍門(mén)系統(tǒng)剛性誤差因素示意圖

X向直線位移定位誤差(18)和X'向直線位移定位誤差(19)，是由龍門(mén)同步運(yùn)動(dòng)誤差以及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)誤差造成的，機(jī)械傳動(dòng)誤差可在測(cè)量前，先對(duì)其進(jìn)行測(cè)定，作為系統(tǒng)誤差處理。測(cè)量中的同步誤差，由龍門(mén)兩側(cè)伺服電機(jī)編碼器比對(duì)脈沖數(shù)來(lái)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，該誤差可控制在0.80mm之內(nèi)。

余下的14項(xiàng)誤差是在龍門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由龍門(mén)的位姿變化引起的，具有隨機(jī)性，無(wú)法事先標(biāo)定補(bǔ)償，因此需要用二維水平儀和光纖應(yīng)變力傳感器對(duì)龍門(mén)位姿進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

坐標(biāo)系 OXYZ 分別繞 Z，X，Y軸轉(zhuǎn)過(guò) θ，φ，ψ 角并構(gòu)成新坐標(biāo)系OX1Y1Z1時(shí)，在Z軸上坐標(biāo)為(x，y，z)的一個(gè)激光傳感器測(cè)頭，在Z1軸上的坐標(biāo)(x1，y1，z1)可以通過(guò)乘以旋轉(zhuǎn)矩陣R得到，即

θ，φ，ψ均很小，余弦值近似為1，正弦值近似為該角度。引入上述近似后，得到

對(duì)于龍門(mén)結(jié)構(gòu)的測(cè)量系統(tǒng)，X軸和X'軸固定，Z1軸相對(duì)于X軸和Y軸的偏轉(zhuǎn)φ，ψ可由雙軸傾角傳感器測(cè)得，θ為Z軸相對(duì)于自身的扭轉(zhuǎn)，由光纖應(yīng)變力傳感器測(cè)得，由公式(5)、(7)可得傳感器測(cè)頭的實(shí)際位置的坐標(biāo)為:

本方案中，激光傳感器陣列被放置在夾具中，安裝在龍門(mén)上。夾具的加工精度和安裝精度導(dǎo)致激光并不是完全垂直與立柱面，同樣也存在一個(gè)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，即激光束與X1軸、Y1軸和Z1軸存在 αi，βi，γi的偏轉(zhuǎn)時(shí)，激光測(cè)得的距離為 di，將激光束作為向量換算到OX1Y1Z1坐標(biāo)系下，可得到激光在OX1Y1Z1坐標(biāo)系下的向量矩陣:

對(duì)于立柱，由于 αi，γi趨于 90°，βi趨于 0°，則式(9)可以近似為:

同理，對(duì)于橫梁，αi、βi趨于90°，γi趨于 0°，代入式(9)可得近似值:

則由公式(8)～(11)可得車(chē)體外表面被測(cè)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)為:

根據(jù)公式(10)、(11)，結(jié)合實(shí)際情況，每個(gè)傳感器在安裝校準(zhǔn)之后的誤差為φ 0.02mm的圓形區(qū)域，每側(cè)的傳感器陣列的總體誤差范圍為0.35mm。

除了剛性誤差，龍門(mén)機(jī)構(gòu)還有受力、受熱的形變誤差。如圖6所示，龍門(mén)機(jī)構(gòu)在受力之后的形變變化趨勢(shì):龍門(mén)在自身重力作用下，立柱和橫梁均會(huì)產(chǎn)生彎曲;軌道在支撐龍門(mén)架時(shí)，受力會(huì)下陷。通過(guò)RecurDyn軟件分析，在常溫常壓下，受重力和溫度產(chǎn)生的形變位移量最大值為0.08mm。這個(gè)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他誤差，因此在本測(cè)量設(shè)計(jì)中，力、熱形變誤差可以忽略不計(jì)。

圖6 龍門(mén)機(jī)構(gòu)受力形變趨勢(shì)圖

經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償之后的激光距離測(cè)量值，將代入2.1節(jié)中建立的數(shù)學(xué)模型中，作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于大尺寸物體的幾何量測(cè)量，一套快捷、高精度的測(cè)量系統(tǒng)能夠很大程度地保證和提高產(chǎn)品的質(zhì)量和安全。文中研發(fā)的用于多種機(jī)車(chē)車(chē)型的專(zhuān)用車(chē)體輪廓測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)體主要結(jié)構(gòu)尺寸的高精度、智能化測(cè)量;可以使機(jī)車(chē)車(chē)廂的生產(chǎn)效率得到提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證，并對(duì)提高國(guó)家軌道交通的進(jìn)一步發(fā)展作出一定的貢獻(xiàn)。

［1］姜慶昌.汽車(chē)輪廓尺寸測(cè)量機(jī)的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2006.

［2］張國(guó)雄.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，1999.

［3］華慶元.大距離分布孔系同軸度測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)［D］.南京:南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，2011.

［4］高岳.光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)［M］.2版.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

Design of Geometry Parameters Measure System Based on Data Fitting for Bullet Train＇s Profile

CHEN Hao，ZHAO Zhuanping，Huang Qimin
(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Jiangsu Nanjing，210016，China)

Based on the existing large size measure method，it analyzes the actual situation of locomotive，develops a data matching scan type three－dimensional measure system using various sensors.When the gantry is linearly moving，the system gets the three dimension parameters of each cross section with corresponding data acquisition technology by using laser distance sensors，two dimension gradienters and strain force fiber sensors，makes out an error compensation scheme and corresponding mathematical model，establishes the mathematical model，matches all cross sections to be a complete three－dimensional－entity and finally calculates the necessary profile geometry parameters.This system realizes the measurement with high precision and intelligent.

Large Size Measurement，Sensors Array，Three Dimensional Matching

TP23

A

2095－509X(2013)04－0054－05

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.013

2012－12－07

陳皓(1986—)，男，浙江新昌人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆姕y(cè)控技術(shù)。